热电偶测温仪表的设计大学论文.docx
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热电偶测温仪表的设计大学论文
毕业设计（论文）
题目
热电偶测温仪表的设计
系（院）
自动化系
专业
电气工程与自动化
班级
2006级2班
学生姓名
刘中良
学号
2006090224
指导教师
贾荣丛
职称
助教
二〇一〇年六月二十日
独创声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一〇年月日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一〇年月日
热电偶测温仪表的设计
摘要
热电偶是实验室最常用的温度检测元件之一，为接触式测温。
其优点是测量精度高，因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响；测量范围广，常用的热电偶从-50~+1600℃均可测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬）,最高可达+2800℃（如钨-铼）；构造简单，使用方便，热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
本设计是基于热电偶的温度测试仪设计，该仪器是以AT89C51单片机为核心，由AD590集成温度传感器测量冷端温度
，由热电偶测量热端温度T，该热电偶采用K型热电偶。
它们经过I/V转换和线性放大，分时进行A/D转换，转换后的数字信号送入ATC89C51单片机，经单片机运算处理后，转换成ROM地址，再通过二次查表法计算出实际温度值，此值送4位共阴极LED数码管显示。
关键词：
热电偶；二次查表；冷端温度补偿；89C51单片机；AD590
DesignofThermocoupleTemperatureTestingInstrument
Abstract
Thermocouplesarethemostcommonlyusedlaboratorytestingcomponentofthetemperature,thecontacttemperaturemeasurement.Theadvantageishighaccuracy,becausethethermocoupletouchdirectlywiththemeasuredobject,notthemiddleofmediators;measuringawiderangeofcommonthermocouplefrom-50~+1600℃bothsidescontinuedmeasurement,somespecialthermocouplecanbemeasuredtoaminimum-269℃（suchasGoldandIronNi-Cr）,upto+2800℃（suchastungsten-rhenium）;structureissimple,easytouse,thermocouplesareusuallytwodifferentwiresbythecomposition,andfromthebeginningofthesizeandlimitedprotectionoutsidethecasing,makingitconvenient.
Thermocouple-basedtemperaturetestinginstrument,theinstrumentisbasedonATC89C51microcontrollerasthecore,fromAD590integratedtemperaturesensormeasuresthecoldjunctiontemperature
measuredbythermocouplehot-sidetemperatureTheyarethroughtheI/VconversionandlinearamplificationtimeforA/DconversiontheconverteddigitalsignalintotheATC89C51microcontroller,microcontrolleroperationafterprocessingintoEPROMaddress,andthenthroughthesecondlook-uptablemethodtocalculatetheactualtemperaturevalue.thisvalueissenttofourcommoncathodeLEDdigitaltubedisplay.
Keywords：
thermocouple；twicetable-findingmethod;coldjunctiontemperaturesompensation;89C51microcontroller;AD590
引言
温度是度量物体冷、热程度的物理量，在生产和科学中占有极其重要的地位，是国际单位制（SI）中7个基本物理量之一。
从能量角度来看，温度是描述系统不同自由度间能量发布状态的物理量；从微观上看，温度标志着系统内部分子无规则运动的剧烈程度，温度高的物体，分子平均动能大，温度低的物体，分子平均动能小；从热平衡观点来看，温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。
而用来度量物体温度数值的标尺叫温标，它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。
目前用的较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。
温度测量方式有接触式和非接触式两大类。
接触式测温法是将传感器置于与物体相同的热平衡状态中，使传感器与物体保持同一温度的测温方法。
例如利用介质受热膨胀的原理制造的水银温度计，压力式温度计和双金属温度计等，利用物体电气参数随温度变化的特性来检测温度，如热电阻、热敏电阻、热电偶等。
非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测物体的表面介质接触，实现这种测温方法可利用物体的表面热辐射强度与温度的关系来检测温度。
有全接触式测温仪表比较简单、可靠测量精度较高，但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。
