热电偶测温系统设计论文课程设计说明书学士学位论文.docx
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热电偶测温系统设计论文课程设计说明书学士学位论文
热电偶测温系统设计
摘要：
热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，在工业用温度传感器中占有及其重要的地位。
该测温系统由温度测量电路、运算放大电路、A/D转换电路及显示电路组成，以AT89C2051单片机为主控单元，由K型镍铬-镍硅热电偶测量热端温度T，测量范围在0—1200℃之间，由集成温度传感器AD590测量冷端温度T0，并对测温热电偶的热电势及AD590测得的补偿电势进行采样，送入A/D转换器转换成数字量，存放在单片机内存单元中，经程序解算后得到温度值，转换为BCD码，同时驱动四位数码管显示。
试验结果显示，该系统对温度测量具有较高的精度，实现了温度测量功能，其主要技术指标达到了系统设计要求。
关键词：
热电偶；温度；A/D；单片机
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
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目录
1.热电偶测温原理及系统框图1
1.1热电偶测温原理1
1.1.1热电偶工作原理1
1.1.2热电偶的基本定律2
1.2方案选择及系统框图3
2.热电偶测温系统硬件电路设计5
2.1温度测量及放大电路5
2.2冷端温度补偿电路8
2.3A/D转换电路9
2.4单片机控制的显示电路11
3.热电偶测量温度系统软件设计15
3.1软件总体流程设计15
3.2系统软件实现原理15
3.3系统程序构建15
4.体会和总结16
5.元器件清单18
参考文献18
附录19
1.热电偶测温原理及系统框图
1.1热电偶测温原理
1.1.1热电偶工作原理
热电偶的基本工作原理是热电动势效应。
1823年塞贝克发现，将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路（称为热电偶，见图1-1），若两接触点温度（T，T0）不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克效应，通常称为热电效应。
回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB（T，T0）表示。
两种不同的导体A和B称热电极，测量温度时，两个热电极的一个接点置于被测温度场（T）中，称该点为测量端，也叫工作端或热端；另一接点置于某一恒定温度（T0）的地方，称参考端或自由端、冷端。
T与T0的温差愈大，热电偶的热电势也愈大，因此，可以用热电势的大小衡量温度的大小。
图1-1热电效应
当热电偶两电极的材料不同，且A、B固定后，热电偶的热电势EAB（T，T0）便成为两端温度T和T0的函数，即：
EAB（T，T0）=E（T）—E（T0）（1-1）
也就是说，热电偶的热电势等于热端与冷端温度T和T0所引起的电势差。
当T0保持不变，即E（T0）为常数时，则热电势EAB（T，T0）便为热电偶热端温度T的函数
EAB（T，T0）=E（T）—C=Φ（T）（1-2）
由此可知，EAB（T，T0）与T有单值对应关系，这就是热电偶测温的基本公式。
1.1.2热电偶的基本定律
1.均质导体定律
两种均质金属组成的热电偶，其热电势的大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。
如果热电极材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加电势，造成无法估计的测量误差，因此，要求热电极材质均匀，克服因热电极各处温度不同而造成的附加误差，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。
2．中间导体定律
对于热电偶回路中热电势的大小，必须将其断开，接入仪表才能测出其热电势值。
所接入的仪表是另一种材质C所构成的导体，如图1-2所示。
闭合回路中出现了除A、B电极以外的第三种导体C之后，回路总的电动势会有什么变化呢？
根据热电偶中间导体定律可知，只要第三种导体C的两端温度相等且均质，就对热电势在EAB（T，T0）的大小毫无影响。
既然如此，把冷端焊点打开，接入仪表，并保持其两端温度都在冷端温度T0之下，就能测出总热电势。
