基于单片机的热电偶测温系统.docx
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基于单片机的热电偶测温系统
目录
摘要3
ABSTRACT4
1概述5
1.1单片机的发展及在温度测量中的应用5
1.2温度传感器的分类和发展5
1.2.1非接触式温度传感器5
1.2.2新型温度传感器6
1.2.3接触式温度传感器6
1.3热电偶在温度测量中的应用及存在问题7
1.4热电偶冷端温度的处理方法8
1.5热电偶温度信号的线性化9
2系统硬件设计10
2.1硬件电路构成10
2.2微型计算机的选择10
2.3热电偶的选择11
2.4测量原理及电路图11
2.5冷端温度补偿及信号处理13
2.5.1AD59013
2.5.2AD590在热电偶冷端补偿中的应用14
2.5.3CD405115
2.6放大单元15
2.6.1OP0715
2.6.2ICL765015
2.7A/D转换16
2.7.1AD574的外特性16
2.7.2AD574与89C51的接口电路18
2.8串口输出单元18
2.8.1MAX22018
2.8.2MAX220的引脚图见图19
2.8.3串行输出电路19
2.9LED选择及显示电路19
2.10电源设计21
3 软件设计22
3.1主程序流程图23
3.2A/D转换子程序24
3.3串口输出子程序24
3.4显示子程序24
3.5误差分析25
总结26
致谢27
参考文献28
附录29
附录1.整机电路图29
附录2.程序30
摘要
介绍了一种热电偶线性温度变送装置，该装置由AD590M、标准电阻、放大器、AD转换器、数据采集与处理系统、串行输出端口、数码显示、DA转换及4～20mA.DC输出等组成。
AD590M除做冷端温度补偿外还作为电流源，在单片计算机的控制下，经标准电阻提供标准毫伏信号先对放大器进行校准，然后系统对热电偶的热电势采样，经计算获得高精度的热电势值，再根据热电势值的大小查热电偶分度表求取对应的温度值，因1372℃范围内该装置的测量误差为±2℃。
另外，该装置实现了热电偶全温度分度范围的温度测量。
关键词：
热电偶；温度测量；单片机；数码显示；串行输出；非线性；查分度表
ABSTRACT
Atemperaturetransmitterisintroducedforlineartemperaturemeasurementbyusingthermocouples.ItconsistsofAD590M,standardresistor,amplifier,ADconverter,datasamplingandprocessingsystem,serialoutputport,digitaldisplay,DAconverter,4-20mA.DCoutputandsoon.AD590Misusedascurrentsourceinadditiontocoldmilli-voltagesignalprovidedfromastandardresister.Thenthesystemsamplesthevalueofthermoelectricpowerofthermocouples.Thehighlyaccuratevalueofthermoelectricpowerisobtainedviacomputing.Further,thetemperatureisobtainedbylookingintothereferencetablewiththevalueofthermoelectricpower.Therefore,highlinearityisimplemented;andtheimpactoftemperature-driftandnon-linearityofamplifierisgreatlyreduced.Thetesterroris±2℃in-100℃～1372℃withoutconsideringtheerrorofthermocouples.Inaddition,thedeviceimplementsthetemperaturemeasuringoffullrangeofreferencetable.
