基于热电偶炉温测量系统设计.docx

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基于热电偶炉温测量系统设计

基于热电偶炉温测量系统设计

摘要

随着计算机技术的高速发展，单片机在测试领域的作用越来越大。

本文设计的温度测量系统采用ADμC812单片机作为控制中心，利用K型热电偶将温度转换成电信号，通过ADμC812中的模/数转换芯片完成AD转换，同时用移位寄存器74LS164进行串行输入/并行输出实现温度的显示，并且系统可以对高温进行报警。

其硬件结构简单、精度高，适合于各种温度测量系统。

检测结果表明，系统最小区分温度为1℃。

关键词：

K型热电偶，AD590，ADμC812，温度检测

DesignoftheTemperatureMeasureSystemBasedonThermocouple

ABSTRACT

AtemperaturedetectionsystembasedonADμC812isdesignedinthealarmsystemasthewideapplicationsofMCUintestingfields.ThatconversionfromTemperaturetoelectricsignalsisrealizedbyK-typethermocouple,andA/DiscompletedbyADμC812andtemperaturedisplayimplementedbyshiftregister74LS164.It’llalarmwhenitishightemperature.Thestructureofthehardwareisverysimple,high-precisionandsuitableforallkindsoftemperaturemeasuresystem.Theresultofthetestshowsthattheminimumdistinguishedtemperatureofthesystemis1℃.

KEYWORDS:

K-typethermocouple,AD590,ADμC812,temperaturemeasure

第1章设计背景及研究意义

1.1设计课题的提出

在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

例如：

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

采用ADμC812单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的精度技术指标，从而能够大大提高产品的质量。

因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

本课题是利用该单片机设计出一种基于K型热电偶的炉温测量系统。

1.2温度测量系统的开发背景

温度测量是一门应用极广的技术，无论在现代工业赖以生存和发展的能源动力工程中，还是在诸如大规模集成电路、生物技术、航天科技等新兴技术领域中，或者在与人们日常生活密切相关的冶金、材料、食品等行业中，都发挥着巨大的作用。

它不仅为节约能源、提高设备热效率和发掘新材料等众多领域带来巨大的经济效益，而且对进一步保护环境、促进和保持一个国家和地区的可持续发展产生巨大影响。

随着国民经济的发展，对各种工业产品及电力能源的需求量越来越大。

从传统的能源消费情况来看，中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。

我国大部分的电站锅炉、工业炉窑与工业锅炉是以煤炭作为主要能源的。

每年我国仅发电与其它工业耗煤就占了煤炭总消费量的2/3左右，年耗标准煤4亿吨以上。

然而传统的燃煤方式和煤炭加工过程比较落后，许多设备仍采用老式的控制装备，其控制精度低、可靠性差，对炉膛火焰的温度分布等参数缺乏精确的检测和控制，这是造成燃烧不充分及燃料浪费的重要原因之一。

而燃烧产物，尤其是不良燃烧物的排放，将会造成严重的大气污染。

因此，锅炉燃烧监测与控制的研究和改进对工业生产具有重要的现实意义。

1.3开发温度测量系统的目的及意义

随着国民经济的日益发展，对电力的需求量越来越大。

我国电站中采用火力发电占有很大比例，在火力发电中锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内建立并保持稳定、均匀的燃烧火焰。

燃烧火焰是表征燃烧状态稳定与否最直接的反映。

燃烧不稳定不仅会降低锅炉热效率，产生污染物，在极端的情况下可能引起锅炉炉膛灭火，如处理不当就会引发炉膛爆炸，造成严重的人身及设备事故。

为了预防这些危害，就必须进行切实有效的燃烧诊断和火焰监测。

为了实现火焰燃烧控制系统的自动化运行，需选取一些能够及时表征燃烧过程的热物理参数来反映设备的运行工况。

采用火焰温度场作为控制参数，具有明显的优越性。

因为燃料量的扰动首先会引起燃烧放热的变化，燃烧火焰温度场的瞬态变化直接体现了燃烧过程的稳定性，温度场分布与燃烧效率、气体污染物排放以及炉膛出口未燃尽碳损失都有重要关系。

工业炉的结构、加热工艺、温度控制等，都会直接影响加工后的产品质量。

因此温度是锅炉生产蒸汽质量的重要指标之一，也是保证锅炉设备安全的重要参数。

同时，温度也是影响锅炉传热过程和设备效率的主要因素。

因此温度检测对于保证锅炉的安全、经济运行，提高蒸汽产量和质量，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件具有极其重要意义，在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用。

