本科论文智能温度测量仪表的研究与设计.docx

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本科论文智能温度测量仪表的研究与设计

密级

学号

070403120

院、（系）

电子信息工程学院

题目：

智能温度测量仪表的

研究与设计

学位申请人：

徐思维

指导教师：

路青起

学科专业：

电子信息工程

学位类别：

工学学士

2011年06月

本科毕业设计（论文）

题目：

智能温度测量仪表的研究与设计

院（系）：

电子信息工程学院

专业：

电子信息工程

班级：

070403

学生：

徐思维

学号：

070403120

指导教师：

路青起

2011年6月

智能温度测量仪表的研究与设计

摘要

温度是一个重要的测量参数，并且热电偶具有测温范围广、准确度高和成本低等优点，使其成为工业应用中温度测量的第一选择。

为准确测量温度，本论文将热电偶测温技术与单片机技术结合起来，设计了数字式智能测温仪表，该仪表采用单片机芯片AT89C51作为微处理器，K-型热电偶（镍铬一镍硅）作为温度传感器，数字温度传感器DS18B20进行K-型热电偶冷端温度的测量，以对热电偶进行冷端补偿，以便准确测量其温度。

该论文主要由智能温度测量仪表的硬件设计、软件设计两个部分组成。

在本论文中，首先设计了智能温度测量仪表的硬件。

智能测温仪表硬件电路由五个主要部分组成:

单片机、A/D转换器、信号调理电路、液晶显示电路及键盘输入。

分别介绍了各组成部分的主要所用芯片，并设计了其接口电路。

整个软件设计中主要包括系统主程序的设计、键盘显示子程序以及数据采集等模块组成，测温程序适用于AT89C51单片机。

最后分析了K-型热电偶的基本知识，设计了K-型热电偶的电路，采用数字温度传感器DS18B20解决了K型热电偶的冷端补偿问题。

关键词:

智能仪表，K型热电偶，温度测量，冷端补偿

Intelligenttemperaturemeasuringinstrumentresearchanddesign

Abstract

Temperatureisanimportantmeasurementparameters,andawiderangeofthermocoupletemperaturemeasurementwithhighaccuracyandlowcost,makingitthetemperaturemeasurementinindustrialapplications,thefirstchoice.Inordertoaccuratelymeasuretemperature,thermocoupletemperaturemeasurementinthisthesiscombinedwithmicrocontrollertechnology,thedesignofthedigitalsmartThermometer,theinstrumentusedasasinglechipmicroprocessorAT89C51,K-typethermocouple（Ni-anickelchromiumsilicon）asatemperaturesensor,digitaltemperaturesensorDS18B20theK-typethermocouplecoldjunctiontemperaturemeasurementtocompensateforthermocouplecoldjunctioninordertoaccuratelymeasureitstemperature.Thepaperbyintelligenttemperaturemeasuringinstrumenthardwaredesign,softwaredesignoftwoparts.Inthisthesis,thedesignofintelligenttemperaturemeasuringinstrumenthardware.IntelligentThermometerhardwareconsistsoffivemaincomponents:

microcontroller,A/Dconverter,signalconditioningcircuits,liquidcrystaldisplaycircuitandkeyboardinput.Introducedthemaincomponentsusedinchipanditsinterfacecircuitdesign.Thesoftwaredesignincludingsystemdesignofthemainprogram,thekeyboarddisplayroutines,anddataacquisitionmodules,temperatureprogramforAT89C51microcontroller.FinallyabasicknowledgeofK-typethermocouple,K-typethermocoupledesignedcircuit,digitaltemperaturesensortosolvetheK-typethermocoupleDS18B20coldjunctioncompensationissues.

Keywords:

intelligentinstruments,K-typethermocouples,temperaturemeasurement,coldjunctioncompensation.

第1章绪论

1.1研究背景和意义

1.1.1研究背景

温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。

温度是人类生产活动，科学实验，日常生活需要大量进下的测量的一个非常重要的物理量。

温度测量的历史：

第一个温度传感器是由伽利略设计的。

在他之后，温度测量的一个重要里程碑，由法勒海特（Fahrenheit）在1706年设计制造的水银温度计。

该温度计以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100度，把水银温度计从0度到l00度按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作“1℉”。