Keywords:
thermocouples,temperaturemeasurement,singlechipprocessor,digitaldisplay,serialoutput,non-linearprocess,look-upreferencetable
1概述
在工业生产和科学研究的温度测量中热电偶是使用最广发的一种测温仪表，温度范围大、性能稳定、安装使用方便使热电偶的主要特点，但热电偶输出与温度之间的非线性特性给精确测量带来诸多不便，虽然采用了一些线性化方法，如折线法分段线性化修正热电偶的非线性，大测量误差仍然可观。
本文论述了一种基于K分度热电偶的线性测温装置，该装置在单片机的控制下，先精确测出热电偶的热电势Et，再由Et的值查热电阻分度表得出温度值，然后由串行端口输出，实现了真正意义上的线性化，且实现了热电阻全温度范围的测量，并获得了较高的测量精度。
1.1单片机的发展及在温度测量中的应用
温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。
对于不同场所、不同工艺、所需温度高低、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的控制方法多种多样。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展和广泛的应用。
利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示其优越性[1]。
1.2温度传感器的分类和发展
温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关,因温度的测量和控制，对保证产品质量、提高生产效率、节约能源起着非常重要的作用。
测量温度的关键是温度传感器，温度传感器大致可分为三类：
非接触式温度传感器、新型温度传感器、接触式温度传感器。
1.2.1非接触式温度传感器
近几年辐射测温技术发展很快，其原因是：
a.辐射温度汁的性能有了很大提高，性能稳定可靠，测温范围广。
b.价格比较便宜，国产红外辐射温度计的价格与B型热电偶相当。
c.在应用时采用“工艺温度”或“控制温度”的概念。
用于生产过程中温度参数的在线检测，已取得可喜成果。
目前，主要的研究开发工作如下:
（1）消除发射率的影响及多渡长温度计
对对象真实温度的测量及材料发射率测量的要求，导致了多波长温度计的发展。
用同时测量多个波长的信号，加上已知的、用其他方法得到的对象发射率的知识，按定的数学模型计算后，就可自动补偿发射率的影响而得到较真实的温度。
反过米也可测量发射率。
用光电二极管列阵和棱镜分光技术已研制出可同时最多测量35个波长信号的温度计。
美国铝公司等研究表明，即使只有两个波长，用这种补偿的方法也比普通的比色温度计能较好地减少发射率的影响，尤其是发射率变化的影响。
（2）光纤测温
光学纤维的抗电噪声和其它外来下扰的能力特别好对于克服工业现场的电噪声及光路中多种外来干扰的影响十分有效。
已成功地用于电力系统等强电磁干扰的苛刻环境中测温。
美国用荧光时间技术开发的光纤温度计，用于航空工业，使用温度为-70℃～+350℃。
加拿大采用紫外激光激励的荧光余辉时问技术，在线测量大型发电机组转子的表面温度。
（3）黑体传感器式辐射温度计
将光纤技术、接触式与非接触式测温技术结合起来，即将套管、透镜及光纤组成一体，构成接触式辐射温度汁，也称黑体传感器式辐射温度汁。
如采用蓝宝石的黑体传感器，即在光纤的前端连接蓝宝石棒、并在其表面涂铂，然后在其表面涂A1203保护膜，形成黑体空腔，用于加热炉或隧道窑测温。
使用温度范围：
500℃～1,900℃，ε>0.95。
存在的问题是宝石加工困难，成本高，难以实用化。
国内采用碳化硅，刚玉管，插入热电偶测温的相应位置，形成黑体空腔，再用光电高温计或辐射温度计，通过光纤瞄准黑体空腔底部（靶面）。
由于黑体空腔靶面近似于黑体辐射，因此，可测得真实温度。
存在的问题是：
在氧化性气氛中，缺乏使用温度超过1,600℃的保护管。
因此使用温度受到黑体空腔材料的限制。
其次，黑体空腔的质量对测量精度影响很大。
碳化硅的发射率较高，然而，刚玉管的发射率较低，这点往往被人们所忽视。
总之，以光学测量技术与图像测量技术为代表的非接触测量技术，正在推广应用。
可以预见，辐射温度计与光纤温度计将会有更大的发展。
1.2.2新型温度传感器
近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与传感器的开发应用，已取得了具有实用性的巨大进展。
新型检测元件与传感器有：
半导体集成电路温度计、石英温度计、核磁共振温度计、超声温度计、热噪声温度计、激光温度计、微波温度计等多种。
它们之间既相互竞争又相互补充。