本论文以上述问题为出发点，设计实现了温度实时测量、显示、报警。

本设计方案具有较高的测量精度，更加适合对温度精度要求较高的化工生产、电力工程等行业，并希望通过本设计得到举一反三和触类旁通的效果。

1.4形成温度测量系统的主要内容

温度测量首先是由温度传感器来实现的。

测温仪器通常由温度传感器和信号处理两部分组成。

温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号，传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来的。

温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有:

膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。

最简单的温度测量系统是由温度传感器及和温度显示仪表组成的，而较完善的温度测量系统是由温度传感器、温度显示仪表和温度记录仪表组成，或者还将温度信号经转换器转换为统一的电信号经过微机控制处理形成一个闭环的系统来实现对温度的精确测量与控制。

如图1-1所示：

图1-1温度测量系统的构成

第2章系统方案的设计

本次毕业设计题目为基于热电偶的炉温度测量系统的要求为：

1.测量温度范围为0～500℃

2.温度显示为0～500℃

3.测得值大于设定的温度报警

这个炉温测量系统的测量过程是：

单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换后得到相应的数字电压量，显示出当前温度值，并且与设定值相比较，若超过该设定温度值就报警。

如图2-1所示：

图2-1系统构成图

由该过程图可以知道我们进行系统设计时应注意：

1.温度测量范围：

0～500℃，这就涉及到测温元件的选择与调理电路的设计等。

2.测量精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律选择等。

温度传感器将外部温度转换为模拟电流信号，接着调理电路中的信号放大器将电流信号转换成电压信号并自动调整信号的增益大小，使得信号在单片机中的A/D转换芯片的量程范围内放大，在单片机的控制下，A/D转换芯片完成信号的A/D转换，然后将转换后的数字信号与设定值数据比较和BCD码转换成实际温度值，最后利用数码管对当前温度显示和报警。

第3章硬件的设计

3.1信号的采集电路

3.1.1热电偶的选择

两种不同的导体A和B连接在一起，构成一个闭合回路，当一端温度为T0，另一端温度为T（假设T＞T0），这时回路中就有电流或EAB（T,T0）热电势产生，其大小可由测量电路测出。

利用热电效应可以测量物体的温度。

我们把闭合回路称为热电偶。

A、B导体称为热电极，T接触点为热端，又称工作端；T0接触点为冷端，又称参考端。

测温时，将热端放置在被测温度为T的介质中，而冷端接入电测仪表，可通过电测仪表测量热电偶回路中的热电势。

热电偶就是通过测量热电动势来实现测温的[1]。

图3-1热电偶示意图

在实际测温时，被测对象是很复杂的。

应在熟悉被测对象、掌握各种热电偶特点的基础上，根据使用环境、温度的高低等因素正确地选择热电偶。

首先，根据使用温度t。

当t＜1000℃时多选用廉金属热电偶，如K型热电偶。

它的特点是使用温度范围宽，高温下性能比较稳定；其次，是使用环境。

当t＜1300℃时，多选用N或K型，它是廉金属热电偶中抗氧化性最强的热电偶；最后，就是根据参考端温度来选择。

当t＜1000℃时，可选用镍钴-镍铝廉金属热电偶。

参考端温度在0～300℃范围内时，可忽略其影响。

根据课题要求及测量的环境参数，发现K型热电偶具有测温范围宽、线性度好、热电势率比较高、灵敏度高、抗氧化能力较强，在还原与氧化气氛中输出热电动势均较稳定这些优点，因此它是一种最通用的适于1300℃以下温度测量的热电偶[2]。

K型热电偶测温的参考函数为：

（3.1）

式中，E为电动势，单位为mV，

为摄氏度；

，

，

为有关系数，此函数覆盖0℃～1372℃温度范围[3]。

而该系统要求的温度范围为0℃～500℃，通过计算得出0℃时E0=0mV，500℃时E500=22.33mV，因此输出电动势范围为：

0mV～22.33mV。

得出了这个范围，就可以设计出相对应的调理电路来进行信号的调理。

对于K型热电偶，电压变化率为41℃，电压可由线性公式：

（3.2）

来近似热电偶的特性。

上式中，Vout为热电偶输出电压（mV），tR是测量点温度；tAMB是周围温度[4]。

3.1.2热电偶的标度变换

采用K型镍铬镍硅热电偶，测量温度范围为0～500℃，热电偶输出的热电势为0～22.33mV，经放大变为0～5V的直流电压A/D转换，从而得到与被测温度对应的数字量，供计算机调用。

