本科毕业论文基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计.docx
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本科毕业论文基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计
郑州轻工业学院
本科毕业设计
题目基于热电偶温度传感器的动态
温度实时测量记录系统设计
学生姓名闵许可
专业班级电子信息工程11-01
学号541101030129
院（系）电子信息工程学院
指导教师（职称）
完成时间2015年06月04日
郑州轻工业学院
毕业设计（论文）任务书
题目基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计
专业电子信息工程学号541101030129姓名闵许可
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
一、主要内容：
针对热电偶温度传感器的输出信号特点，结合考虑其热惰性时间常数，实时测量记录动态温度的变化过程。
二、基本要求：
1、选定一款热电偶温度传感器，产品的测温范围就是温度记录范围；
2、设计动态温度实时测量算法；
3、设计相关的测试系统框图；
4、设计以单片机为核心的硬件电路；
5、设计单片机软件流程图和程序；
6、撰写设计报告。
三、主要参考资料：
1、路立平等，温度传感器的热时间常数及其测试方法，《仪表技术与传感器》2005年7期。
2、钱可元，高精度热电偶温度变送器，PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATION,Vol.24,No.8,Aug.,2003。
3、赵标等，热电偶测温及冷端补偿研究与实现，《上海船舶运输科学研究所学报》2013年6期。
4、王前波等，基于单片机的热电偶温度测量系统设计，《科技信息》2007年3期
完成期限：
2015年3月2日－2015年6月19日
指导教师签章：
专业负责人签章：
2015年3月2日
基于热电偶温度传感器的动态温度
实时测量记录系统设计
摘要
近年来热电偶渐渐地开始频繁的作为检测温度元器件出现在我们的视线中，但是，这种温度传感器用起来很麻烦，大都是需要有专门的温度补偿导线，而温度补偿导线的价格又不便宜，而且使用起来也不方便，还会影响测量精度。
这种把模拟量直接作为数据采集的方案在应用过程中一定会遇到的。
除此之外，在实际应用中，监视较远处的温度信号也是不可避免的。
于是，就有了用集成芯片实现将模拟的电压值经过数模转换后与单片机I/O口相连实现数据传输，这种方案不仅可以减少制作和应用的本钱，而且还会对精确度的提高有很好的效果。
本系统，主要介绍了复位电路、晶振电路、DS1302时钟电路、MAX6675热电偶温度采集和转换电路以及LCD1602液晶显示电路。
4X4矩阵键盘输入电路作为扩展部分，可以对实时调整。
软件部分设计主程序、温度采集转换、键盘电路和LCD1602电路。
关键字热电偶，MAX6675，AT89S51单片机，LCD1602
Designofrealtimemeasurementandrecording
systemfordynamictemperaturebasedon
thermocoupletemperaturesensor
Abstract
Inrecentyears,thermocoupleslowlybegantofrequentastemperaturedetectioncomponentsappearinourlineofsight,however,thetemperaturesensortousealotoftrouble,mostlyneedtohavespecialtemperaturecompensationconductor,andthetemperaturecompensationleadpriceisnotcheap,anduseupisnotconvenient,butalsoaffecttheaccuracyofthemeasurement.Thismethodwillbemetintheapplicationprocessofthedataacquisitionscheme..Inaddition,inthepracticalapplication,themonitoringofthetemperaturesignalisinevitable..AndthentherearetheintegratedchiptorealizetheanalogvoltagevalueafterdigitaltoanalogconversionandMCUI/Oportconnectedtorealizedatatransmission.Thisschemecannotonlyreducethecostofproductionandapplication,andalsoimprovetheaccuracyofaverygoodeffect.Thesystem,mainlyintroducestheresetcircuit,acrystaloscillatorcircuit,clockcircuitDS1302andMAX6675thermocoupletemperaturecollectionandconversioncircuitandLCD1602displaycircuit.4X4keyboardinputcircuitasanextensionpart,canadjustthereal-time.Softwaredesignofthemainprogram,temperatureacquisitionconversion,keyboardandLCD1602circuit.