AndersCelsius（1701-1744），其结冰点是0°C，沸点为100°C。

1740年瑞典人摄氏（Celsius）提出在标准大气压下，把冰水混合物的温度规定为0度，水的沸腾温度规定为100度。

根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度。

两点间作100等分，每一份称为1摄氏度。

记作1℃。

温度测量方法分为两类：

接触式和非接触式。

温度传感器的发展经历了三个阶段：

分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、数字温度传感器。

热电偶、热电阻、半导体温度传感器都属于分立式温度传感器，其本身就是一个完整、独立的感温原件。

热电偶则是利用热电效应将温度直接转换成电势，是一种能量转换型温度传感器。

并且热电偶具有准确度比较高，测量范围广，成本低廉等优点。

但是由于温度目标测量范围较大，各方面条件而限制不能较好的提高测量精度。

因此，如何提高热电偶测量精度成为当今测温研究的一个方向与重点。

1.1.2研究意义

温度是一个相当重要的物理量，是国际单位制中的七个基本单位之一，同时也是工业生产中主要的工艺参数之一。

但是要正确的测量温度是很困难的，无论采用准确度多么高的传感器，假如传感器选择不正确，或者测温方法选择不适宜，都有可能得不到令人满意的效果。

在实际使用中，因为受到各种因素的影响，热电偶的温度和热电势之间呈非线性关系。

实际使用中常采用查表法或者线性插值法进行线形校正。

查表法是将热电偶整个动态范围内的非线性热电曲线存于内存中，根据热电偶的输出电动势，查表匹配来获得测量温度。

但是热电偶产生的热电动势是测量端得温度和参考端的函数差，因此如果参考端的温度是变化的，那么测量误差也就是一个变量，影响了测量的准确度。

因此在本论文中尝试使用数字温度传感器DS18B20作为其冷

端补偿，以修正测量温度，求得实际的温度。

1.2研究现状及发展趋势

1.2.1国内外测温研究现状

随着国内外工业的日益发展，温度测量技术也有了长足地进步。

目前的温度检测包括以下方法:

1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计

利用这种原理制成的温度计大致分成三大类:

双金属温度计、玻璃温度计以及压力式温度计。

2）利用热辐射原理制成的高温计

热辐射高温计通常分为两种:

一种是单色辐射高温计，称为光学高温计;另一种是全辐射高温计，其工作原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，

能将它吸收、透过或反射。

3）利用热电效应技术制成的温度检测元件

利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。

由于其具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度较高、热惯性小等特点，因此被广泛作为温度传感器的敏感元件。

4）利用热阻效应技术制成的温度计

用此技术制成的温度计大致可分成以下几种:

电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。

l.由点到线、由线到面温度分布的测温技术

（l）多芯热电偶。

传统的温度测量可称为对某一“点”的温度测量。

如用热电偶测量炉窑温度，只能给出测量端所处的温度。

但是了解整个炉内温度分布是十分必要的，所以采用多芯恺装热电偶，可以分布式测量炉内环境温度。

（2）光纤式温度分布测量装置。

光纤式温度分布测量装置是用一只传感器就能测出线状温度分布的一种新型传感器件。

该装置的基本原理是将激光脉冲射到光纤中，依据到达各处返回的散射光中的斯托克及反斯托克光之比，求其温度。

这种光纤式温度分布测量装置可以测得最远30km以内的温度分布。

光纤温度测量装置由于用光纤传输或敏感温度，具有电磁绝缘性好、高灵敏度、体积小、重量轻，便于在特殊场合下安装等特点。

（3）用辐射温度计或热像仪测量表面温度分布。

对于被测表面的温度测量与控制，可以选用热像仪或辐射温度计测量。

（4）用长热电偶测量表面温度分布。

对于步进式加热炉等炉内温度的测量，通常将热电偶焊接或铆接在耐热物体上，然后逐渐向炉内移动测量温度。

（5）用耐热数据记录仪与短热电偶相结合测量表面温度分布。

将小型半导体存储装置放入耐热容器内，并与短热电偶一起随物体放入炉内，就可以很方便的测量炉内温度分布。

2、由表面到内部、深部的测温技术

对于物体内部温度，可以将带有保护管的温度传感器插入物体内部测量。

但是，有时却受到很多制约，有时不能直接插入。

例如测量人体体温的温度计，温度计中间有绝缘层，上下各有一个热敏电阻，并在其上放一个加热器。

如将此温度计放在人体表面上，因此在上、下热敏电阻间有温度差，所以要用加热器加热来消除温度差。

在内部附有发热体的物体中，热量将由内向外扩散，因此表面温度要比内部温度低，其间有温度差。

因此，在加热物体的表面，如能消除此温度梯度，就能测量出便可知内部温度。

应用上述原理，欲测量工程管道内的流体温度，在此不用加热器，而在管道内部安放一块与管道具有相同材质的垫片。

其外部再缠绕保温材料，用此方法减少或尽量消除温度梯度。

这种管道包括垫片在内与内部流体的温度梯度将

3、由有线到无线的测温技术

传统的高热温度计均由热电偶、补偿导线以及显示仪表组成，即测温元件与仪表间具有不可分割的联系。

通常都是采用带有电缆的有线连接方式。

然而对于旋转或移动的物体温度进行检测时，则遇到很大障碍，因此采用无线传输方式的测温技术就具有非常大的优势。

无线巡回温度监测系统就是采用无线传输的一种测温仪表，这种测温方式

对于危险场所和高部位温度检测是十分方便的。

1.2.2发展趋势

随着对生产效率的要求不断提高，对温度检测的要求也越来越高，融合现代检测技术和控制理论的智能检测是当今温度检测的一大趋势，研究和开发适用场合多样化、测温对象多样化、检测设备数字化以及检测元件新型化的测温仪表是国内外测温仪表研究的重点。

根据上述要求，国内外温度仪表将向以下几方面发展:

l）继续生产应用广泛的传统温度检测元件，如:

热电偶、热敏电阻等。

2）加强新原理、新材料、新工艺的开发，如近来已开发的炭化硅薄膜热敏

电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。

3）向智能化、集成化方向发展，新产品不仅要具有检测功能，又要具有判

断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展。

1.3研究思路及主要内容

本文针对智能温度测量仪表的特点，研究和设计相应方案及实现方法，将传统的热电偶测温技术、神经网络技术与单片机技术结合起来。

该仪表采单片机芯片AT89C51作为微处理器，K型热电偶（镍铬一镍硅）作为温度传感器，通过热电偶测量温度模拟量，经信号调理电路滤除干扰之后，利用ADS7804模数转换芯片送入单片机;同时，利用数字温度传感器DS18BZO进行热电偶冷端温度的测量，以对热电偶进行冷端补偿，通过控制算法，实现准确测量并在LED显示模块显示温度。

本文完成的主要工作如下:

以单片机作为CPU芯片，设计了智能测温仪表的输入前向通道、输出显示通道以及外围电路。

为了准确的测量温度，滤除低频干扰，热电偶测温电路采用前置放大和二阶有源滤波实现信号的优化处理,并对其测温进行室温式温度补偿。

第2章系统总体设计

2.1典型测温系统

1.热电阻测温系统

热电阻测温系统是基于金属导体的电阻值随着温度的增加而增大这一特性来进行温度测量的。

热电阻大都由纯金属材料制作而成，目前应用最多的是铜和铂。

铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，适用于无腐蚀介质，超过150℃易被氧化。

实际应用中，铂电阻应用比较广泛;铂电阻精度高，适用于氧化性和中性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高则电阻变化率越小。

热电阻在温度变化的时候其自身电阻也随着发生变化，其感温元件是采用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测量介质中有温度存在时，所测得的温度是感温元件所在介层中的平均温度。

热电阻通常采用三线制接法。

采用三线制的目的是为了消除连接导线电阻所引起的测量误差。

其原因在于测量热电阻的电路一般是不平衡电桥，热电阻作为电桥上的一个桥臂电阻，其连接导线也是桥臂电阻的一部分，该部分电阻是未知的且随环境温度变化而变化，非常容易产生测量误差。

2．红外测温系统

红外测温系统是一种非接触式测温，红外测温系统由光电探测器、光学系统、信号放大器及信号处理等部分构成。

在实际使用中应考虑到目标与测温系统所在环境条件对测量性能指标的影响，比如温度、干扰和污染等因素所带来的测量误差。

这些因素需要通过一些算法进行修正。

但是由于测温系统测量环境的随机性，导致了红外测温系统应用时需要考虑环境对温度测量的影响，还有就是红外测温系统的经济性没有热电偶和热电阻好，因此实际工业生产中使用的不是很广泛。