因此必须通过一定的处理，将数字量转换成具有不同量纲的物理量。

基本原理为[5]:

（3.3）式中：

A0——一次测量的下限

　Am——一次测量的上限

　Ax——实际测量值

　N0——下限对应的数字量

　Nm——上限对应的数字量

　Nx——实际测量值对应的数字量

3.1.3热电偶的补偿方法

热电偶测温时，热电势的大小与热电极材料及两接点的温度有关。

只有在热电极材料一定、冷端温度T0保持不变的情况下，其热电势EAB（T,T0）才是其工作温度T的单值函数。

热电偶分度表中的热电势是在冷端温度T0=0℃的条件下测得的，只有满足T0=0℃的条件，才能直接应用分度表。

但是在工程测量中，冷端温度不是0℃或常随环境温度的变化而变化，这样将引入测量误差。

由热电偶的作用原理可知，热电偶的热电势的大小，不仅与测量端的温度有关，而且与参比端（冷端）的温度有关。

写成关系式为:

（3.4）

式中，E（t,0）为热电偶的测量端温度为t，参比端温度为0℃时的热电势；E（t,t0）为热电偶的测量端温度为t，参比端温度为t0时的热电势，也就是热电偶两端实际的热电势值；E（t0,0）为热电偶的参比端温度为t0时所应加的校正值（或冷端处理值）。

所以，必须采取一些措施来修正或补偿。

下面介绍一下热电偶的各种冷端补偿方法[6]。

1.冷端冰点法

此方法是将热电偶的冷端放置于冰水混合物的冰槽中，使冷端处于0℃状态，如图3-2所示。

这样，可使热电偶输出的热电势与热电偶分度表一致。

该方法简单易行，补偿精度高，但冰水混合物不易保存，常用于实验室高精度测量中。

图3-2冷端冰点法

2.电桥补偿法

采用不平衡电桥进行冷端补偿的方法如图3-3所示。

RG采用温度系数大的铜电阻，其余电阻R1、R2、R3采用温度系数小的锰铜电阻。

电路设计时，一般使电桥在20℃或0℃处于平衡状态，此时电桥无电压输出。

当温度变化时，RG阻值变化，电桥输出补偿电势，此电势与热电偶的热电特性相似，即可对冷端进行自动补偿。

图3-3电桥补偿法

3.半导体PN结补偿法

半导体二极管或者三极管PN结的温度特性广泛应用于冷端补偿技术中。

PN结在-100℃～+100℃范围内，其端电压与温度有理想的线性关系，温度系数约-2.2mV/℃。

因此是理想的冷端补偿器件。

图3-4是一种用二极管作冷端补偿的电路。

图中D是用作补偿器件的二极管，其正向压降随温度呈线性变化，补偿电势由R和W分压得到。

采用二极管作冷端补偿，精度可达0.3～0.8℃。

采用将基极和集电极连接使用的三极管时，补偿精度可达0.05～0.2℃。

图3-4半导体PN结补偿法

4.集成温度传感器补偿法

集成温度传感器不仅可用于温度测量，而且也可用于热电偶冷端补偿。

大多数集成温度传感器的输出电信号随温度的变化具有良好的线性特性，可作为理想的冷端补偿器件。

利用集成温度传感器的补偿电路较多，这里仅举两例。

图3-5为集成温度传感器AD590用于热电偶冷端补偿的一个例子。

AD590为电流输出型器件，其输出电流与绝对温度成正比，工作温度范围为-55℃～+150℃。

图中AD590的输出电流在R1上转换为所需的补偿电势，放大器负端提供的电压V-将补偿电势所对应的绝对温度转换成摄氏温度。

图3-6为另一种集成温度传感器LM134用于热电偶冷端补偿的例子。

LM134为三端可调恒流源器件，其输出电流与摄氏温度成正比。

图中调节R1可调节LM134的输出电流的大小，输出电流在R2上转换为所需的补偿电势。

图3-5AD590用于热电偶冷端补偿

图3-6LM134用于热电偶冷端补偿

5.数字化补偿法

微机技术的运用，使热电偶冷端补偿的数字化成为可能。

数字化补偿的方法如图3-7所示。

将测温电路中的温度传感器与热电偶冷端置于同一温度环境中，则可获得与冷端温度相对应的电信号，该信号通过电子开关和A/D转换送入单片机，可测得热电偶冷端处的温度t0。