回路中还可接入更多的导体材料，只要它们两端温度相等且材质均匀，便对热电势无影响。
图1-2中间导体定律
3.中间温度定律
热电偶在接点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn时的热电势和Tn、T0时相应热电势的代数和，即
EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）（1-3）
若T0=0，则有
EAB（T，0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0）（1-4）
4．标准（参考）电极定律
如果两种导体（A、B）分别与第三种导体C组合成热电偶的热电势已知，则由这两种导体（A、B）组成的热电偶的热电势也就已知，这就是标准电极定律或参考电极定律，即
EAB（T，T0）=EAC（T，T0）—EBC（T，T0）（1-5）
根据标准电极定律，可以方便地选取一种或几种热电极作为标准（参考）电极，确定各种材料的热电性质，从而大大简化热电偶的选配工作。
一般选取纯度高的铂丝作为标准电极，确定出其他各种电极对铂电极的热电特性，便可知这些电极相互组成热电偶的热电势的大小。
1.2方案选择及系统框图
方案一：
如图1-3所示，此方案由测温电路、电压放大电路、A/D转换电路及LCD显示电路组成。
利用电桥电路进行冷端补偿，使得整个热电偶测量回路的总输出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。
将初级处理好的信号送入运算放大器，通过LM324对输入信号进行模拟放大，再送入下一级电路，由ICL7107完成模数转换，并驱动LCD显示温度值。
图1-3方案一的系统框图
方案二：
如图1-4所示。
此方案采用AT89C2051单片机系统为核心开发热电偶测温系统。
图1-4方案二的系统框图
系统由四大部分组成：
（1）温度测量电路及放大电路；
（2）冷端温度补偿电路；（3）A/D转换电路；（4）AT89C2051驱动的LED显示电路。
对系统框图的说明如下：
热电偶选用的是K型热电偶（镍铬-镍硅热电偶），测温范围选用0—1200度，利用集成温度传感器AD590进行冷端补偿，放大电路选用自动调零放大电路，A/D转换器选用TLC0832，单片机选用AT89C2051，并扩4个74LS164，连接4个LED数码管。
集成温度传感器AD590测量冷端温度T0，其输出电流与绝对温度成正比（1μA/K）,它相当于一个温度系数为1μA/K的高阻恒流源。
将输出电流通过电阻及放大器转换成电压信号，送入A/D转换器转换为数字量，存放在内存单元中，完成了对补偿电势的采样。
由K型镍铬-镍硅热电偶测量热端温度T，经放大器放大，再由A/D转化器转换成数字信号，单片机将该信号与内存中的补偿电势相加，得到真实的热电势值，并编程实现计算温度值，转换为BCD码，利用单片机串口工作方式0（同步移位寄存器方式，多用于串并转换）外扩四个74LS164及LED数码管，显示被测温度。
方案一中利用三位半A/D转换器ICL7106完成模数转换，驱动LCD显示器，其显示位数和精度都受到限制，而方案二利用AT89C2051对A/D转换结果进行处理，不仅显示的位数和精度没有限制，而且用单片机控制可方便地通过键盘实现温度上下限报警等其它扩展功能，通过编程实现线性补偿，有利于后续电路系统的扩展和运用。
故本课程设计采用方案二。
2.热电偶测温系统硬件电路设计
2.1温度测量及放大电路
热电偶是工业上广泛使用的温度传感器，它最大的优势就在于温度测量范围极宽，理论上从-270℃的极低温度到2800℃的超高温度都可以测量，并且实际应用中在600℃-2000℃的温度范围内可以进行最精确的温度测量。
在化工、石油、电力、冶炼等行业的自动化控制系统中热电偶发挥着对温度的监控作用。
从理论上讲，任何两种不同导体（或半导体）都可以配制成热电偶，但为了保证工程技术中的可靠性，以及足够的测量精度，并不是所有材料都能组成热电偶，作为实用测温元件的热电偶，对其热电极材料的基本要求是：
（1）测温中产生的热电势要足够大，测温范围宽，线性好；
（2）在测温范围内，热电性质稳定，理化性能稳定，不易氧化或腐蚀；
（3）电阻温度系数小，电阻率小；
（4）材料复制性好，制造工艺简单，价格便宜。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为国内统一设计型热电偶。