Keywordsthermocouple，max6675，at89s51microcontroller，lcd1602
1绪论
随着时代的发展，电子产品智能化深入人心。
而现今社会上所开发出来的一些智能化和便于操作、使用的家用电子产品大都是以集成控制芯片为核心。
这是时代和人们的共同选择，也是电子产品的发展的趋势所在。
我们都知道，电子产品的制造往往都对温度有很高要求。
市面上出现的温度传感器种类也并不是一模一样的，但是都免不了要解决热惰性问题，所以直接以温度传感器测量出来的温度都不是实时温度。
在一些对温度要求不是非常严格的的时候用温度传感器还是行得通的。
然而，在测量气体温度时，测量出来的温度就会产生很大的偏差，主要就是响应太慢了。
工业测温大都要求精度较高的温度传感器。
比如PT电阻、温度传感器是半导体为主的测量温度的装置等。
NTC、PTC等温度传感器均属于半导体温度传感器，它们不能用在液体测温的情况。
对微弱温度变化的测量时，热敏电阻是个不错的选择，但是有严重非线性误差；所以，在对动态的实时的温度进行测量时，常用温度测量方法都会存在这样那样的问题，主要是测量精度的问题，从而出现一些我们都不喜欢的误差。
热电偶可以测量出的温度边界限制不是很大，可以用在很多场合来测量温度；而且精确度又是相对来说总是比较好的，所以被用做测温元件在不管是工业还是其他元件、食品等生产制造的不同场合得到了广泛的使用。
在工业标准热电偶和在工业生产制造过程中具有最低可测到-270摄氏度，最高能测超过一千八百摄氏度，符合国际标准。
测量时不用考虑在外面接电源的问题，因为它可直接驱动动圈式仪表等优点的K型热电偶成为应用最广泛的热电偶元件。
但是当热电偶在集成芯片领域被用时，热电偶却存在着以下3个方面的问题。
从一个角度来说是热电偶输出的也是真是测量的电压与他所要测量的物件的温度之间是非线性关系,因此在机型温度测量使用时必须对其进行线性化处理。
从另外一个角度来讲是热电偶输出的热电势是它自身包括周围在内的所处的温度保持在零摄氏度时与需要测出来的那个端点之间的电位差，而在实际温度测量应用中冷端的温度并不会一直保持在零摄氏度，而是会发生变动的，所以要考虑冷端补偿问题。
除此之外，与单片机系统连接的端口必须是数字化接口，而热电偶测出测出来的是很弱的难以测量和直接使用的模拟小信号。
当我们遇到冷端温度补偿这一必须要面对和解决的问题时,冰点补偿法和电桥补偿法这两种方法都存在大的缺陷，几乎不能实时实现温度的测量、成本高等一系列问题经常会随之产生。
因此对热电偶测量的电压信号进行放大调理、模拟和数字之间的转换等等一系列复杂的问题需要我们去很好的解决它。
在对动态温度进行实时测量记录时，仅仅显示温度还是远远达不到我们想要的结果的。
这时候就需要时间和温度的同时出现在我们的眼界内才能完成我们想要的结果。
要想显示时间常用的方法有两种，一是利用单片机时钟进行控制。
二是利用专用的时钟芯片。
我的设计是用K型热电偶、复位电路、晶振电路、MAX6675与单片机及热电偶的连接电路、LCD1602液晶显示电路以及4X4矩阵键盘输入电路等相关元器件来设计出相应温度采集放大和转换电路、温度显示电路、键盘控制电路、实时时间显示电路等。
系统利用芯片MAX6675和51单片机作为主要设计电路，进行数据传输,并配合时钟芯片，实现测量温度实时时间同时显示的目的，调用键盘可以控制查看实时测量温度记录等，一切都只是为了达到设计任务书中的所要求的各项技术指标，然后再仿真一下，可以实现对动态温度的测量、实时时间的显示等功能。
2动态温度测量记录系统方案设计
我们都知道温度传感器都是有热惰性的，为了实现对动态温度的正确测量，需要研究温度传感器的热时间常数。
假设温度传感器自身温度均匀，没有损失热辐射能量，而且传感器的介入不会改变被测介质温度，热平衡方程[13]可以表示为
（2-1）
其中，为比热容；为温度传感器质量；平均温度时间函数；被测介质温度函数；温度传感器耗散系数；t为时间变量。
热时间常数用表示，上式可写为
（2-2）
因为
所以，
，这就是动态温度测量误差的根本。
当
，且
|t=0
解上式得
，t>0（2-3）
，t>0（2-4）
当时
，
，热时间常数可表达为：
把传感器放入稳定介质，传感器温度由0变成和介质温度相同与传感器初始温度之差的63.2%用的时间。