辐射法、部分辐射法、单一波长辐射功率的亮度法及比较两个波长辐射功率的比色法等。
非接触式仪表测温的范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场,反映速度快，但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响，其测量误差较大。
[3]
热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广泛的传感器，在工业用温度传感器占有极其重要的地位。
本文介绍一种基于热电偶的温度测试系统，本设计以AT89C51单片机为核心，由AD590集成温度传感器测量冷端温度
，由热电偶测量热端温度T，该热电偶采用K型热电偶。
它们经过I/V转换和线性放大，分时进行A/D转换，转换后的数字信号送入ATC89C51单片机，经单片机运算处理后，转换成ROM
地址，再通过二次查表法计算出实际温度值，此值送4位共阴极LED数码管显示。
第一章热电偶测温技术
1.1热电偶测温基本原理
热电偶是利用物理学中的塞贝克效应制成的温敏传感器。
将两种不同材料（但符合一定要求）的导体或半导体A和B的任意一端焊接在一起就构成了热电偶。
组成热电偶的导体或半导体称为热电极，被焊接的一端插入测温场所,称为工作端，另一端称冷端。
当两端温度不同时就会有热电势产生，它是测量温度的感温元件，将温度信号转换为电信号再由仪表显示出来。
热电偶的测温原理就是利用了热电效应。
任意两种材质不同的金属导体或半导体A和B首尾连接成闭合回路,只要两接点T1和T2的温度不同，就会产生热电势，形成热电流，这就是热电效应。
原理图如图1.1所示。
图1.1热电偶测温原理图
热电势的大小与材质有关,与热电偶两端的温差有关。
对应一定材质，其两端的温度与热电势间有固定的函数关系，利用这个关系就可以测出温度值来。
热电偶的热电势随温度的升高而增大，其热电势的大小与热电偶的材料和热电偶两端的温度值有关，而与热电极的长度、直径无关。
[7]
在大量的热工仪器中，热电偶作为温度传感器，得到了广泛使用。
它是利用热电效应来进行工作的，其热电势率一般为几十到几微伏每摄氏度。
它直接和被测对象接触，不受中间介质的影响，因而测量精度高，并且可以在-200~+1600℃范围内进行连续测量，甚至有些特殊热电偶，如钨一铼，可测量高达+2800℃的高温，且构造简单，使用方便。
基于如上优点，热电偶在温度测量领域得到了广泛的应用。
1.2二次查表和冷端温度补偿
在实际测温中，冷端所对应的热电势要随冷端温度（环境温度）的变化而变化。
要保证冷端温度恒定是十分困难的，在一定程度上测量精度取决于冷端温度的影响。
另外，测量温度与热电势成非线性关系，因此，为了提高整个仪表的测量精度还必须采取冷端温度补偿和非线性校正措施。
由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。
必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。
因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度
≠0℃时对测温的影响。
在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
目前常用的冷端温度补偿方法有以下几种：
（1）计算法
在已知冷端温度
时，按公式：
对测得的热电势
与查表得出的
进行相加计算得到
，再反查分度表得到被测温度t。
该方法的不足是当工业现场冷端温度在变化时，要随时进行冷端温度的测量与计算等操作，在智能型或数字测温仪表中，必须增加无冷端效应的测温元件及A/D转换通道对
进行测量和预处理，这必将造成设备硬件投资增大测量速度和效率下降。
（2）冰点法
将热电偶的冷端放置于装有冰水混合物的保温瓶中，这样强制性的将
置于0℃测得热电偶两端电势反查表即得被测温度t，此方法通常只适用于实验室，不便于工业现场环境下使用。
（3）冷端补偿器法
在热电偶的冷端串入一个由铜电阻、锰铜电阻组成的不平衡电桥，当冷端温度为
变化时，不平衡电桥的输出也产生相应的变化，补偿温度
对热电偶回路电势的影响，这种方法是工业现场常用的冷端补偿方法，其优点是使用方便、测量效率高、硬件投资较小，其缺点是不平衡电桥输出是线性的，热电偶冷端温度的影响是非线性的，大多数情况下是欠补偿或是过补偿，无法实现完全补偿，另外对不同型号的热电偶要因而只能对一点或几点进行补偿配不同型号的冷端补偿器，存在着型号匹配问题[10]。
本设计使用AD590温度传感器测量冷端结点温度，对其提供0—12V电压，连接成温度补偿电路。
具体电路将在第二章中讲到。
第二章热电偶测温仪表的硬件设计
该测温仪表是以AT89C51单片机为核心，由AD590集成温度传感器测量冷端温度
，由热电偶测量热端温度T，该热电偶采用K型热电偶。
它们经过I/V转换和线性放大，分时进行A/D转换，转换后的数字信号送入ATC89C51单片机，经单片机运算处理后，转换成ROM地址，再通过二次查表法计算出实际温度值，此值送4位共阴极LED数码管显示。
在运算处理上，除了需要对采集到的信号进行A/D转换外，还需要在AT89C51单片机里对信号进行线性化标度变换，这一过程通过软件实现。
2.1AT89C51单片机简介
AT89C51单片机DIP封装及引脚图如图2.1所示。
图2.1AT89C51单片机DIP封装及管脚
其主要性能指标和特点:
（1）与MCS-51兼容，
（2）全静态工作：
0HZ-24HZ，（3）三级程序存储器锁定，（4）128*8位内部RAM，（5）32位可编程I/O线，（6）两个16位定时器/计数器，（7）5个中断源，（8）可编程串行通道，（9）低功耗的闲置和掉电模式。
管脚说明如表2.1所示[9]。
表2.1管脚描述
名称
管脚
类型
功能
Vss
20
I
地
Vcc
40
I
电源：
提供掉电空闲正常工作电压
P0.0-P0.7
32-39
I/O
P0口：
P0口是开漏双向口，可以写为1使其状态为悬浮用作输入高电平。
P0口也可以在访问外部程序存储器时作为地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1.
