基于测温线的温度测量系统 定稿陆琪.docx
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基于测温线的温度测量系统定稿陆琪
毕业论文（设计）
题目基于单片机和K型热电偶的温度测量系统
学生姓名陆琪
学号20102305048
院系电子工程系
专业电子信息工程
指导教师徐伟
二ＯＯ一四年五月十五日
目录
1引言5
1.1研究目的与意义5
1.2研究发展与现状5
1.2.1发展状况5
1.2.2国内外研究7
1.3本课题的研究内容7
1.3.1设计原理7
1.3.2设计要求8
2方案对比与论证8
2.1方案选择8
2.2方案系统框图8
3系统电路硬件设计9
3.1电源指示电路9
3.2温度传感器电路10
3.2.1热电偶的选择10
3.2.2数字转换器MAX667511
3.2.3温度传感器电路的设计13
3.3单片机最小系统电路14
3.3.1单片机的选择14
3.3.2单片机主控制电路的设计16
3.4MAX3232串口电路18
3.4.1MAX232芯片18
3.4.2MAX3232芯片19
3.4.3MAX3232串口电路的设计19
3.5LCD液晶显示电路20
3.5.1液晶显示技术20
3.5.21602LCD液晶显示模块21
3.5.3LCD液晶显示电路的设计22
4系统软件设计23
4.1软件介绍23
4.2主程序24
4.3温度读取、控制、转换程序26
4.4LCD液晶显示子程序29
5系统性能测试34
参考文献35
基于单片机和K型热电偶的温度测量系统
陆琪
南京信息工程大学滨江学院电子信息工程专业，南京210044
摘要：
目前接触式测温中应用最广的热电式传感器是热电偶传感器，在工业测温中占有不可取代的地位。
本文选用K型热电偶设计了一个测温系统。
系统由温度采集模块、主控制模块、下载模块和LCD液晶显示模块组成，以AT89S52单片机为主控制器，由K型镍铬-镍硅热电偶测量工作端温度T，测量范围在0~1200℃之间，分辨率为0.25℃。
采用MAX6675测量冷端温度T0，并对测温热电偶的热电势及测得的补偿电势进行采样，存放在单片机内存单元中，经程序解算后得到温度值，通过LCD液晶显示。
该系统对温度测量具有较高的精度，测量范围广，系统轻便，在工业测温中具有一定的应用价值。
关键词：
K型热电偶；单片机AT89S52；MAX6675；工业测温
1引言
1.1研究目的与意义
物体的冷热水平可以通过温度来衡量，从分子水平看，又可以表示物体分子运动状态，温度越高，分子运动越猛烈。
物体温度改变后显示出的一些特点只可以由温度间接测量。
最基本的环境方法——温度，对周边环境会产生重要影响、和人们的衣食住行、农业生产等方面密不可分。
温度的测量在工业、农业生产中必不可少，在工业生产中甚至需要时刻观察温度的变化。
所以通过对温度的测量和测温设备的研究具有非比寻常的意义。
在社会生产力的不断提高下，对温度测量系统收集的温度数据方法要求越来越高，已经渗透到社会方方面面。
温度的测量主要应用于工业、农业这两大领域。
在这两大领域中，无论是机械的正常运转还是农作物的蓬勃生长，都离不开温度的测量。
在工业生产中，由于生产环境的限制，员工不可长时间停留观察设备运行正常或因为其他原因不能在现场。
这是找到最佳的方式收集数据的迫切需要，将数据发送到一个比较好操作的控制室，便于工作人员对数据的分析与处理；在农业生产上，对温室大棚的温度监测，以前都是选择分区取样的人工处理方式，工作辛苦，精确度不高。
而且在实际操作中，因为大棚的诸多环境限制因素，例如占地面积广、测量点分散而且数目多，所以这种测量方式已经被淘汰。
当前的科技水平下，为了取得更大的效益促使我们必须找到一种精确、简便易行的温度采集测量方法。
在科学技术的不断发展下，现代社会对各种参数：
准确度和精密度的要求有一个几何增长。
在以此基础上，如何快速、准确获取这些参数需要依靠现代信息的发展水平。
传感器技术、通信技术、计算机结构技术并称当代三大信息采集技术，而这之中传感器技术遥遥领先其他两种技术，特别是传感器技术中对于温度的测量。
所以研究温度的收集方式和设备这一课题是相关领域国内外研究者的重要课题之一。
对于本课题而言，基于测温线的温度测量系统可以较为简洁方便的测量出温度。
1.2研究发展与现状
1.2.1发展状况
从人类对温度有了认识之后，许多科学家一直致力于研究温度的测量方法。
广义上说，温度的测量主要方式分为两种：
接触式测温以及非接触式测温。
通过需要测温的物体和测温设备之间的直接接触，以热交换的方式，最终可以达到热平衡的，这样的方式称为接触式测温。
显然这种最原始的接触测温方法可以最简单的测出温度，但是这样的误差比较大，只能用于一般生活中简单的温度测量。
如果是在高温或者腐蚀环境下测温，这种特殊环境会对测温元器件产生不利影响。
然而另一种测温方法——非接触式测温可以避免这一问题。
用这种方法制成的测温计可以用于农业中土壤的测温、工业中高温运转的机械等领域。
随着工业进程的不断发展，温度检测技术也随之日益成熟。