然后再将热电偶输出的热电势通过电子开关和A/D送入单片机，测出一温度值t’，该温度即热电偶测量端和冷端的温差，将t0和t’相加即得到需要测量的真实温度。

该方法的补偿精度和补偿范围完全取决于测温电路的性能，按现有的技术水平很容易获得很高的补偿精度和很宽的补偿范围，而且测温电路的热电特性无需和热电偶的热电特性一致，大大提高了冷端补偿技术的方便性和灵活性。

图3-7数字化补偿

在上述各种补偿方法中，方法2、3、4均属于模拟补偿法，其特点是简单易行，成本较低，但补偿精度较低（0.5℃～1℃），补偿范围不大（0℃～50℃），一般能满足工程测温的要求。

数字化补偿技术设计复杂，价格较高，其补偿精度高（0.02℃），补偿范围宽，可用于精确测温的场合中。

因此，由在这些修正方法中的比较，选择了AD590对热电偶进行冷端补偿。

AD590式电流输出性集成温度传感器，国内同类产品型号为SG590。

实际中通过对电流的测量即可得到相应的温度数值。

AD590后缀以I，J，K，L，M表示，实质上指特性不同和测量温度范围不同。

其外形、电路符号如图3-8所示。

图3-8AD590外形、电路符号

AD590主要技术参数为：

工作电压:

4～30V　　　　工作温度:

-55～+150℃

保存温度:

-65～+175℃焊接温度（10秒）:

300℃

正向电压:

+44V反向电压:

-20V

灵敏度:

1μA/K输出电阻:

710MΩ

AD590基本工作原理：

在被测温度一定时，AD590实质上相当于恒流源，把它与直流电源相连，并在输出端串接一个标准10KΩ的电阻，结果此电阻上流过的电流与被测热力学温度成正比，电阻两端将会有10mV/K的电压信号。

它的内部电路如图3-9，利用晶体管的阻抗变换特性使集电极获取高阻抗电流输出，并通过串接阻抗很大的负载把信号放大，使电路的总电流与温度系数很小的电阻中的电流成固定比例关系。

T1，T2，T3，T4的发射极连在一起接到R1上，T6的发射极则接到R2上。

这使流过T1～T4的总电流与流过T6的电流之比更好地符合4:

1，克服了因T6集电极电位与其它NPN管集电极电位不同而引起的误差。

在T7的集电极回路中增加了一个二极管接法的PNP管T5，它的作用除了与T6对称以平衡T7和T8的集电极电压，以减小T7和T8基区调制效应引起的误差之外，还对器件提供了很好的保护作用。

T12是一个结型场效应管，实际上是一个高值电阻。

它的作用是保证电路在接上电源时能可靠地启动。

流过T12的电流最后也流过T10，因此不会产生附加的误差电流。

电容C和电阻R3、R4是为了防止寄生振荡。

T8，T11是产生基——射电压正比于绝对温度的晶体管，R5、R6将电压转换电流。

T10的集电极电流跟踪T9和T11集电极电流，它提供所有的偏置及电路其余部分基底漏电流，从而迫使总电流正比于绝对温度。

基本电路如图3-10所示[7]。

图3-9AD590的内部电路

图3-10AD590测量电路

AD590集成温度传感器应用相当广泛，在工程上主要应用测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度等。

因此，不仅广泛应用在日常生活中，更重要大量应用在工业自动化控制系统以及自动检测过程控制系统。

另外，由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和温度检测和控制领域以及测温和热电偶的冷端补偿[8]。

3.1.4单片机ADμC812

（1）主要功能[9]

模拟I/O

8通道，高速12位ADC

片内100ppm/°C的电压参考源

速度高达200kSPS

ADC至RAM高速捕获型DMA控制器

2个12位电压输出DAC

拥有片内温度传感器

存储器

8K字节片内闪速/电擦除程序存储器

640字节片内闪速/电擦除数据存储器

256字节的片内数据RAM

16M字节的外部数据地址空间

64K字节的外部程序地址空间

基于8051的内核

标称的12MHZ工作频率（最大16MHz）

3个16位定时器/计数器

高电流驱动能力端口——端口3

9个中断源，2个优先级

电源

运行于指定的3V和5V电压下

正常模式，空闲模式和掉电模式

片内外围设备

UART和SPI串行I/O

双线（400KHzI2C兼容）串行I/O

看门狗定时器（WDT）

ADμC812是一个完全集成的12位数据采集系统，在一个芯片内结合了高性能的自校准多通道12位ADC，双12位DAC和可编程8位微控制器。

片内的8K字节闪速/电擦除存储器、640字节片内闪速/电擦除数据存储器和256字节的片内数据静态存储器均由可编程8051兼容内核控制。

另外微控制器具有包括看门狗定时器、电源监视器和ADCDMA功能，为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O线、I2C兼容的SPI和标准UART串行口I/O等。