P1.0-P1.7
1-8
I/O
P1口：
P1口是内部上拉的双向I/O，口，向P1口写入1时，P1口被内部上拉为高电平可用作输入口。
当作为输入脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。
P1口第二功能：
T2（P1.0）：
定时/计数器2的外部计数/时钟输出
T2EX（P1.1）:
定时/计数器2重装载/方向控制
P2.0-P2.7
21-28
I/O
P2口：
P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时，P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。
当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流（见DC电气特性）。
在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址（MOVX@DPTR），此时通过内部强上拉传送1。
当使用8位寻址方式（MOV@Ri）访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。
续表2.1
名称
管脚
类型
功能
P3.0-P3.7
10-17
I/O
P3口：
P3口是带内部上拉的双向I/O口，向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。
当作为输入脚时，被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流（见DC电气特性）。
P3口还具有以下特殊功能：
RxD（p3.0）：
串行输入口
TxD（P3.1）：
串行输出口
INT0（P3.2）：
外部中断0
INT1（P3.3）：
外部中断
T0（P3.4）：
定时器0外部输入
T1（P3.5）：
定时器1外部输入
WR（P3.6）：
外部数据存储器写信号
RD（P3.7）：
外部数据存储器读信号
RST
9
I
复位：
当晶振在运行中，只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。
PSEN
29
O
程序存储使能：
当执行外部程序存储器代码时，PSEN每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器时PSEN无效，访问内部程序存储器时PSEN无效。
XTAL1
19
I
晶体1：
反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。
续表2.1
名称
管脚
类型
功能
XTAL2
18
O
晶体2：
反相振荡放大器输出。
EA/Vpp
31
I
外部寻址使能/编程电压：
在访问整个外部程序存储器时，EA必须外部置低。
如果EA为高时，将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址。
该引脚在对FLASH编程时接5V/12V编程电压（Vpp）。
如果保密位1已编程，EA在复位时由内部锁存。
ALE
30
O
地址锁存使能：
在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率。
并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略。
ALE可以通过置位SFR的auxlilary.0禁止，置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。
2.2硬件结构特点
指标及特点：
该热电偶采用S型铂铑—铂热电偶。
测温仪的测量范围在800—1600℃之间。
使用＋12V和＋5V电源。
采用4位共阴极LED显示。
核心部分：
CPU采用内带4K电擦写EP2ROM的89C51单片机，它是一种低功耗、高性能的8位CMOS微处理芯片，是目前单片机中性能价格比较优良的控制芯片，而且与使用最广泛的51系列完全兼容，工作范围宽，具有加密功能[6]。
振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
硬件连接电路如图2.2所示。
图2.2微机化仪表框图
数码显示电路：
在显示电路中采用4位共阴极LED静态显示，LED驱动器为74LS164。
静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。
缺点是使用元件多，线路比较复杂。
共阴极LED数码管显示如图2.3和图2.4。
X脚是共阴极，当在它的a、b、c、d、e、f、g、DP加上正向电压时，各段发光二极管就点亮[1]。
图2.3共阴极显示原理图图2.4管脚分布
抗干扰电路：
应用MAX705搭构该测温仪表的看门狗电路。
看门狗电路实际是一个可重触发单稳态电路，当程序正常运行时，每隔一段时间将单稳电路触发一次，使其经常处于非稳定状态。
当由于外界干扰或其它不正常状态使用程序进入死循环或飞逸时，则监控程序不再触发单稳，单稳“翻转”，于是产生一个正脉冲加到复位端使系统复位。
起到了断电保护和提高了仪表的抗干扰能力。
硬件看门狗电路：
硬件看门狗是指集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路，它实际上是一个特殊的定时器，当定时时间到，发出溢出脉冲。