每一种传感器都有自己的热时间常数，所以在测量动态温度时需要考虑用软件设计以达到动态温度实时测量的准确性。
2.1系统方案设计一
这种方案设计的基本思想是：
模拟元器件组成冷端补偿转换以及放大电路,这种冷端补偿放大以及模拟和数字相互转换组成的电路不仅占用电路的体积比较大,而且使用起来也非常不方便。
除此之外，当不管是需要改变桥路电源还是要更换热电偶的类型时，都需要对电路的元器件值重新再做出调整。
该方案所涉及的主要组成电路部分包括热电偶及冷端补偿、放大及A/D转换电路、单片机最小系统和显示电路等。
如图2-1-1所展示的就是这个方案设计的系统框图。
图2-1-1系统框图
2.2系统方案设计二
在这里我选择了自带热电偶冷端补偿和放大及模数转换器的专用芯片MAX6675，MAX6675芯片除了可以对冷端温度进行补偿外，还能对温度进行模数转换使其可以直接与51单片机进行数据传输。
它一方面将采集到的冷端温度数据使用芯片内部的温度敏感二极管转换成补偿电压，另一方面又将测量到的热电势和补偿电压利用模数转换器转换成相应数字量用来代表所测量的温度,然后实际温度数据（二者的电压的和）从输出引脚输出和单片机P0口连接，进行数据传输，最后在LCD1602液晶显示屏上将温度值显示出来。
该方案所涉及的主要组成电路部分包括K型热电偶、温度补偿转换电路、4X4矩阵键盘电路及LCD1602显示电路等。
如图2-1-2就是这个方案设计的系统框图。
图2-1-2系统框图
2.3系统方案的确定
现在对上述两种方案进行比较，由系统框图可以得出方案一所需电路比较复杂，而且测量出的温度值不精确，这样就可能会造成非常大的误差。
方案二是热电偶专用的芯片MAX6675芯片对采集到的温度数据在内部进行AD转换、冷端补偿、内部校正工作，还可以对测量到的温度进行数字化处理的问题。
除此之外，该方案所测温度精确度比较高，可以消除由热电偶的非线性所造成的测量误差,该方案还实现了电路的优化设计。
故本系统设计最后决定用方案二的设计思想。
3硬件电路设计
3.1AT89S51单片机的硬件组成
3.1.1片内硬件组成结构
AT89S51单片机的片内硬件组成结构如图示:
图3-1-1片内硬件结构
AT89S51具有的基本特点是【9】：
CPU是8位微处理器
128byte片内数据存储器
4K片内程序存储器
8位可编程并行I/O口4个
全双工的异步串行口1个
16位可编程定时计数器2个
看门狗定时器1个
中断系统有5个中断源，两个中断优先级
特殊功能寄存器26个
掉电模式下具有中断恢复模式。
除掉电模式之外，低功耗节电模式有还空闲模式
程序加密锁定位3个
比起AT89C51来说，AT89S51拥有更加鲜明的特点，具体表现在【9】：
新增InSystemProgram（ISP）功能，可灵活的在线编程，现场程序修改和调试更加方便
多加一个数据指针，方便对片外RAM访问
新增看门狗定时，系统抗干扰能力增强
增加掉点标志和掉点后恢复
3.1.2
引脚功能
引脚（
封装）如图
图3-1-2
封装引脚图
表3-1-1电源和时钟引脚及功能
表3-1-2控制引脚及功能
表3-1-3
端口引脚及功能
表3-1-4部分I/O口引脚的第二功能表
3.1.3
存储器
使用存储器时应注意：
（1）要区分程序存储器和数据存储器【9】
（2）位地址空间共有2个区域
（3）用指令来区别访问的是片内数据存储器还是片外数据存储器【9】
（4）片外数据存储器统一编址RAM和I/O端口【9】
（5）所有外围I/O端口的地址都会占用存储器单元
图3-1-3存储器空间分配图
程序存储器一般用作：
（1）存放程序和表格一类的固定常数
（2）系统程序启动地址0000H是程序存储器里的地址
（3）引脚
确定是访问片内还是片外程序存储器
程序存储器被固定用于各中断源的中断服务程序入口地址如下表所示【9】：
表3-1-55个中断源的中断入口地址
中断源
中断入口地址
外部中断0
0003H
定时器T0
000BH
外部中断1
0013H
定时器T1
001BH
串行口
0023H
由表可以看出，中断入口间隔只有8个单元，通常来说，是远远不够用来存放中断服务子程序的，所以，我们经常习惯在这几个中断入口处写一条跳转指令调到对应的中断服务子程序【9】。
