基于单片机的热电偶变送器的设计.docx

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基于单片机的热电偶变送器的设计

本科毕业设计说明书

基于单片机的热电偶变送器的设计

THERMOCOUPLETRANSMITTERDESIGNBASEDONMCU

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2013年6月5日

基于单片机的热电偶变送器的设计

摘要

温度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。

本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、信号处理电路、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中断等模块，测温程序适用于AT89S51单片机。

分析了S-型热电偶的基本原理，设计了S-型热电偶的测温电路，采用数字温度传感器AD590解决了S型热电偶的冷端补偿问题。

在智能仪表的设计中,由于采用了单片机技术,使得硬件电路大大简化,而其软件的强大功能又使仪表的性能得到了明显提高,功能的扩展也变得十分方便。

关键词：

AT89S51单片机，温度传感器，热电偶

THERMOCOUPLETRANSMITTERDESIGNBASEDONMCU

ABSTRACT

Temperaturemeasurementisanimportantpartofmoderntestingtechnology,playsakeyroleinensuringproductquality,energyconservationandproductionsafety.

Thepaperconsistsofhardwaredesign,thesoftwaredesignofintelligenttemperaturemeasuringinstrumentiscomposedoftwoparts.Inthisthesis,wedesigntheintelligenttemperaturemeasuringinstrumenthardware.Thehardwarecircuitofintelligentinstrumentiscomposedoffivemainparts:

microcontroller,A/Dconversion,signalprocessingcircuit,displaycircuitandthekeyboardinput.Introducedthecomponentsofthemainchip,andthedesignofitsinterfacecircuit.Mainlyincludessystemmainprogramofthesoftwaredesign,thedesignofkeyboardanddisplaysubroutineandinterruptmodule,temperaturemeasurementprogramforAT89S51microcontroller.AnalysisofthebasicknowledgeoftheS-typethermocouplethermocoupletypeS-,circuitdesign,theuseofdigitaltemperaturesensorAD590tosolvetheproblemofStypethermocouplecoldendcompensation.

Inthedesignofintelligentinstrument,becauseoftheuseofsingle-chiptechnology,whichgreatlysimplifythehardwarecircuit,andthepowerfulfunctionofthesoftwareistheinstrumentperformanceisimproved,theexpansionofthefunctionalsoisveryconvenient.

KEYWORDS:

AT89S51microcontroller,temperaturesensor,thermocouple

1绪论

1.1引言

温度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。

因此,能够确保快速、准确地测量温度的技术及其装置普遍受到各国的重视。

近年来,利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度检测技术的一种发展趋势。

本文介绍的智能温度检测系统,以智能化数字式温度传感器与微处理器有机结合,构成了一种新型智能化温度检测系统。

该系统具有性能可靠、测温准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具线路简捷、使用灵活、抗干扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到广泛应用。

1.2国内外的研究现状和发展趋势

1.2.1国内外的研究现状

热电偶传感器具有结构简单、测量准确度较高、裸丝热容量小、材料的互换性好等优点。

热电偶的起源可以追溯到19世纪初期，焊接技术的不断发展，可以将两种不同的金属焊接起来，为热电偶元件的出现提供了工艺上的可能。

1821年，德国物理学家塞贝克在实验室研究电流与热的关系时，发现了热电效应，即塞贝克效应。

在此之后，根据塞贝克效应，人们制成热电偶，并将其广泛应用于工业生产中对温度的测量。

近二百年来，热电偶传感器大致经历了分立式温度传感器、模拟集成温度传感器和智能温度传感器[3]三个发展阶段。

传统的热电偶温度传感器即属于分立式温度传感器，此类传感器通常要配温度变送器，以获得标准的模拟量输出信号。

使用时需配上二次仪表，以便完成温度测量及控制功能。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将热电偶传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC，它属于最简单的一种集成温度传感器。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗，适合远距离测控，不需要进行非线性校准。

外围电路简单，模拟集成温度传感器在国内外工业现场的应用目前极为普遍。

智能温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。

智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶，它也是集成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。

