热电偶测温系统设计.docx
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热电偶测温系统设计
任务书
课程传感器课程设计
题目热电偶测温系统设计
主要容：
本系统以单片机为核心，硬件设计使用高精度模/数转换器和高精度数/模转换器，分别实现对热电偶电动势的采样、放大、AD转换和对线性化处理的数据转换，并在程序中采用修正后的数据，实现热电偶的线性化处理。
基本要求：
1、按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较；
2、利用热电偶和单片机等设计一种热电偶测温系统电路。
3、说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作原理、注明元器件选取参数、进行方案比较。
主要参考资料：
[1]志尚.温度计量与测试[M].：
中国计量，1998．
[2]茂泰.智能仪器原理及应用[M].:
电子工业，2007.
[3]杰，黄鸿.传感器与检测技术[M].:
高等教育，2006.
[4]华东.单片机原理与应用[M].:
电子工业，2006.
完成期限
指导教师
专业负责人
2016年5月7日
摘要
在现代化的工业现场,常用热电偶测试高温,测试结果送至主控机。
热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器之一，它具有构造简单、使用方便、准确度、热惯性小、稳定性及复现性好、温度测量围宽等优点，适用于信号的远传、自动纪录和集中控制，在温度测量中占有重要地位。
但由于热电偶的热电势与温度呈非线性关系,所以必须对热电偶进行线性化处理以保持测试精度。
该测温系统通过高精度模/数转换器AD7705对热电偶电动势进行采样、放大,并在单片机采用一定算法实现对热电偶的线性化处理,再通过数/模转换器AD421进行数/模转换产生4mA~20mA的电流,送入主控中心。
关键词：
热电偶；线性化；AD转换；DA转换；单片机
热电偶测温系统设计
一、设计要求
以单片机为核心，进行对系统控制和线性化算法的运算，使A/D转换精度更好；在算法处理上，使用最佳计算方法，使得线性化算法达到运算量小、处理速度快、占用存小等要求，并使该系统能很好的解决热电偶测试高温的精度问题。
二、设计方案及其特点
本设计是基于STC89C52单片机的硬件设计。
对于系统可分为下面两种不同的设计方案：
1、方案说明
方案一：
系统由Ｋ型热电偶和集成温度传感器AD590测量热端和冷端温度，采用USB采集卡实现信号采集并传输给计算机。
根据热电偶中间温度定律[1]，编制软件采用查表和曲线拟合进行非线性校正及冷端补偿。
利用LabVIEW的数据存储、读取、分析函数，实现温度趋势曲线和统计直方图的绘制[2]。
本系统将滤波、非线性和冷端补偿等功能由软件实现，简化了电路设计，提高了系统的稳定性和测量精度，但成本较高。
热电偶补偿导线
热端
冷端
图1方案一原理框图
方案二：
控制电路以单片机为中心，控制其他部分完成各自的功能。
其中模/数转换部分采用16位高精度AD转化器AD7705，采用自校准，提高其抗干扰能力和精度；数/模转换部分采用高精度DA转换器AD421，在电路设计上，采用光隔离，控制AD421完成其功能，AD421为16位高精度数/模转换器，它将来自单片机线性化处理后的数据进行DA转化，产生4mA-20mA电流，送控制中心[3]。
这种方案保证成本，采用了良好的线性化算法，编程又采用可节约存的汇编语言，使得测量速度快，测量结果能满足工业标准的要求。
去4mA-20mA测量电路
图2方案二原理框图
2、方案论证
从精确度来看，方案一强于方案二，但方案二电路实现简单，占用存较小，抗干扰能力强，成本较低。
所以一般地说，需要稳定性好可选用方案一测量电路，若考虑便于与单片机接口连接，那么方案二测量电路就由其方便之处。
因此本设计中选用方案二。
三、传感器工作原理
热电偶传感器的工作原理：
两种不同成份的导体两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势[4]。
热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做测量端，另一端叫做补偿端；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
如图3所示。
Ｔ０Ａ电极
Ｔ１
Ｔ０Ｂ电极
图3热电偶工作原理图