从实现角度上看，该方式是一种软件与片外专用电路相结合的技术，硬件电路连接好以后，在程序中适当地插入一些看门狗复位的指令，保证程序正常运行时看门狗不溢出；而当程序运行异常时，看门狗超时发出溢出脉冲，通过单片机的RESET引脚使单片机复位。
为增加系统可靠性，本设计中使用了可编程看门狗监控E-2PROM芯片X25045。
X25045是美国Xicor公司推出的带EPROM的μP控制电路X25043/X25045系列芯片。
X25045引脚图如图2.5。
管脚的说明：
SO——串行输出SI——串行输入SCK——串行时钟输入
VSS——地VCC——电源电压RESET——复位输出
当系统发生故障时，在一定的超时周期后，X25045看门狗将发出RESET信号，使系统复位，正常工作。
X25045亦符合SPI总线标准，连线简单，方便。
主要特点如下：
看门狗定时器对微控器提供了独立的保护系统；利用低VCC检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响；存储器部分是CMOS的串行E2PROM，它内部按512×8来组织，10万次写入次数：
100年数据储存。
图2.5X25045管脚
X25045包括一个8位指令寄存器。
它可通过SI输入来访问，数据在SCK的上升沿由时钟同步输入。
在整个工作期内，必须是低电平且输入必须是高电平。
X25045监视总线，如果在预置的时间周期内没有总线的活动，那么它将提供RESET输出。
键盘：
有时因为生产要求，需要重新设定和更改上下限报警值或者也其它控制参数。
所以该设计也可以补加键盘。
报警：
设计中有上下限报警。
报警显示为一个LED红灯。
当被测温度低于下限或高于上限时，报警红灯亮，显示报警。
2.3冷端补偿电路
冷端补偿电路应用AD590温度传感器，连接补偿电路如图2.6[8]。
AD590温度传感器是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流。
其规格如下：
1、线性电流输出：
1μA/K，正比于热力学温度。
2、宽温度范围：
-55～+150℃。
3、精度高：
激光校准精度到±5℃。
4、电源范围宽：
+4～+30V
图2.6冷端补偿电路
AD590只需单电源工作，抗干扰能力强，要求的功率很低。
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。
电路分析：
1、AD590的输出电流I=（273+T）μA（T为摄氏温度），因此测量的电压V为（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V。
为了将电压测量出来又要使输出电流I不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。
2、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，其输出电压V1需调整至2.73V。
3、接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，
如果现在为摄氏28℃，输出电压为2.8V，输出电压接A/D转换器，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。
2.4A/D转换器ADC0809
ADC0809是一种8路模拟输入逐次比较型A/D转换器，由于价格适中，与单片机的接口、软件操作均比较简单，目前在8位单片机系统中有着广泛的使用。
片内由8路模拟多路开关、地址锁存器与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲
器组成。
引脚功能如下[2]：
1、2-8—2-1为八根数据三态输出端，IN0-IN7为八根单片模拟量输入端；
2、A1-A3:
三根地址译码输入端，以选择8路模拟量输入通道中的一路；
3、五根转换逻辑控制信号端：
START:
A/D转换启动信号输入端，可用作片选信号端；
EOC：
转换结束信号输入端，可用作中断申请信号；
ALE:
地址所存允许输入端，用作多路开关的使能信号；
O.E：
输出允许输入端，用来打开三态数据输出锁存器，以输出当前的A/D转换数字量；
CLK：
时钟信号输入端，用它产生ADC0809的内部各种定时信号。
4、四根供电输入端：
ref（+）正参考电压输入端；ref（-）负参考电压输入端；VCC为供电电压输入端，一般需要+5V；GND为接地端。
ADC0809芯片可以分时处理8路模拟量输入信号，使用模拟开关切换。
在某一时刻,模拟开关只能与一路模拟量通道接通，对该通道进行A/D转换。
当地址所存信号ALE为高电平时，A1-A3三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中，经过译码器译码后选中某一通道。
当ALE=0时,地址锁存器处于锁存状态,模拟开关始
终与刚才选中的输入通道接通。
如图2.7是ADC0809的28脚标准封装直插式芯片。
图2.7ADC0809引脚图
选中通道的模拟量到达A/D转换器时，A/D转换器并未对其进行A/D转换。
只有当转换启动信号端START出现在下降沿并延迟Teoc（≤8c1+2uS）后，才启动芯片进行A/D转换，START的上升沿复
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