数据存储空间分为片内和片外数据存储。
由于本次设计未涉及片外扩展，所以，在这里只介绍一下片内128字节RAM的相关情况，具体内容在下面的表格里展现出来。
表3-1-6片内数据存储空间分配
单片机通过特殊功能寄存器SFR控制片内各功能部件。
SFR在片内RAM上映射区共26个，对应地址是80H~FFH。
具体情况如图3-1-4。
阴影部分为新增的5个SFR。
图3-1-4特殊功能寄存器的名称及分布
3.2热电偶简介
3.2.1热电效应及微观解释
热电效应定义：
将两种不同材料的导体A和B串联成一个闭合回路，当两接点温度不通时，回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应【1】。
如图3-2-1所展现出来的就是热电偶工作原理。
图3-2-1热电偶工作原理
一八二一年，赛贝克做出来了一个非开放的闭合回路利用不同材质的金属，当他对其中一个点进行加热后，这时，他觉察到指南针竟然转动了一个角度。
当他再次同时加热两个结点时，他发现了放在回路中的指南针的偏转角不仅不增大，反而向回转。
由指南针的偏转可以得出了一个结论：
当两个结点温度不相同时，回路中有电动势产生并伴随有电流的流动，电流大小和连接处的温度相关联【1】。
两接触点的电势公式可以写成：
（3-2-1）
（3-2-2）
热电偶电动势公式可以写成：
（3-2-3）
因为闭合回路的温差电动势太小，常常都是被忽略的，所以可以把公式写成：
（3-2-4）
如果热电偶的型号选定了，冷端温度也已经明确了，那么
就可以用一个对应的固定的数值来表示，公式可以变为：
（3-2-5）
当连接两种不同种类的金属A和B时，就可以推算出连接点处自由电子会发生蔓延的情况，这是因为不同种类的金属内部自由电子的密度是不一样的。
自由电子将会从密度大的金属A向密度小的金属B扩散，密度大的金属失去e从而带着正电，密度小的金属就会带有负电，这样就会形成热电势。
当他将另一种金属材料接入热电偶回路中时，但一定保持接入的第三种金属材料两个接点的温度是一模一样的，那么热电偶产生的热电势就会恒定不变，即第三种金属接入回路不会对热电偶所产生的热电势有所影响。
所以，在利用热电偶对温度进行测量时，测量仪表是被允许接入的，我们可以通过测得热电动势后得到被测介质的温度。
如果已经确定了热电偶的材料成份，那么热电势的大小就只与热电偶两端的温度差相关联了。
若再将热电偶冷端的温度保持在一个稳定不变的值时，热电偶的热电势就只和工作端温度呈现出单值函数的关系。
热电偶温度传感器的制作和使用是基于这一原理【1】。
3.2.2热电偶类别及冷端补偿
总的来说，热电偶温度传感器可以分为【1】：
标准热电偶和.非标准热电偶。
从字面上来讲，我们所说的标准就是符合国家对一些性能方面的统一标准规定，而这些规定往往会有配套的显示仪表可供测试或检测使用时选择。
非标准在某种程度上总是比不得标准化热电偶，而且，分度表也不统一，多数用于某些特殊场合。
一九八八年一月一日我国所有热电偶和热电阻都按国际标准统一设计。
标准化热电偶温度传感器类型分别是S型、B型、E型、K型、R型、J型、T型七种【1】。
用热电偶测量时，要保持冷端的温度恒定不变，这样的话，热电偶热电势的大小就与测量的温度之间就能呈现出一定的函数关系。
实际上冷端的温度不会一直都是恒定的，而是时刻都在变化的。
因此要想得到真正想要的热电势就要解决有关补偿的问题。
如果不想办法消除因为冷端温度发生改变而影响到真实温度的测量就会造成比较大的测量误差。
该补偿电势随冷端温度变化的特性一定要和热电偶的热电特性相一致，这样才能获得最佳补偿效果【12】。
热电偶温度补偿公式【3】如下：
（3-2-6）
其中，实际测量的电动势用
表示；热端温度用
表示；冷端温度用
表示；零摄氏度用
表示【3】；
代表冷端表示的是零摄氏度时所需的补偿电势。
3.2.3热电偶选型
一般来说，对于一些特殊的热电偶的选择这个问题，可以从以下几个方面来考虑。
1、根据温度测量的范围来选择
（1）当测量的温度所在范围是在1300°C到1800°C之间，而且对于测量温度时的精度要求相对来说也是非常的高时，普遍来讲热电偶都是选用的型号为B型的热电偶；