3、热电偶测温系统

热电偶测温系统是常用的一种温度测量方法。

热电偶是通过测量热电动势来实现测温的，即热电偶测温是基于热电转化现象—热电现象。

热电偶测温具有以下几个优点：

l）测温准确度较高测温时，由于热电偶和被测对象之间能有良好的热接触，

因而能获得较高的测温准确度。

2）结构简单，便于维修原则上，只要将两种不同的导体或半导体的一端焊接在一起并对其他部分加以绝缘保护，便可组成一支完整的热电偶。

因而热电偶结构简单，装配及维修也比较方便，价格也比较便宜。

3）动态响应速度快，热电偶的测量端可以制成体积很小的接点，由于它的热容量小，所以动态响应速度很快。

例如，某些针状或薄膜的小惯性热电偶，其

时间常数可达毫秒，甚至微秒级。

4）测温范围较广随着热电偶材料的发展，热电偶的测温范围也日趋广阔。

目前，对于低至ZK（零下271℃）而高达2800℃甚至更高的温度测量，金属热电偶都可以胜任。

对于一般的工程测温，都能基本满足要求。

5）信号可远传，便于集中检测及自动控制热电偶所产生的热电势，可通过连接导线远距离输送到显示仪表，这样便于实行集中巡回检测和自动控制。

但是热电偶测温也有不足点，在高温环境和长期使用下，热电偶容易受到腐蚀，从而使得温度测量不准确。

另外参考端的温度恒定也是使用的一个限制条件，在使用时需要进行冷端温度补偿以减少测量误差。

2.2方案设计

通过上文分析可知，热电偶测温系统的优势较其他两种测温方法明显。

因此本论文选择采用热电偶测温作为设计方案。

由于K型热电偶的线性度好、测温范围宽、抗氧化能力较强、灵敏度高、热电势率比较高，在氧化和还原气氛中输出热电势都比较稳定。

因此在本系统中选择K型热电偶作为测温元件。

本论文选择AT89C51单片机作为控制器。

温度传感器选择K型热电偶。

选择数字温度传感器DS1SBZO进行冷端温度的测量以进行补偿。

热电偶输出信号是微弱的低频信号，因此需要进行放大和滤除高频信号的干扰，因此需要进行信号调理。

热电偶信号调理电路包括:

放大电路和滤波电路。

放大电路的放大器件选用放大器AD620;滤波部分采用有源低通滤波，有源器件选择高精度、低噪声、价格低廉的运算放大器OP07来实现对热电偶信号的滤波。

信号经过调理之后，需要将模拟信号转换为数字信号，在本系统中选择ADS7804作为A/D转换器。

ADS7804是美国BURR-BROWN公司推出的一种12位A/D转换器。

数据显示采用LED数码管模块，利用此模块，可显示实时温度值。

图2.1方案设计

2.3本章小结

本章论述了几种常用温度测量方法，井比较不同方法的优缺点，最终选择

采用K型热电偶作为测量元件。

根据热电偶测温的特点，提出了本文智能测温仪表的系统方案。

第3章仪表的硬件设计

本系统由K型热电偶、AT89s52单片机及其最小系统模块、信号调理电路、数字温度传感器DS18B20、A/D转换模块、键盘模块、LCD液晶显示、RS一232C串口通信等部分组成，可以实现对温度的实时测量和显示，具有结构简单、测量精度高等优点。

3.1K型热电偶

3.1.2K型热电偶特点

K型热电偶是目前使用量最大的一类热电偶，此种热电偶正极为质量分数为10%的镍铬合金（KP），负极为硅质量分数为3%的镍硅合金（KN）。

由于镍硅合金亲磁，所以可以用磁铁方便的判断出K型热电偶的负极。

K型热电偶的测温范围宽、线性度好、{热电势率比较高、灵敏度高、抗氧化能力较强，在氧化和还原气氛中输出热电势都比较稳定。

K型热电偶短期使用温度在1200℃附近，可以长期使用在1000℃以下。

但是需要注意长期高温环境使用的热电偶稳定性较差，往往因为被氧化而损坏或测量失真。

K型热电偶的负极受磁场影响明显，在使用时应尽量减少周围场对热电偶的干扰。

另外如果长期应用在带辐射环境中，此型热电偶的负极中的锰、铬等元素会发生蜕变，使其稳定性变差。

3.1.3冷端补偿

由上文可知，热电偶因温度变化产生的热电动势，是测量端的温度与参考端温度的函数差，而不是温度差的函数值。

如果保持参考端温度恒定，热电势就变成测量端温度的单值函数。

如果参考端的温度是变化的，引入的测量误差也是变量。

参考端的温度变化将影响温度测量的准确度。

但是在实际使用中，因热电偶长度的限制，参考端温度直接收到被测介质的影响，温度是变化的，无法进行参考端温度修正，所以需要将变化很大的参考端温度保持恒定。

分度表是在参考端（又称:

冷端）为O℃的条件下，热电偶所产生的热电势与测量端（又称:

热端）的环境温度的对应表。

通过查热电偶的分度表即可知回路所产生的电动势所对应的测量端温度值。

’.然而在实际应用中，冷端温度的变化，给测量带来误差。

为了减少测量误差，就要设法把冷端的温度调整到与。

℃相同的状态，这种调整叫做冷端补偿。

.实际工业生产和实验研究中，热电偶冷端补偿的方法有多种，每种补偿方法的特点各不相同，。

常用的方法有:

l）冰点式

常用的冰点瓶是在保温瓶中盛满冰水混合物，把细玻璃试管插入冰水混合物

中，在试管底部注入适量的油类或水银，{热电偶的参考端就插到试管底部。

这是精度最高的一种方法，可以使兀稳定地维持在0℃。

2）电子式

利用半导体制冷的原理，冷却密闭的水槽，从而将参考端稳定在0℃。

电子子式冰点装置优点是体积小、操作简单。

3）恒温槽式

利用温度调节器将参考端温度保持恒定。

采用温度调节器时，如果冷端温度不为0℃，则要利用其他温度计测出其温度并进行修正。

4）补偿式

当热电偶的两接点温度分别为t和t。

时，热电动势为:

（3-1）

如果在线路中串接一个电势为

则总的输入电势为:

（3-2）

这样就可以得到准确的测量结果。

其实质是一个可产生直流信号为风。

的毫伏发生器，也称冷端温度补偿器。

5）室温式

其显著特点是无参考端温度补偿装置，将输入端子作为参考端，通过其他温度计准确测量端子温度，然后加以修正，求得实际的热电势。

冷端测量温度计近年来一般采用集成温度传感器，测量误差不仅缩小，还可实现对热电偶补偿。

本文采用室温法，选择数字温度传感器DS18B20进行冷端温度的测量以进行补偿。

3.2信号调理电路

3.2.1放大电路

由于热电偶输出的信号非常小，输出信号为毫伏级微弱信号，0-10.356mv，A/D转换所需的电压范围为O-10V，需将其放大至少480倍，因此对放大器的要求非常高。

热电偶信号的放大单元由低温漂、低偏置电流、高共模抑制比、低噪的精密仪表放大器AD620为核心，加上激励电源电路、零位调整电阻、增益调整电阻、输出限幅保护电路等组成。

AD620是一种低功耗、高精度仪表放大器，它只需要一个外接电阻，即可设置各种增益（l-1000）。

其与分离元件组成的仪表放大器（三运放结构）相比较具有体积小、功耗低、精度高等优点，在精密数抓采集系统获得广泛应用。

Ao620引脚图如图3-1所示。

AD620是根据三运放改进的一种单片仪表放大器。

由于采用绝对值调整技术，所以只须用一只电阻即可精确地设置增益（当G=100时，增益精度达0.15%）。

一单片结构形式和激光晶片修整技术允许电路元件紧密匹配和统调，从而保证了该芯片具有良好的电气性能。

系统信号调理放大电路如图3-2所示：

图3.2放大电路

3.2.2滤波电路

滤波电路作为信号调理电路的第二级，作用主要是对放大之后的热电偶信号进行滤波。

热电偶信号变化非常缓慢，在本系统中采用二阶有源低通滤波来滤除信号中的无用信号。

OP07高精度运放具有极低的输入失调电压、极低的失调电压温漂、低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。

广泛应用于稳定积分、比较器、密绝对值电路、及微弱信号的精确放大等场合。

OP07高精度运放具有极低的输入失调电压、极低的失调电压温漂、低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。

广泛应用于稳定积分、比较器、密绝对值电路、及微弱信号的精确放大等场合。

为了很好地抑制工频干扰，本文选择的是巴特沃斯型的低通滤波器。

为了很好地抑制工频干扰，本文选择的是巴特沃斯型的低通滤波器所以本文将转折频率设得比较低（小于8HZ）。

适当地选择两个电阻和两个电容的参数，可以很好地达到抑制工频干扰的目的。

本系统实际滤波电路如图3-2所示

图3.3滤波电路

3.3A/D转换电路

系统将热电偶检测到模拟信号送入A/D转换器转换为数字量信号，再送入单片机中，单片机便可对这些数据进行处理。

转换精度是A/D转换模块的一个重要指标，对于测控系统，模