最近，出现两种温度计联合使用，获得多功能协同动作的良好效果，值得注意。
1.2.3接触式温度传感器
a.接触式温度传感器的发展
接触式温度传感器正在向标准化、小型化、集成化、复合化与智能化方向发展。
（1）标准化
近年来，热电偶、热电阻的标准化引人注目。
标准化的含义是：
产品标准，采用国际标准；产品生产，按国际标准的技术规范生产；产品检验，按国际标准规定的方法检验。
由于测温元件采用国际标准，使我国的温度传感器与国际同类产品接轨。
为引进设备中传感器的国产化及出口创汇奠定基础，最近，中国温度仪表行业协会又组织全国统一设计，无疑将进一步推动我国温度传感器标准化的进程。
（2）小型化
小型化与铠装化是热电偶与热电阻的发展趋势。
国外产品已经实现铠装化，装配式很少。
（3）薄膜化
薄膜热电偶、热电阻。
测温元件不仅要小型化，而且向薄膜化发展。
用溅射技术等制作的薄膜式铂锗热电偶（S或R型）具有体积小、重量轻、牢固等特电，适于温度变化迅速、环境恶劣场合的温度测量。
由于它的响应速度快，对被测表面干扰少，很受用户欢迎。
现有薄膜热电偶的使用温度达11OO℃，用于喷气发动机叶片及汽轮机叶轮的表面温度测量。
新型薄膜热电偶（R型）的使用温度可达1500℃，寿命为50h，可用于升温速率极高的场合（2500℃/s）。
高速响应的薄膜热电阻的响应时间只有0.03s。
（4）传感变送一体化
近年来，热电偶、热电阻引人注目的发展是：
将温度传感器与变送器结合，并将变送器高度集成化，装在接线盒内构成一体。
将测得的信号毫伏值转换成4～20mA的标准信号，送到控制室，不仅节约了补偿导线的费用，而且还可克服远距离传送的不可靠性。
目前，一体化温度变送器已经系列化，规格齐全，既有热电偶型变送器，又有热电阻型变送器，既有温度变送器，又有毫伏变送器及温差变送器。
b.新型热电偶
（1）铠装热电偶的整体设计
整体设计的铠装热电偶，应预先考虑热电偶材料与保护管的化学与物理相容性，以求达到良好的稳定性。
这种整体设计的新概念在我国尚未引起注意。
如果忽视了外套管材质的影响，将会引起较大误差。
例如，对于N型铠装热电偶，如用N型热电偶的正极作铠装保护管材料，可长期用于1200℃，其变化小于2℃。
由此可见整体设计的必要性。
（2）镍铬硅-镍硅热电偶（分度号为N）
N型热电偶是一种新型镍基合金测温材料在30～1500K的整个温度范围内，有可能全面取代所有廉金属热电偶及部分替代s型热电偶。
国内已生产出各种规格的N型热电偶，用于工业生产，取得一定效果。
但是，推广应用却很困难。
因为更换N型热电偶的同时，必须更换显示仪表与补偿导线；需要一定的设备投资。
如在新建厂或设备更新时采用N型热电偶，效益会更好。
（3）抗氧化钨铼热电偶
钨铼热电偶是50年代发展起来的最杰出的难熔金属热电偶，已成功地用于航空、航天、核能等尖端科技领域以及工业生产部门。
呈现出日益广阔的应用前景。
国产钨铼热电偶在实现统一分度的基础上，1988年公布了国家专业技术标准（ZBN05003-88）给出钨铼3/25、钨铼5/26的分度表与允差，均与美国标准相同，而且产品质量经国外仪表厂检定，其精度已达到美国（HOSKIN公司）同类产品水平。
专业标准的建立，促进了钨铼热电偶的发展。
尤其是抗氧化钨铼热电偶，每年至少有几千支用于工业生产，替代价格昂贵的铼铑热电偶。
国产消耗型钨铼热电偶每年用量在500万支以上在世界上处于领先地位。
已有国产实体型抗氧化钨铼热电偶，经冶炼厂多年现场使用，证明具有成本低、性能稳定、使用寿命长等特点。
在世界著名的石油公司的硫磺回收装置中，其它热电偶只能使用一个月，但采用日本山里公司的抗氧化还原的钨铼热电偶，使用寿命可达两年。
目前，日本等国正在开展消耗型光纤辐射温度计的研究，这一新动向已引起同行专家的注目。
它的基本原理是，将光纤的端部插入被测对象（如金属熔体）中，由端部将人射的辐射光通过光纤传输到辐射温度计进行测量。
目前已在连铸中间包、连续炼铜炉内进行工业试验。
1.3热电偶在温度测量中的应用及存在问题
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器。
热电偶的测温原理是基于塞贝克热电效应。
将两种不同的导体或半导体连接成如图1的闭合回路，如果两个节点的温度不同（t>t0），则在该回路内就会产生热电势。
产生的热电势由温差电势和接触电势两部分组成。
温差电势是在同一导体材料的两端引起温度不同而产生的一种热电势。
接触电势是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。
K型热电偶作为一种主要的测温元件,具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。
但是如将它应用在基于单片机的数据检测系统时,却存在着以下几方面的问题[2]。