德国西门子公司于2000年推出ET-200系列产品，其中很重要的一个模块就是专门用于热电偶测温的。

可以任意使用模拟量、数字量输入或输出通道，具有128字节的地址输入和输出，传输速率可高达12Mbit/s，最多可接入64支热电偶。

和以往的热电偶传感器相比，它摆脱了传统的一对一的测温方式，采用了现场总线的设计方式，大大提高了使用性能。

2009年7月，美国国家仪器有限公司新近推出的NI9213高通道热电偶输入模块，可以从多达16个热电偶传感器中采集数据，并且每个通道的采样率达到75HZ。

如果将多个NI9213模块装入同一个机箱，可实现在一个数据采集平台中对128个热电偶的测量。

与其它测量器件相比具有占用空间少，提供通道多等优点。

1.2.2发展趋势

随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，因而对温度检测技术的要求也愈来愈高，一般可以归纳以下几方面。

（1）扩展检测范围。

现在工业上通用的温度检测范围为-200^3000℃，而今后要求能测量超高温与超低温。

尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如1OK以下的温度检测是当前重点研究课题。

（2）扩大测温对象。

温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。

应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。

（3）发展新型产品。

利用老的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足于用户需要。

同时利用新的检测技术制造出新的产品。

（4）适应特殊环境的测温。

在许多场合中的温度检测器有特殊要求，例如防爆、防硫、耐磨等性能要求;又如移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温、火焰温度检测等。

（5）显示数字化。

温度仪表向数字化方向发展。

其最大优点是直观、无度数误差、分辨率高、测量误差小，因而有广阔的销售市场。

（6）标定自动化。

应用计算机技术，快速、准确、自动地标定温度检测器。

根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展。

（1）继续生产量大面广的传统温度检测元件，如:

热电偶、热电阻、热敏电阻等。

（2）加强新原理、新材料、新工艺的开发。

如近来己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、适用化方向发展。

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本课题研究的主要内容

本文介绍了温度检测系统的设计。

本文采用单片机来实现对温度的处理。

它的主要组成部分有：

AT89S51单片机、温度传感器、键盘与显示电路、温度报警电路。

它可以实时的显示和设定温度报警值，实现对温度的自动检测。

研究分析热电偶的测温原理，确定单片机的硬件设计，制定温度测量设计方案，确定硬件并写出程序。

硬件部分包括温度传感器、单片机接口及其应用软件。

预期的效果及指标:

1、测量并显示温度，且对所测温度进行监控，即当温度高于设定温度时，报警。

2、解决热电偶测量过程中冷端电势不为零的问题。

2系统总体设计

2.1总体工作原理

该系统的总体设计思路如下：

热电偶把所测得的温度经过A/D转换后发送到AT89S51单片机上，经过51单片机处理查表，得到E（T,

），然后温度传感器将所测得的冷端温度发送到单片机上处理后，得到E（

，0）,接着进入单片机处理得到两者之和再查表得到E（T,0）。

本系统显示器为点阵字符LCD，1602液晶模块。

本系统除了显示温度以外还可以设置一个温度值，对所测温度进行监控，当温度高于设定温度时，开始报警。

2.2总体结构框图

本设计系统包括温度传感器，信号放大电路，A/D转换模块，数据处理与控制模块，温度显示五个部分。

图2-1总体设计框图

信号输入部分包括热电偶和AD590及其各自的隔离放大电路。

图2-2信号输入部分总体设计

3系统硬件设计

3.1温度传感器

3.1.1热电偶

铂铑10-铂热电偶（S型热电偶）为贵金属热电偶。

该热电偶长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃，性能稳定，可测量的温度范围宽，耐用且使用寿命长等多个优点。

它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。

3.1.2集成温度传感器

集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种，其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。

电压型集成温度传感器一般是三线制，其温度系数约为10mV/℃，电流型集成温度传感器一般为两线制，其温度系数越为0.001mV/K，常用的有LM134/234、TMP17、AK590、AD592等，电流型传感器信号适合于远距离传输而无衰变。

本次设计用到电流型两线制集成温度传感器AD590（0℃时为0.2732mA）。

AD590属于电流型集成温度传感器，电流型集成温度传感器是一个输出电流与温度成比例的电流源，由于电流很容易变成电压，因此这种传感器应用十分方便。

要指出的是，AD590集成温度传感器的输出电流是整个电路的电源电流，而这个电流与施加在这个在这个电路上的电源电压几乎无关。

基本使用方法如下：

图3-1集成温度传感器AD590

AD590的输出电流值说明如下：

其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。

它的主要特性如下：

a、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

Ir/T=1mA/K

式中：

Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。

b、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

c、AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V~6V范围变化，电流

变化1mA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流和电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集化，并把它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。

