热电偶炉温检测系统设计方案.docx

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热电偶炉温检测系统设计方案

成绩

课程设计说明书（论文）

题目基于热电偶的炉温检测系统设计

课程名称检测技术课程设计

院系

专业

班级

学生姓名

学号

设计地点

指导教师

课程设计任务书

课程名称检测技术与系统课程设计

院（系、部、中心）

专业

班级

姓名

起止日期

指导教师

1．课程设计应达到的目的

通过对本课程的设计，使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术，了解国内外对这些工程量进行测控的系统组建原理，通过对检测系统的设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系统的方法和技术。

2．课程设计题目及要求

题目:

炉温检测系统设计

要求：

（1）炉温检测范围0~500℃,测温精度±1℃；

（2）根据题意，明确被控对象的功能及性能指标；

（3）根据系统要求，选择合适的传感器；

（4）设计传感器测量电路；

（5）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；

（6）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；

（7）画出系统原理框图（此部分放在说明书的开始）；

（8）画出系统电路图，最好用PROTEL画；

（9）在说明书中详细说明本系统的设计原则。

3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕

（1）给出设计说明书一份；

（2）有条件的情况下尽量给出必要的实验数据；

（3）在说明书中附上完整的系统电路原理图（手画或用PROTEL画）。

4．主要参考文献

1、陈岭丽.检测技术和系统.北京：

清华大学出版社，2005

2、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：

机械工业出版社.2001

3、陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：

人民邮电出版社.2000

5．课程设计进度安排

起止日期

工作内容

第1天

布置设计任务，熟悉课题，查找资料；

第2天

结合测控对象，确定系统结构，选择合适的传感器，设计调理电路；

第3天

选择合适的单片机，设计其外围电路；

第4天

设计电路参数，有条件情况下，在实验室进行实验，进一步理解测量电路输入输出关系，书写课程设计报告；

第5天

设计答辩。

6．成绩考核办法

平时表现30%，设计成果40%，答辩表现30%.

教研室审查意见：

教研室主任签字：

年月日

院（系、部、中心）意见：

主管领导签字：

年月日

1引言..................................................................................................................................6

2总体设计……………......................……………………………….…………………6

3具体设计..………………………………………………………………………………7

3.1传感器选用……………………………………………………………………………7

3.2热电偶传感器与单片机的硬件接口设计………………………………..……….….7

1）热电偶温度传感器信号放大电路…………………………………………………7

2） A/D（模数）转换电路……………………………………………………………8

3）锁存器类型……………………………………………………………………10

4）烘箱温度加热电路设计………………………………………………………10

5）动态显示及键盘接口电路……………………………………………………11

6）总电路图…………………………………………………………………………12

3.3热电偶传感器与单片机的软件接口设计……………………………..…………..13

4结论………………………………………………………………………………….....16

5参考文献……………………………………………………………….………….…...16

基于热电偶的炉温检测系统设计

1.引言

温度是表征物体冷热程度的物理量,是实际生活中经常需要测试和控制的参数，它与人们的生活息息相关。

而温度传感器应用范围之广、使用数量之大，也是高居于各类传感器之首。

本文使用温度传感器设计了一个完整的测温仪系统，该系统所采用的温度传感器是热电偶。

在温度测量中，热电耦的应用极为广泛，它具有结构简单、测量范围广、精度高和惯性小等许多优点。

2.总体设计

在本设计硬件系统中所选用的A/D转换器为逐次逼近式A/D转换器ADC0809。

通过放大电路将电压信号放大、保持、再经过A/D转换电路进行模/数转换，最后输出数字量，然后送入MCS-51单片机进行处理。

另外本文还研究了MCS-51单片机控制系统在传感器测温过程中的应用，其中包括对传感器输出的小信号如何进行放大、转换、控制并直接显示成温度量，采用单片机进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性等特点，而且可以大幅度提高被控温度的精度。

本系统将温度变换、显示和控制集成于一体。

热电偶是当今温度检测的主要器件，本课题的主要出发点是使用热电偶温度传感器设计出一个完整的测温系统。

将温度变换、显示和控制集成于一体。

对烘箱温度进行实时测量。

用LED七段数码管显示测量的温度值。

本系统采用K型热电偶，其测量范围为

，显示精度为

。

图

（1）系统结构框图

3.具体设计

3.1传感器的选用

选用镍铬-镍硅热电偶（K型），该热电偶化学稳定性较高，可在氧化性介质中长时间的测量900以下的温度，短期测量可达1200；这种热电偶具有复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜，虽然精度低，但完全能满足工业测量要求。