a.非线性:
热电偶传感器的输出电压与被测温度之间的特性曲线呈非线性,因此在应用时必须进行线性化处理。
常采用软件查表法或计算法。
计算法是通过分析热电偶的分度曲线和分度表,然后采用简单的、能够满足具体精度要求的分段线性公式代替分度表,然后由程序计算结果。
所谓查表法则是把热电偶的分度表存放在内存中,然后用程序进行查表。
b.冷补偿:
热电偶输出的热电势为冷端保持为0℃时与测量端的电势差值,而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的,当用热电偶测量温度时,热电偶在测量端的电压值会被抵消了一部分,这必然会影响温度变送器的精度,所以必须采取技术措施补偿冷端温度变化对热电偶测量的影响。
c.数字化输出:
与单片机系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口,而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求。
因此,若将热电偶应用于单片机系统时,须进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性化、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计[3]。
1.4热电偶冷端温度的处理方法[4，5]
各种热电偶的分度表均是在参考端即冷端温度为0℃的条件下，得到的热电势与温度之间的关系。
因此要求热电偶测温时，冷端温度必须保持在0℃，否则将会产生误差。
但在工业上使用时，要使冷锻温度保持在0℃是比较困难的，所以，要根据不同的使用条件及要求的测量精度，对热电偶冷端温度采用一些不同的处理方法。
常用的方法有：
（1）补偿导线法
由于热电偶接线盒与监测点之间的长度有限，一般为150mm左右（除铠装热电偶以外），这样热电偶的冷端距离被测对象较近，冷端会受到被测对象温度及环境温度影响，使其温度发生变化。
如果把热电极做得很长，使冷端延伸到温度恒定的地方，一方面对于贵重金属热电偶很不经济，另一方面热电极线路不便于敷设且易受干扰影响，显示是不可行的。
解决这一问题的方法是使用补偿导线。
补偿导线是由两种不同性质的廉价金属材料制成的，在一定温度范围内（0-100°c）与所配接的热电偶具有相同的热电特性的特殊导线。
补偿导线分为延伸型（x）补偿导线和补偿型（c）补偿导线。
延伸型补偿导线选用.的金属材料与热电极材料相同；补偿型补偿导线所选金属材料与热电极材料不同。
必须指出，补偿导线本身不能消除新冷端温度变化对回路热电势的影响，应使新冷端温度恒定。
（2）冰点法
冰点法是将补偿导线末端放入冰水混合物或零度恒温器中,这样,热电偶冷端的温度就是0℃,可直接测出热端温度。
该方法原理简单,测量误差小,一般情况下误差可忽略不计,但冰水混合物制作、维护麻烦,而零度恒温器容量又小,所以,这种方法多用于实验室。
（3）热电势修正法
该方法是基于中间温度定律。
通过估计或实测冷端温度T0,从分度表中查得EAB（T0,0）,将此值与测量值EAB（T,T0）相加,即得EAB（T,0）,再反查分度表即可求出热端温度T。
此法测量精确但工作繁琐,冷端温度变化频率较高时,测量效率难以保证实时性要求,故少用于工业现场,可应用于实验室测温或对带冷端补偿的二次表进行校验等。
（4）电桥补偿法
电桥补偿法是现场最常用的冷端补偿法之一,它是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度T0的变化对输出电势的影响。
在补偿导线末端放置一个电阻温度传感器Rt,通过选择合适的补偿电桥参数,使电桥输出电压的大小正好补偿因冷端温度T0而引起的热电势EAB（T0,0）,这样就得到EAB（T,0）,从而消除了冷端温度对测量结果的影响,实现了冷端补偿。
这种方法结构简单、使用方便、硬件投资少,但因热电偶是非线性的,而补偿电桥则是线性的,因而难以实现完全补偿,常出现欠补偿或过补偿现象,另外,还存在与分度号匹配问题,补偿电桥与热电偶的分度号必须是一一对应的,通用性差。
（5）二极管补偿法
由PN结理论可知,在室温附近,当流经PN结的电流恒定时,PN结温度每升高1℃,其正向电压将减小2～215mV（具体数值由PN结参数确定）,据此特性,可设计相应热电偶冷端温度补偿电路。
这种方法结构简单、使用方便,补偿精度可达0.01℃,补偿范围为-25℃～80℃。
（6）集成温度传感器补偿法
这种方法是利用高性能半导体温度传感器实现测温和补偿的,其原理是由集成温度传感器测得冷端温度,再与热电偶所测温差叠加而得到热端温度。
该补偿法方法简单、精度高、线性好。
