基于单片机和K型热电偶的温度测量仪表设计.docx
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基于单片机和K型热电偶的温度测量仪表设计
1.概述
1.1题目名
基于单片机和K型热电偶的温度测量仪表设计
1.2功能和技术指标要求
（1）温度测量范围：
室温~200℃；
（2）温度检测元件：
K型分度号热电偶；
（3）具有热电偶冷端温度自动补偿功能；
（4）温度测量精度：
1℃±FS*2%；
（5）温度显示：
LED或LCD数字显示，显示分辨率0.1℃
（6）具有温度上限、下线设置功能，当温度测量值越限时，进行声光报警；
（7）电源：
电网AC220V,要求在电网电压变化±15%范围内能够正常工作。
1.3国内外相关情况概述
温度的测量的历史：
第一个温度传感器是伽利略做出来的。
而温度测量的里程碑是由法勒海特设计的水银温度计。
1740年瑞典人摄氏提出在标准大气压下，把冰水混合物的温度规定为0度，而水的沸腾度为100度。
温度测量在保证产品的质量，节约能源，安全生产起到至关重要的作用。
技术现状有点到线，线到面温度分布的测温技术；由表面到内部的测温技术。
发展趋势是由于环境的多样化，复杂化，测温对象的多样化，智能检测成为现在温度测试的趋势。
所以要加强新工艺的开发；向着智能化发展。
2.技术方案
2.1温度测量的基本方法与原理
常见的温度测量方法和测温原理有：
接触式，原理是热胀冷缩，这种方法测温方便。
液体式（如毛细管，水银温度计），原理是受热，液体膨胀系数变大，从而液体上升。
这种方法测温比较准确。
2.2总技术方案
温度测量仪表功能结构
先读取环境温度，热电偶测得温度经过ADC转换器变成数字，测得冷端温度，用补偿法再计算出温度值，送到显示器显示。
如果温度超过上限设置，下限设置则蜂鸣器报警，且LED灯变红。
3.硬件设计
3.1热电偶放大器设计
冷端补偿专用芯片MAX6675的温度读取
芯片MAX6675采用标准SPI串行外设总线与MCU接口，MAX6675只能作为从设备。
温度值与数字对应关系为:
温度值=1023.75×转换后的数字量/4095
3.2热电偶冷端温度补偿方法及电路
冷端补偿法：
测冷端温度补偿法再计算出温度值送到显示器
（循环）
LCD显示（循环）ASC码
电路：
3.3ADC电路
由MAX6675完成AD转换。
3.4稳压电源电路
学生电源。
3.5微处理器
STC52单片机，芯片MAX7765；按键；显示系统采用四位共阳极数码管7SEG-MPX4-CA，报警电路由PNP型三极管Q1和蜂鸣器构成。
3.6总体电路原理图
3.7硬件调试
用热电偶采集温度，把采集信号送到MAX7765中，在MAX6675中进行AD转换成数字信号，把数字信号送到STC52单片机进行处理，再送到显示屏显示。
4.软件设计
4.1软件功能说明
具有热电偶冷端温度自动补偿功能；
具有温度上限、下线设置功能，当温度测量值越限时，进行声光报警；
4.2软件总流程
开始，初始化52，AD初始化启动AD数值滤波（取平均值），调用采集转换子程序，用补偿法计算出温度值，检测是否超量程，超过量程则调用报警程序报警，否的话就继续调用子程序进行循环。
是
否
4.3各功能软件
#include"reg52.h"//头文件
#include"intrins.h"//_nop_（）;延时函数用
#defineucharunsignedchar//用uchar代替unsignedchar，1字节0-255
#defineuintunsignedint//用uint代替nsignedint，2字节0-26653
sbitSO=P1^0;//P1.0口与SO相连
sbitSCK=P1^1;//P1.1口与SCK相连
#include"reg52.h"//头文件
#include"intrins.h"//_nop_（）;延时函数用
#defineucharunsignedchar//用uchar代替unsignedchar，1字节0-255
#defineuintunsignedint//用uint代替nsignedint，2字节0-26653
sbitSO=P1^0;//P1.0口与SO相连
sbitSCK=P1^1;//P1.1口与SCK相连
sbitCS=P1^2;//P1.2口与CS相连
sbitbuzzer=P1^6;//P13.6s声光报警
uintj,h;
floatwendu;//4字节（6位数字）
uintRe_Convert（）;//热电偶数据读取，返回温度
voidDisp_temp（）;//温度显示
ucharqian=0,bai=0,shi=0,ge=0,xiao=0;
uintP_Temp;
uinttemp;
ucharcodetab_1[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};
//共阳LED段码表
ucharcodetab_2[10]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};
//含小数点共阳段码
//"0""1""2""3""4""5""6""7""8""9"
ucharcodetab_3[4]={0x01,0x02,0x04,0x08};//位码
uintRe_Convert（）//热电偶数据读取，返回温度
{uchari;
unsignedlongTemp_2;
Temp_2=0;
CS=1;
SCK=0;
_nop_（）;_nop_（）;
//这个_nop_（）等效与汇编里面的NOP指令，也就是空一个机器周期，
//在51单片机中_nop_（）等于空12个时钟周期【即一个机器周期】
CS=0;
for（i=0;i<16;i++）//16位数据读取
{Temp_2<<=1;//向右移一位
_nop_（）;
SCK=1;//上升
if（SO==1）{Temp_2=Temp_2|0x01;}
elseTemp_2=Temp_2|0x00;
_nop_（）;
SCK=0;
_nop_（）;
}
Temp_2=Temp_2<<1;//向左移一位，取0-14位