型号如下：
（1）（S型热电偶）铂铑10-铂热电偶
（2）（B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶
（3）（E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶
（4）（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶
（5）（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶
（6）（J型热电偶）铁-铜镍热电偶
（7）（T型热电偶）铜-铜镍热电偶
本系统设计选用K型（镍铬-镍硅）热电偶，此热电偶是目前用量最大的廉价金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。
Ｋ型热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金。
可测量0～1300℃的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃。
其主要特点如下：
（1）K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。
广泛为用户所采用。
（2）K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。
当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。
为了实现温度的数字测量和显示，或组成温度的巡检系统，或向计算机过程控制系统提供温度信号，都要对热电偶的热电势进行数字化处理。
所以在采用热电偶的温度数字测量系统中，最基本的环节是热电偶和A/D转换器。
使用时必须注意：
（1）热电偶输出的热电势信号一般都很小（mV数量级），在进行A/D转换之前，必须经过高增益的直流放大。
（2）热电偶的热电特性，一般来讲都是非线性的。
欲使显示数和输出脉冲数与被测温度直接相对应，必须采用线性化措施进行非线性校正。
可采用硬件校正法或软件校正法。
在带有计算机或微处理器的测量系统中，非线性校正（和冷端补偿）工作，都直接由计算机完成，即所谓“软件校正法”。
所谓“硬件校正法”即采用的是非线性校正装置。
由此可见，放大电路的必要性，此系统中温度测量及放大电路如图2-1所示，电路中A1、A2、A3运放组成同相输入并串差动放大器（仪用放大器），放大倍数为
（2-1）
其中
，适当调整Rp2,可使放大倍数Au=100。
图2-1温度测量及放大电路
2.2冷端温度补偿电路
根据国际温标规定，热电偶的分度表是以To=0oC作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，自由端温度To往往不能维持在0oC，那么工作温度为T时在分度表中所对应的热电势EAB（T，0）与热电偶实际输出的电势值EAB（T，T0）之间的误差为EAB（T，0）-EAB（T，T0）=EAB（T0，0）。
由此可见，差值EAB（T0，0）是自由端温度To的函数，因此需要对热电偶自由端温度进行处理。
而且在工程测温中，冷端温度常随环境温度的变化而变化，将引入测量误差，故对冷端进行处理和补偿十分必要。
冷端温度补偿有多种方法，如0℃恒温法（冰点槽法）、冷端温度修正法及冷端温度自动补偿法、AD590冷端温度补偿法等，该系统设计利用集成温度传感器AD590作为冷端补偿元件。
如图2-2所示。
AD590的主要特点：
（1）线性电流输出：
1μA/K，正比于绝对温度；
（2）测量温度范围宽：
-55～+150℃；
（3）精度高：
激光校准精度到±5℃（AD590M）；
（4）线性好：
满量程范围±0.3℃（AD590M）；
（5）电压电源范围宽：
+4～+30V。
图中，AD590只需单电源工作，抗干扰能力强，要求的功率很低。
AD590输出电流与绝对温度成正比（1μA/K），它相当于一个温度系数为1μA/K的高阻恒流源。
因此在室温25℃时，其输出电流I=（273+25）=298μA,即输出电流为
（2-2）
又因为R9=10K,故
（2-3）
由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，将输出电压U2调整至2.73V。
放大器输出电压Uo为
（2-4）