（2）当测量的温度所在范围是在超过了1800°C之后，而且所需要测量的温度对于所处于的气体氛围又可以接受，对于测量温度时的精度要求也不是非常的高的话，一般来讲热电偶首选的普遍都是钨铼热电偶；
（3）当测量的温度所在范围是在1000°C到1300°C之间，而且对于测量温度时的精度要求相对来说也是非常的高时，一般来讲热电偶都是选用的普遍都是型号为S型的热电偶或者选用的热电偶是型号为N型的都是可以的；
（4）当测量的温度所在范围是在1000°C以下的话，一般来讲热电偶都是普遍选用的型号为K型的热电偶和N型的热电偶；
（5）当测量的温度所在范围是在400°C以下的话，一般来讲热电偶都是普遍选用的型号为E的热电偶；
（4）当测量的温度所在范围是在250°C以下，或者测量的温度所在范围是小于0摄氏度的话，一般来讲热电偶都是普遍选用型号为T型的热电偶，因为，相对来说，在温度比较低的环境中使用时型号为T型的热电偶变化不是很大，测量出的误差也是比较小的，而且对于测量温度时的精度也是比较好的。
2、根据使用的环境来选择
（1）当所需要测量的温度是处于强氧化性和弱还原型的气体氛围内可以考虑使用S型、B型、K型这三种类型的热电偶；
（2）当所需要测量的温度是处于氧化性相对来说比较微弱，然而还原性相对来说比较的气体氛围内可以考虑使用J型和T型这两种类型的热电偶；
（3）当所需要测量的温度对于所处于的气体氛围之间有着非常非常好的保护作用，那样的话对于可以考虑使用的热电偶的类型，通常来讲，就不会做太过严格的要求；
3、根据可持续使用的时间来选择
（1）就关于热电偶的使用来说，它的可持续时间和响应时间是不能同时得到保证的，可持续使用的时间越是长的话，它的响应就需要比较长的时间；
（2）有一种热电偶，它的热容量是比较大的，那么它所需要的响应的时间就会比较长，当我们所需要测量的温度变化比较大时，这种热电偶对温度进行控制就会非常差。
（3）如果非得选用一种响应时间又快，可持续使用的时间也有一定的延长的话，一般来讲热电偶都是普遍选用铠装方式的热电偶。
就K型热电偶来讲，据我所知，它是经常和一些用来显示记录作用的仪表相互配合着来使用。
K型热电偶可以测量的温度范围是0摄氏度到1300摄氏度【1】。
测量物体不仅可以是气体介质，也可以是固体以及液体蒸汽等。
现在使用频率最大的廉金属热电偶是对应型号为K型的，它的使用之多几乎可以表达为其他热电偶的使用量的叠加。
1.2～4.0mm是K型热电偶丝常用直径【10】。
正极（KP）的组成比例为：
Ni所占比例是92/104，Cr所占比例是12/104；
负极（KN）的组成比例为：
Ni所占比例是99/102，Si所占比例是3/102；
可以用在零下两百摄氏度的低温环境到1300°C的高温环境温度范围内。
当我们操作K型热电偶时，会发现它不但有着很好的线性关系【11】、测量出来的电动势也并不微弱、平均每单元需要被测物质一旦变化就会在很大程度上影响响应量等特点，而且使用起来一般不会发生不稳的情况。
除此之外它还同时拥有了使用起来一般不会是参差不均的情况等诸多可取点。
K型热电偶普遍应用于氧化性惰性气体中，不可以在没有任何保护措施的条件下使用在还原性或者是还原和氧化交换出现的气体中（高温条件），当处于弱氧化气体中时也不推荐用K型热电偶测温.
经过上述对热电偶的一些表达情况，可以知道K型热电偶已经完全满足本次设计需要完成的关于测量温度的各项功能，所以本次设计就打算选用K型热电偶作为温度采集器件。
3.3芯片MAX6675简介
3.3.1芯片MAX6675的内部结构图
我这次设计使用的是集成的MAX6675芯片，它是一种把SerialPeripheralinterface总线【7】（串行外围设备接口SPI）作为串行传输的专用的集冷端补偿和模拟电压转换数字于一身的超实用芯片。
MAX6675因其高可靠性和稳定性，在很多不同场合不同领域内都得到了广泛的使用。
如图所展现出来的就是内部结构图。
图3-3-1芯片内部结构图
3.3.2芯片
的特性
芯片
的特点可以概括如下【4】
（1）串行数据传输（SPI）
（2）测温范围在零摄氏度到一千零二十四摄氏度之间
（3）十二字节零点二五摄氏度的分辨率
（4）差动放
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