Temp_2=Temp_2>>4;//向右移4位，取3-14位
Temp_2=Temp_2*1024/4096;//变换为温度值Temp_2=Temp_2-23;
Temp_2=Temp_2;
if（Temp_2>200）
{
for（j=300;j>0;j--）;
buzzer=0;
}
else
buzzer=1;
return（Temp_2）;
}
voidDisp_temp（）//温度显示
{
uinttemp=wendu;
temp=temp*10;
if（wendu<=200）//最高读取温度设定为200摄氏度
{
xiao=（temp&0x0f）*10/16;//取小数位数字
temp=temp/10;
ge=temp%10;//取个位数字
temp=temp/10;
shi=temp%10;//取十位数字
bai=temp/10;//去百位数字
//动态扫描显示各位数字，P3.1-P3.4口输出位码
P3=0x00;
P0=tab_1[bai];
P3=tab_3[0];
for（j=300;j>0;j--）;
P3=0x00;
P0=tab_1[shi];
P3=tab_3[1];
for（j=300;j>0;j--）;
P3=0x00;
P0=tab_2[ge];
P3=tab_3[2];
for（j=300;j>0;j--）;
P3=0x00;
P0=tab_1[xiao];
P3=tab_3[3];
for（j=300;j>0;j--）;
}
}
voidmain（）//主程序
{
for（j=300;j>0;j--）;
while
（1）
{
wendu=Re_Convert（）;//热电偶数据读取，返回温度
Disp_temp（）;//温度显示
}
}sbitCS=P1^2;//P1.2口与CS相连
sbitbuzzer=P1^6;//P13.6s声光报警
uintj,h;
floatwendu;//4字节（6位数字）
uintRe_Convert（）;//热电偶数据读取，返回温度
voidDisp_temp（）;//温度显示
ucharqian=0,bai=0,shi=0,ge=0,xiao=0;
uintP_Temp;
uinttemp;
ucharcodetab_1[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};
//共阳LED段码表
ucharcodetab_2[10]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};
//含小数点共阳段码
//"0""1""2""3""4""5""6""7""8""9"
ucharcodetab_3[4]={0x01,0x02,0x04,0x08};//位码
uintRe_Convert（）//热电偶数据读取，返回温度
{uchari;
unsignedlongTemp_2;
Temp_2=0;
CS=1;
SCK=0;
_nop_（）;_nop_（）;
//这个_nop_（）等效与汇编里面的NOP指令，也就是空一个机器周期，
//在51单片机中_nop_（）等于空12个时钟周期【即一个机器周期】
CS=0;
for（i=0;i<16;i++）//16位数据读取
{Temp_2<<=1;//向右移一位
_nop_（）;
SCK=1;//上升
if（SO==1）{Temp_2=Temp_2|0x01;}
elseTemp_2=Temp_2|0x00;
_nop_（）;
SCK=0;
_nop_（）;
}
Temp_2=Temp_2<<1;//向左移一位，取0-14位
Temp_2=Temp_2>>4;//向右移4位，取3-14位
Temp_2=Temp_2*1024/4096;//变换为温度值Temp_2=Temp_2-23;
Temp_2=Temp_2;
if（Temp_2>200）
{
for（j=300;j>0;j--）;
buzzer=0;
}
else
buzzer=1;
return（Temp_2）;
}
voidDisp_temp（）//温度显示
{
uinttemp=wendu;
temp=temp*10;
if（wendu<=200）//最高读取温度设定为200摄氏度
{
xiao=（temp&0x0f）*10/16;//取小数位数字
temp=temp/10;
ge=temp%10;//取个位数字
temp=temp/10;
shi=temp%10;//取十位数字
bai=temp/10;//去百位数字
//动态扫描显示各位数字，P3.1-P3.4口输出位码
P3=0x00;
P0=tab_1[bai];
P3=tab_3[0];
for（j=300;j>0;j--）;
P3=0x00;
P0=tab_1[shi];
P3=tab_3[1];
for（j=300;j>0;j--）;
P3=0x00;
P0=tab_2[ge];
P3=tab_3[2];
for（j=300;j>0;j--）;
P3=0x00;
P0=tab_1[xiao];
P3=tab_3[3];
for（j=300;j>0;j--）;
}
}
voidmain（）//主程序
{
for（j=300;j>0;j--）;
while
（1）
{
wendu=Re_Convert（）;//热电偶数据读取，返回温度
Disp_temp（）;//温度显示
}
}
4.4软件测试
软件能运行成功，数码管有温度变化显示。
5.温度测量仪器测试与校准
5.1温度测量仪器测试方法
用热水器烧开的热水进行测试；用手温来测试。
5.2相应记录
热水器烧开的热水
手心温度
88℃
35℃
5.3对实验数据进行分析
误差变动大稍低于实验要求，由于温度不能进行连续变化，要按复位键，所以功能不能满足要求。
误差的原因有放大倍数与其误差的稳定性；热电偶；本身电路；转换电路（基准电源）；程序没有完善好。
由于我负责硬件方面，所以改进设想是尽量减少本身电路产生的误差，而且由于跳线较多使得焊电路的时候变得麻烦，以后一定要注意。
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