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。
两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。
根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。
在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。
因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。
四、电路的工作原理
电路的工作原理图如图4所示。
图4总原理图
测温系统通过高精度模/数转换器AD7705对热电偶电动势进行采样、放大,并在单片机采用一定算法实现对热电偶的线性化处理,再通过数/模转换器AD421进行数/模转换产生4mA~20mA的电流,送入主控中心并显示。
五、单元电路设计、参数计算和器件选择
1、单元电路设计
模/数转换部分电路如图5所示。
图5A/D转化电路原理图
采用16位、双通道、高精度模/数转换功能的AD7705。
AD7705能直接对来自传感器的微弱信号进行A/D转换[5]。
使用时通过单片机控制其单双极性、增益倍数、选择通道的输入和工作模式的选择等；用AD584基准芯片为AD7705采集模块提供基准电压，使AD7705可以正常且稳定的工作[6]。
数/模转换部分电路如图6所示。
图6D/A转化电路原理图
采用16位高精度数/模转换器AD421[7]。
AD421由电流环路供电，16位数字信号以串行方式输入，4-20mA电流输出，可实现低成本的远程智能工业控制。
AD421部含有电压调整器可提供+5V，+3.3V或+3V输出电压，还含有+1.25V，+2.5V基准电源，均可为其自身或其它电路选用[8]。
AD421采用Σ-ΔDAC结构，保证16位的分辩率和单调性，其积分线性误差为±0.001%，失调误差为±0.1%，增益误差为±0.2%，其标准的三线串行接口可在10Mbps下运行，便于与通用微处理器或微控制器相连。
2、参数计算
软件是算法和功能实现的关键。
该部分主要完成的任务是：
A/D转换器的配置、启动和数据读取。
对信号的线性化处理。
D/A转换器配置和数据读取。
其中线性化算法主要参考“最佳非等距线性插值算法在热敏电阻测温中的应用”，提出一种“最佳非等距离分段算法”，根据标度转换，在不同分段上推导出y=kx+b的线性化算法。
整体设计和调试，以K分度热电偶为例。
通过调节滑动变阻器，模拟补偿后的K分度热电偶的热电势，送入AD7705完成模/数转换,转换后的数据送入单片机进行线性化处理，使处理后单片机输出的数据与温度呈现线性关系；最后再将线性化后的数据，送至AD421经数/模转换，输出电流值[9]。
本系统采用误差修正公式来消除系统误差，从输出端引反馈量到输入端来改善系统的稳定。
在无误差的理想情况下,有ε=0，i=0，K是常数,于是存在关系
（1）
在有误差的情况下,则有
（2）
（3）
由此可以推出
（4）
可改写成下简明形式
（5）
式中：
x——热电偶产生的电压；
y——带误差的输出到D/A转换器的电压；
Ε——影响量（例如零点漂移或干扰）；
i——偏差量（例如直流放大器的偏置电流）；
K——影响特性（例如放大器增益）。
把热电偶分度表各温度时电压值x经过运算求出各温度时对应的y值，y值一般包含小数，由于A/D转换器的离散性和分辨率的限制，所以只保留整数部分，保存到单片机ROM中，在每次测量完温度数据后直接由y值查表，运算求相应温度。
3、器件选择
表1元器件清单
标号
元器件类型
元器件规格
数量
C1,C2
电容
33p
各1
C3,C4
电容
103
各1
C5，C7，C9,C19
电解电容
10μ
各1
C6,C8,C12,C18
电容
0.1μ
各1
C10,C11
电解电容
4.7μ
各1
C13,C14,C16
电容
0.011μ
各1
C15
电容
0.0033μ
1
C17
电容
1000p
1
C20
电容
100p
1
C21
电容
0.1p
1
C22
电解电容
30μ
1
R1,R2,R5,R6
电阻
1K
各1
R3
电阻
100K
1
R4
电阻
51K
1
R7
电阻丝
1K
1
NPN
三极管
1
MOS
场效应管
1
CRYSTAL
晶振
2.4576MHz
1
CRYSTAL1
晶振
12MHz
1
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