目前,可用器件有电流输出型器件AD590和电压输出型器件LM135、LM235、LM335等,其中AD590应用广泛,其输出电流与绝对温度成正比,如将AD590的输出电流通过1k电阻,即可获得1mV/K的输出电压,信号处理方便。
（7）软件补偿法
在智能温度测控系统中,常用软件方法实现冷端温度补偿,如图4所示,热电偶和冷端温度传感器的输出信号分别被调理成0～5V的电压,并经多路模拟开关和A/D转换后,再由单片机内程序进行冷端补偿处理,这样可将温度的检测精度大大提高,而且,对于不同分度号的热电偶,只要改变机内数据转换表即可,系统的适应性大大增强,使用方便。
1.5热电偶温度信号的线性化
在理想的情况下热电偶的热电势才是被测温度的单值函数。
实际上，热电偶温度信号非性是比较大的，温度从0℃升高到1800℃，热电势从0mv变化到13.585mv，每100℃热电势增加最大值约为最小值的8倍。
热电偶温度信号的线性化主要有如下几种方法[6]。
（1）单反馈法。
利用负反馈，可以改善其线性，但是很有限。
几种非线性稍小的热电偶，在温区要求不宽的情况下，可以采用这种方法。
有时，由于在某一温区有精度
要求，那么就在该温区对信号进行调理，达到要求的目标；在没有精度要求温区可以放宽，只作监视用。
（2）折线近似法。
这是一种对非线性较大信号处理的较好方法，处理得好可以达到较高的精度。
它普遍适用于各种热电偶的整个正信号温区。
2系统硬件设计
2.1硬件电路构成
硬件电路由县好处理单元、AD转换电路、放大电路、显示电路、串行输出电路、电源电路组成。
系统组成框图如下图2-1所示：
图2-1硬件组成原理方框图
2.2微型计算机的选择
本系统选用单片机AT89C51为主机。
AT89C51是ATMEL公司生产的低电压，高性能COMS8位单片机，有4K的FLASH工艺的程序存储器,256字节的数
据存储器以及32个I/O口。
利用89C51串行输出工作方式，使89C51的利用率大大提高，外部电路得以简化。
89C51可直接与键盘进行扫描读数，可直接用串/并行转换模块74LS164驱动LED显示温度值。
AT89C51的引脚与8031相同，不需要扩展即能满足要求[7，8]。
其主要功能特性有[9]：
1）与MCS-51产品指令系统兼容
2）片内有4K字节可重擦写Flash闪速存储器
3）寿命：
1000写/擦循环
4）存储数据保存时间为10年
5）宽工作电压范围：
Vcc可为2.7V～6V
6）全静态工作：
可从0Hz至24MHz
7）程序存储器具有3级加密保护
8）128×8字节内部RAM
9）32个可编程I/O口线
10）2个16位定时器/计数器
11）6个中断源
12）可编程串行UART通道
13）低功耗空闲和掉电模式
14）片内振荡器和时钟电路
2.3热电偶的选择
热电偶是测量传感器,。
热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽（通常从-50～+1600℃）及反应快速的优点。
对它的选择将直接影响检测误差大小。
目前多选用K型（镍铬—镍硅）或S型（铂铑—铂）热电偶。
两者相比,K型有较好的温度—热电势的线性度,但它不适宜于长时间在高温区使用；S型有高的精度,但温度—热电势的线性度较差。
使用热电偶传感器应注意采取冷端补偿。
即当热电偶冷端温度不为0℃时,热电偶的输出电势将偏离冷端温度为0℃时的数值,为了提高测温精度,需要采取冷端补偿措施，如图2-2所示。
本设计采用K型热电偶——镍络-镍硅，其特点是使用温度范围宽,线性度较好,热电势与温度关系近似线性,热电势较大,灵敏度较高,稳定性和复现性较好,抗氧化性强,价格便宜，短期使用温度为1300℃,长期使用温度为1000℃，测温范围为-270～+1327℃[10，11]。
2.4测量原理及电路图
由图2-3可知,设S1、S2、St、S3分别为U01、U02、Et、+U03、U03的采样值,K1（t）为采样U01时,IC1、IC2、IC3、U3和AD574组成的放大转换通道的等效转换系数,K2（t）为采样U02、Et、+U03、U03时,IC1、IC4、IC5、U3和AD574组成的放大转换通道的等效转换系数。
设热电偶冷端温度为0℃,热电偶的热电势为Et。
当多路模拟开关U1和U2的IN0导通,U3通道IN0导通时，有:
（1）
（2）
在使用环境温度050℃内,AD590M输出电流的最大值为323.2μA,AD574采用10V输入方式,电路中K1（t）=10V/（323.2μA·1kΩ）=30.94μV/μV,可见由IC1、IC2、IC3、U3和AD574组成的放大转换通道的等效转换系数倍数不高,且IC1、IC2采用斩波稳零型运放ICL7650,IC3采用OP07,因此可以获得稳定的性能,忽略K1（t）温度漂移等因素的影响。
由此可
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