其功能框图如图3-11所示[10]：

图3-11ADμC812的功能框图

（2）ADμC812的资源占用问题

ADμC812具有3个16位定时器/计数器，即：

定时器0、定时器1和定时器2。

每一个定时器/计数器包含2个8位寄存器THX和TLX（X＝0，1和2）。

所有3个定时器/计数器均可配置作为定时器或计数器，此功能和普通单片机相同。

由于与其他单片机不同，ADμC812具备在线调试功能，因此，芯片处于在线工作状态下某些功能将会受到限制。

这是因为在线调试时，计算机和芯片之间的通信占用一定的资源所导致。

经实践证明，定时器1就是被占用的资源之一。

若用户在线调试的程序中使用了定时器1，则无论是设断点调试，还是单步或连续运行，都会有程序无法执行的情况发生。

但若将程序中的定时器1屏蔽掉，则程序能正常运行，实现用户预定的功能。

当然，在线调试程序时可以使用定时器0和定时器2，因它们未被占用。

虽然在线调试时，定时器1无法使用，但并不意味着用户不能在用户系统中利用该定时器。

用户可先将预定功能用定时器0实现，在调试通过之后，再改用定时器1来实现；也可直接用定时器1实现，但只能盲调，因程序必须下载后脱机运行。

（3）A/D转换器的使用问题

ADμC812内集成的ADC转换模块，包含了8通道、12位、单电源A/D转换器，这些A/D转换器是由基于电容DAC的常规逐次逼近转换器组成的，接收的模拟输入范围为0至＋VREF（＋2.5V）。

另外，此模块还为用户提供片内基准、校准特性，模块内的所有部件能方便地通过3个寄存器SFR接口来设置。

总之，ADμC812的ADC模块具有与一般ADC芯片相比拟的性能，并且操作简单、可靠性高，采集速率可高达200kHz。

A/D转换器的2.5V基准电压既可由片内提供，也可由外部基准经VREF引脚驱动。

若使用内部基准，则在VREF和CREF引脚与AGND之间都应当连接100μF电容以便去耦。

这些去耦电容应放在紧靠VREF和CREF引脚处。

为了达到规定的性能，建议在使用外部基准时，该基准应当在2.5V和模拟电源AVDD之间。

由于片内基准高精度、低漂移且经工厂校准，并且当ADC或DAC使能时，在VREF引脚会出现此基准电压。

因此，在进行系统扩展时，可将片内基准作为一个2.5V的参考电源来使用。

若要把片内基准用到微转换器之内，则应在VREF引脚上加以缓冲并应在此引脚与AGND之间连接100μF电容。

在实际应用中应当特别注意，内部VREF将保持掉电直到ADC或DAC外围设备模块之一被它们各自的使能位上电为止。

与其他ADC芯片相比，ADμC812的ADC模块有一个缺点，就是ADC正常工作的模拟输入范围为0～+2.5V；而允许输入的电压范围只能为正电压（0～+5V）。

经实验证明，若输入的模拟电压超过+2.5V（最大值为+5V），ADC的采样结果为最大值（0FFFH），虽然结果不对，但并没有影响ADμC812正常工作；但是，一旦输入负的模拟电压，则会影响ADμC812正常工作，表现为ADC的基准电压（VREF＝+2.5V）消失和采样结果不正确，且若长时间输入负电压，将有可能损坏芯片。

因此，在实际应用中，若发现启动ADC之后VREF端无电压，则应立即将芯片复位，并检查模拟输入信号的采集放大部分。

在确保进入ADμC812的模拟信号在0～+2.5V范围内之后，才能再次启动ADC。

实际应用时，应保证输入的模拟电压为正电平。

ADμC812由于自身带有12位的AD、DA转换，这就大大简化了测量系统。

所以直接需要对输出模拟电压进行调理。

3.1.5调理电路

由于来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），因此一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称、运算放大器具有理想特性。

否则放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。

一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100～120dB。

所以，对于测得的值采用双运放高共模抑制比放大电路调理，既可以能抑制共模电压，又可以将测得值放大。

其电路如图3-12所示：

图3-12调理电路

由上述分析可知，而此双运放高共模抑制比放大电路需要将信号放大200倍。

即根据这个，可以选取R1=1MΩ，R2=5KΩ。

3.2复位电路

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

如图