如果现在为摄氏28℃，则输出电压为2.8V，输出电压（CH0）接A/D转换器的输入通道，那么A/D转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系，方便后续的计算与处理。
图2-2冷端补偿电路
2.3A/D转换电路
TLC0832是美国德州仪器公司生产的8位串行模数转换器，有两个可多路选择的输入通道，与单片机或控制器通过三线接口连线，性能比较高。
TLC0832芯片具有以下特点：
（1）8位分辨率；
（2）5V单电源供电，基准电压为5V；
（3）输入模拟信号电压范围为0~5V；
（4）输入和输出电平与TTL和COMS兼容；；
（5）可直接和微处理器接口或独立使用；
（6）在串行时钟为250KHz时，转换时间为32μs，总非调整误差为±1LSB，使用十分方便；
（7）有两个可多路选择的模拟输入通道。
TLC0832DIP封装的引脚分配图如下图2-3所示：
图2-3TLC0832DIP封装的引脚分配图
各引脚说明如下：
为片选端，低电平有效；CH0，CH1为模拟信号输入端；DI为多路器地址选择输入端；DO为模数转换结果串行输出端；CLK为串行时钟输入端；GND为电源地；VCC/REF为正电源端和基准电压输入端。
当
为低电平时，启动A/D转换，在整个转换过程中
必须始终为低电平，连续输入10个脉冲完成一次转换，数据从第2个时钟开始输出。
转换结束后应将
置为高电平，当
重新拉低时将开始新的一次转换。
TLC0832通过串行接口与CPU相连来传送控制命令，可用软件对通道和输入端进行选择和配置。
转换开始后，器件从CPU接收时钟，在一个时钟的时间间隔前导下，以保证输入多路器稳定。
在转换过程中，转换的数据同时从DO端输出，并以最高位（MSB）开头。
在经过8个时钟后，转换完成，当
变高时，内部所有寄存器清零，此时，输出电路变为高阻态。
DI和DO端可以连在一起，通过一根线连到处理器的一个双向I/O口进行控制。
TLC0832的地址是通过DI端移入来选择模拟输入通道，同时也决定输入是单端还是差分输入。
在本设计中，TLC0832的连接电路如图2-4所示，P1.4连接
端，由P1.6提供串行时钟，DO和DI由P1.7控制，CH0为与AD590测得的温度成比例的电压信号，CH1为与热电偶测得的电势成比例的电压信号。
图2-4TLC0832部分电路
2.4单片机控制的显示电路
AT89C2051是ATMEL公司生产的带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的8位单片机,它具有如下主要特性：
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容；
（2）2K字节可重编程闪速存储器
（3）耐久性：
1000写／擦除周期；2.7V～6V的工作电压范围
（4）全静态操作：
0Hz～24MHz；两级加密程序存储器
（5）128×8位内部RAM；15根可编程I/O引线
（6）两个16位定时器/计数器；六个中断源
（7）可编程串行UART通道；可直接驱动LED的输出端口
（8）内置一个模拟比较器；低功耗空闲和掉电方式。
AT89C2051的引脚图如图2-5所示
图2-5AT89C2051的引脚图
AT89C2051芯片的20个引脚功能说明如下:
Vcc为电源电压；GND为电源地；XTAL1和XTAL2为晶振接入脚；RST为复位输入脚，当振荡器正在工作时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位；P1口是8位双向I/O口。
口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。
P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它
作为一通用I/O引脚而不可访问。
P3口还可以用于第二功能，此时P3.0作为RXD（串行口输入端），P3.1作为TXD（串行口输出端）。
单片机的连接如图2-6所示，采用上电和手动复位，晶振为12MHZ。
控制A/D转换器的方式如上所述，通过串口P3.0（RXD）、P3.1（TXD）控制数据的发送，进而显示温度。
图2-6AT89C2051的连接图
单片机AT89C2051控制的显示电路如图2-7所示。
图中，单片机工作于串口方式0（也称同步移位寄存器方式），此时同步脉冲从TXD引脚上输出，数据从RXD引脚发送，外扩个4个74LS164，连接4个数码管，通过串口可以将串行数据转换为并行，驱动数码管显示。