它除了与半导体热敏电阻一样有体积小反应快的优点外，还具有线形好、性能高、价格低、抗干扰能力强等特点，虽然由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，只能用来测150℃以下的温度，但在许多领域得到了广泛应用

3.2缓冲和隔离放大器

本设计中在AD590测得温度后，经过一个光耦隔离器和比例放大器。

如图3-2和3-3所示：

图3-2光耦隔离器

图3-3比例放大器

此外，S型热电偶经过HCPL-7840芯片进行信号的隔离和放大。

图3-4是它的原理框图。

图3-4HCPL-7840

A7840（HCPL-7840）的工作参数：

输入侧、输出侧的供电典型值为5V，输入电阻480kΩ，最大输入电压320mV；差分信号输出方式。

内部输入电路有放大作用，且为高阻抗输入，能不失真传输mV级交、直流信号，输出信号作为后级运算放大器差分输入信号。

具有1000倍左右的电压放大倍数。

典型应用，常与后级运算放大器配合，对微弱（交、直）电压信号进行放大和处理。

2、3脚为信号输入脚，1、4脚为输入侧供电端；6、7脚为差分信号输出脚，8、5脚为输出侧供电端。

在线检测方法：

可将内部电路看作是一只“整体的运算放大器”，2、3脚为同相、反相输入端，7、6脚为信号输出端。

当短接2、3脚（使输入信号为零）时，6、7脚之间输出电压也为零。

当2、3脚有mV级电压输入时，6、7脚之间有“放大了的”比例电压输出。

3.3AT89S51单片机

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4kBytes ISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

3.3.1主要性能特点

1、4kBytesFlash片内程序存储器；

2、128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；

3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；

4、2个中断优先级、2层中断嵌套中断；

5、6个中断源；

6、2个16位可编程定时器/计数器；

7、2个全双工串行通信口；

8、看门狗（WDT）电路；

9、片内振荡器和时钟电路；

10、与MCS-51兼容；

11、全静态工作：

0Hz-33MHz；

12、三级程序存储器保密锁定；

13、可编程串行通道；

14、低功耗的闲置和掉电模式。

3.3.2管脚说明

VCC：

电源电压输入端。

GND：

电源地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

图3-5  PDIP封装的AT89S51管脚图

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（T0定时器的外部计数输入）

P3.5T1（T1定时器的外部计数输入）

P3.6/WR（外部数据存储器的写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器的读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。

读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。

只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。

89S51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。

除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。

RST：

复位输入端，高电平有效。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

地址锁存允许/编程脉冲信号端。

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号，低电平有效。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

外部程序存储器访问允许。

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。

XTAL2：

片内振荡器反相放大器的输出端。

51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。

电路中的微调电容通常选择为30pF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。

晶体的振荡频率为12MHz。

3.3.3单片机复位电路

为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。

一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。

由于单片电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，单片机电路开始正常工作。

目前为止，单片机复位电路主要有三种类型：

（1）微分型复位电路；

（2）积分型复位电路；（3）看门狗型复位电路。

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

AT89S51单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

单片机系统的复位方式有：

手动按钮复位和上电复位，还需要看门狗型复位电路。

1、手动按钮复位

手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。

一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。

手动按钮复位的电路如所示。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。

2、上电复位

AT89S51的上电复位电路如图3-6所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。

对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1uF。

上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。

为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。

上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。

当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。

另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。

如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置

开始执行程序。

图3-6复位电路

3、看门狗型复位电路.

看门狗型复位电路主要利用CPU正常工作时,定时复位计数器,使得计数器的值不超过某一值;当CPU不能正常工作时,由于计数器不能被复位,因此其计数会超过某一值,从而产生复位脉冲,使得CPU恢复正常工作状态.此复位电路的可靠性主要取决于软件设计,即将定时向复位电路发出脉冲的程序放在何处.一般设计,将此段程序放在定时器中断服务子程序中.然而,有时这种设计仍然会引起程序走飞或工作不正常.原因主要是:

当程序"走飞"发生时定时器初始化以及开中断之后的话,这种"走飞"情况就有可能不能由Watchdog复位电路校正回来.因为定时器中断一真在产生,即使程序不正常,Watchdog也能被正常复位.为此提出定时器加预设的设计方法.即在初始化时压入堆栈一个地址,在此地址内执行的是一条关中断和一条死循环语句.在所有不被程序代码占用的地址尽可能地用子程序返回指令RET代替.这样,当程序走飞后,其进入陷阱的可能性将大大增加.而一旦进入