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毕设论文.docx

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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毕设论文

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

专业班级电子信息工程11-01

学号

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姓名

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