图2-7 单片机控制的显示电路
3.热电偶测量温度系统软件设计
3.1软件总体流程设计
软件设计采用单片机的C语言或汇编语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改。
3.2系统软件实现原理
按照本系统的测温需要，需要得到热电偶测得的热电势和AD590测得的冷端温度进行计算以得到热电偶热端温度。
AD590测得的冷端温度转换为与温度成正比的电压信号，并进行A/D转换，得到的数字信号，送入单片机，由单片机计算其温度，并查K型热电偶的分度表，得到冷端温度对应的热电势（EAB（T0，0））,即补偿电势，存入内存中。
热电偶测得的热电势通过放大电路进行放大，进入A/D转换器变为数字信号，采样结果通过P1.7引脚送入单片机内部，由单片机计算出原始的热电势（EAB（T，T0）），并与内存中的补偿电势相加，即得到真实的热电势值（EAB（T，0）），查K型热电偶的分度表，得到被测温度值，转换为BCD码，并通过串口将数据发送出去，驱动数码管显示正确温度值。
3.3系统程序构建
热电偶测温系统软件部分采用模块化设计思想，将系统分为主程序、初始化处理模块、A/D转换模块、温度处理模块、显示模块，其软件系统的主程序实现流程如图3-1所示。
图3-1主程序流程图
4.体会和总结
历时一周的课程设计结束了，虽然只是短暂的一周，但在这期间，却让我学到了很多课本之外的东西，感觉受益匪浅！
最初看到设计热电偶测温时，感觉比较简单，整个设计的框架还是有的，但仔细一研究才发现，并不简单，具体到每个模块选用哪种电路、元器件的选择、参数的确定、电流和电压的匹配、理论与实际电路的差别是比较难的！
经过一个星期的学习，我大体上明白了利用传感器设计电路的思路和方法，以及从构思到分析再到设计完成是多么的不易。
在这期间我明白了自己学习的不足，需要更好的掌握传感器、单片机和数模电的元器件原理及性能参数，应提高自己查阅资料以及使用AltiumDesigner的能力。
通过这次设计也使我得到了极大的锻炼，例如AltiumDesigner中很多不容易找到的元件都是我自己亲手画出，使我在各方面都有了一定层次的提高。
通过这次课程的合计，我还意识到了学习本专业课程的重要性，为以后的学习起了很好的引导和督促作用。
学会了怎样按照步骤完成老师布置任务，学会了分析问题和解决问题的能力；如何把理论知识运用到实际中去；提高了独立思考问题，和同学们讨论解决问题的能力。
这次课程设计经过了多次修改、补充，才最终完成。
更让我坚定了认真学习理论知识，并运用到实际中的决心。
该热电偶测量温度系统，其主要技术指标达到了系统设计要求，但是还存在很多不完善的地方，仍有许多方面有待进一步深入研究:
（1）在工业测量中，被测对象常存在电场、磁场、噪声等恶劣环境中，这样采样值可能偏离真实值。
该设计没有对采样结果进行滤波处理。
（2）热电偶的热电特性，一般来讲都是非线性的。
该设计没有进行非线性校正。
可由单片机编程实现。
（3）温度测量系统还可以对温度进行控制，可同时实现温度上下限的功能，该温度测量系统没有这种功能。
（4）本文在系统的精度方面研究非常局限，并没有做到非常精确，这就要求以后在这方面还有更近一步研究。
5.元器件清单
序号
器件名称
数量
1
K型镍铬-镍硅热电偶
1个
2
集成温度传感器AD590
1个
3
单片机AT89C2051
1片
4
运算放大器LM339
4片
5
同步移位寄存器74LS164
4片
6
排阻
4片
7
数码管BS201
4个
8
稳压二极管（+6V）
1个
9
A/D转换器TLC0832
1片
10
晶体振荡器（12MHZ）
1个
11
按键
1个
12
电解电容
2个
13
电容
3个
14
滑动变阻器
3个
15
电阻
16个
参考文献
【1】何道清，传感器与传感器技术，科学出版社，2008.3
【2】康华光，电子技术基础（模拟部分），高教出版社，2003
【3】李建忠，单片机原理及应用，西安电子科技大学出版社，2007.11
【4】何希才，传感器及其应用实例，机械工业出版社，2003.8
附录
热电偶测温系统总电路图
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。
尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写
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