图

（2）热电偶温度测量电路

3.2热电偶传感器与单片机的硬件接口设计

烘箱温度单片机控制系统中的烘箱温度检测电路是由温度传感器结合放大器电路、模拟数字转换电路组成，其中模拟数字转换电路是最重要的一环。

由三大部分组成：

（1）测量放大电路；

（2）A/D转换电路；（3）显示电路。

它广泛应用于工业的测温及温度控制系统中。

本次课程设计采用八位的MCS51单片机。

1） 热电偶温度传感器放大电路

本系统采用LM35D对热电偶的基准结点进行补偿的电路（同相放大电路）,传感器采用K型热电偶。

此电路把

的温度变为相应的0~5V电压。

除放大以外，还有传感器断线检测与基准点补偿电路，而线性处理由计算机进行。

热电偶的输出信号极小，每

约为

，因此，运算放大器要采用高灵敏度运放。

这里采用的是AD707J运算放大器。

图（3）热电偶的测量基准结点补偿电路

K型热电偶

（满度）的感应电动势为20.64mV，同相运算放大器增益Av

应为Av=5V/20.64mV=242（因

时输出要求为5V）。

电路中，

为

决定增益大小，用

使增益在233与253之间可调。

与C1为低通滤波器，时间常数越大，消除噪音效果越好，但响应速度变慢。

另外，

增大，运算放大器的输入偏置电流要产生偏移电压，因此，

值不能过大。

AD707J的最大输入偏置电流为2.5nA,

时，产生

的偏移电压。

基准点补偿采用温度传感器LM35D，它的每

温度相应输出电压为10mV，用电阻分压，并用电位器

调整使其a点电压为

，进行基准结点温度补偿。

是传感器断线检测电阻。

热电偶断线时，运算放大器输出就要超出范围。

然而，因接有电阻

，热电偶的内阻要产生偏移电压。

例如，热电偶内阻为

（包括

和

阻值）时，

，也要产生

偏移电压。

另外，断线时运算放大器输入偏置电流要流经

，因此，不能采用输入偏置电流较大的运算放大器。

2） A/D（模数）转换电路经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围为0～5V，此信号为模拟信号，计算机无法接受，故必须进行A/D转换。

实际电路中，选用ADC0809芯片。

ADC0809是CMOS工艺的8位逐次比较型A/D转换器。

由8选1模拟开关，8位A/D转换器及输出三态缓冲器组成，由三个地址信号ADDA、ADDB、ADDC来决定哪一路模拟信号进行A/D转换。

主要控制信号有：

1.START：

启动信号

2.ALE：

地址锁存信号

3.EOC：

转换结束信号

4.CLOCK：

时钟信号，由外部输入

5.OE：

输出允许信号

6.

和

：

A/D转换参考电压，

接+5V，

接地

7.

：

芯片电源电压，由于是CMOS芯片，允许电压范围为+5V到+15V

ADC0809有两种接口方式，一种是直接接口，另一种是通过接口芯片和单片机相连。

在直接接口方式中，可将

与地址译码信号通过或非门后启动A/D转换。

如图（3）所示。

当执行以下指令时

MOVX＠R0，A

START及ALE信号变高。

其中A中应存放模拟信号通道地址，R0中为ADC0809地址。

由于该指令为输出指令，故

信号变为低电平，同时地址线上出现0809的地址，使译码输出端为低电平，从而START及ALE信号变高，此时数据线上出现的模拟通道号锁存在0809地址锁存器中，该指令执行后，开始启动A/D转换。

当CPU执行输入指令时

MOVXA，＠R0

及地址译码信号有效，从而选中OE将该通道A/D转换结果读入累加器A中。

图（4）ADC0809与单片机的硬件接线

3）锁存器类型

74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0~Q7状态与输入端D1~D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0~D7数据锁入Q0~Q7。

51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。

在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用。

其中输入端1D~8D接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。

输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。

图（5）锁存器原理图

1D~8D为8个输入端。

1Q~8Q为8个输出端。

CP是数据锁存控制端；当CP=1时，锁存器输出端同输入端；当CP由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。

OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。

4）烘箱温度加热电路设计

本次课程设计在烘箱温度加热电路上采用光耦电路设计

图（6）单片机硬件接口电路

通过温度传感器检测电烘箱的温度，通过放大，经A/D转换传送到单片机，与单片机设定的温度相比较，如果测量的温度高于设定值，通过光敏电阻使得加热器停止、开风扇；如果测量的温度低于设定值，通过光敏电阻使得加热器工作、停风扇。

5）动态显示及键盘接口电路

（1）对键盘/显示器接口的设计应满足两个要求：

1功能技术要求；

2可靠性高。

键盘模块是用户设置系统工作温度和工作状态的输入设备，采用独立式键盘结构，K1用于系统系统运行状态和设置状态转换，K2、K3、K4分别用来设置温度的百位数、十位数、个位数。

图（7）单片机硬件电路键盘设置模块

（2）显示模块用于显示用户设置的温度值和系统当前温度。

该显示模块采用模拟串口传送。

利用74LS164进行串并转换以驱动LED数码管工作。

74LS164是一个8位移位寄存器，串行输入，并行输出，异步清零。

当

为低电平时，

均为低电平，而与CP脉冲无关。

A、B为串行数据输入端，在CP脉冲上升沿到来时，每一位的数据移至下一位。

74LS164与MSC51单片机连接的电路图如图（4）所示：

图（8）利用74LS164串行口扩展3位显示器电路

6）热电偶传感器与单片机的硬件接口设计电路

接线如下图（5）所示：

=

图（9）基于热电偶的温度控制系统结构图

3.3热电偶传感器与单片机的软件接口设计

系统的软件包括主程序、定时中断程序、温度测量转换程序、温度控制程序、键盘处理程序。

主程序、定时中断程序、温度测量转换程序、温度控制程序、键盘处理程序的流程图分别如下图所示：

4.结论

K型热电偶传感器将温度信号转换为电信号，经过A/D转换为数字信号，数字信号可以直接送到单片机进行直接处理。

通过测量的温度与设定的温度相比较，从而实现炉温的自动控制。

5.参考文献

1、陈岭丽.检测技术和系统.北京：

清华大学出版社，2005

2、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：

机械工业出版社.2001

3、陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：

人民邮电出版社.2000

4、来清民.传感器与单片机接口及实例.北京.北京航空航天大学出版社.2008

5、何希才.传感器及其应用实例.北京.机械工业出版社.2004

6、蔡菲娜.单片微型计算机原理和应用.浙江.浙江大学出版社.2008

7、胡汉才·单片机原理及系统设计·北京：

清华大学出版社，2003