当前使用的温度测量方式五花八门，使用局限性也越来越小，应用十分宽泛。
大致有下列几种办法可以检测：
一、利用热胀冷缩原理
热膨胀和冷收缩制成的温度计是生活中最常用的，如：
汞，压力，双金属温度计等。
这类温度计常被用于测量一些温度范围较小的中低温度，被广泛适用于一般医疗体温测量、农业温度监测、纺织食品制造等。
二、利用热电效应技术
热电偶所具备的热电效应是这类测温元件的核心技术。
在早期发展过程中，热电偶发展不断完善，发展已相对成熟，是到目前为止最广泛使用的组件。
因为采用接触式测温的方法，不会因为中间介质而影响过程，精确度相对而言比较高。
其次一般而言，热电偶可连续测量从零下50℃到600℃的温度范围，某些特殊热电偶测量的温度可以很高，例如金铁镍铬热电偶极限检测最低温度可以接近绝对零度，达到零下269℃；例如钨、铼热电偶极限最高温度达到2800℃。
同时构造简单，使用方便。
热电偶一般可以是两种不同的金属丝构成，并且没有大小和开头的约束，外面还有一层套管起到保护作用，操作方便，简单易懂。
三、利用热阻效应技术
随着温度的升高，导体或半导体的阻值会相应减小或增大。
根据这一特性热阻效应技术可以测量出温度及与温度相关的数据，例如电压、电流等。
依据电阻根据温度变化的性质原理，电阻阻值的大小可以用专用测量仪表测出，从而间接测出温度的大小。
热电阻大多数的原材料是纯金属，材料中最常见的是使用铂和铜来制造热电偶。
现在开始逐步采用新型材料制造热电阻，例如镍、锰和铑等。
四、利用热辐射原理
热辐射原理主要由四部分组成：
斯蒂藩定律、黑体辐射分布定律、维恩位移定律、基尔霍夫辐射定律。
同时在向外辐射的物体，也能从其他对象那里吸收辐射能。
物体辐射或吸收的能量与它的温度等因素有关。
然而，在热平衡的条件下，辐射体的光谱辐射出射度、光谱吸收率仅仅是一个关于辐射波长和温度的函数关系，与辐射体本身的物理性质没有任何关联。
因此，根据热辐射测温原理来测量温度，分为单色辐射高温计，总辐射高温计。
五、利用声学原理
声学检测、传感器技术的结合是一门新兴的学科，是一个全新的领域。
这个领域包含了声学原理、信息处理、电子信息技术等，这些部分息息相关、密切结合，在温度检测领域中属于后起之秀，并迅速崛起。
基本原则是声学测温的声传感器的声传播时间与测量的温度相乘重建最小二乘法原理。
目前，该技术可用于测量高温炉和储粮霉变，虫害发生情况与水分异常变化，这些变化将直接反映在粮温变化。
六、利用红外测温技术
物体的温度只要是在高于零下273.15℃，是由于分子的运动和向外辐射的红外线。
把辐射物体功率信号输入捕捉器，输出电信号，然后依据输出电信号与被测物表面温度的空间分布关系，在显示仪器上就可以得到一张相对应的热像图。
利用这一原理，可以红外测温仪对测温物体进行远距离测温成像。
这一技术更多的用于对野生动物的观测分析。
将红外测温仪进行伪装，安装在野生动物的栖息地附近，根据测温数据分析判断野生动物的生活习性。
近年来，在技术开发和温度检测中的应用领域，各种新的检测原理和技术，已经取得了重大进展。
一种新的温度检测元件正在悄然新兴，并在市场的发展中更新换代，自我完善。
1.2.2国内外研究
目前，对研究对象的温度检测，温度范围有了较大的发展。
在现有工业通用的温度检测限度基础上，今后对于温度的测量极限将会向超高温和超低温发展，不断扩大现有的测温范围：
零下200℃~3000℃。
特别是超低温度检测液化气是越来越迫切。
同时在温度检测对象上从以往单一的点测温发展到线、面的全多方位、立体化的测量。
应用范围也已经延伸到环境监测、生态保护、汽车制造及宇宙航天等领域。
在许多特殊场合中，对温度检测器有特殊要求，如抗压、防爆破、防腐蚀等；又如野生动物的观察分析、户外野战测温、炉膛火焰温度检测等。
国内外许多温度仪表制造商将向数字化，智能化，集成，应用开发。
不仅新产品具有检测功能，而且具有判决及命令等功能，采用微电脑朝着智能化的方向发展，为机电一体化的发展方向，加强新技术，开发新材料。
同时，保持经典温度传感器的生产，大量和广泛的继承传统检测技术中的优势，如原来的传统生产：
热电偶，热电阻，热敏电阻等。
1.3本课题的研究内容
1.3.1设计原理
本课题主要是基于测温线的温度测量系统，该测温系统主要是四部分模块构成：
温度测量采集模块、单片机控制模块、串口下载模块和LCD温度显示模块。
本研究课题主要对温度检测中的应用，对被测物体温度的测量是热电技术的主要应用层面。
制作出的温度测量系统测量的温度范围可以从零下100℃至200℃，最大允许误差为0.1℃。
该测量系统可以满足于一般的工业生产和农业生产需求，具有精确度高、结构简单、实用性强、操作简单等特点。
热电偶是具备热电效应技术的同类型中的最佳元器件。
在早期发展过程中，热电偶发展不断完善，发展已相对成熟，是到目前为止最广泛使用的组件。
热电偶制作简单、结构明了、温度范围宽、精度比较高、热惯性小，因此它成为测温元件中使用的首选。
1.3.2设计要求
1、分析K型测温线的温度和输出电信号的关系，测量电信号，根据关系计算温度；
2、测量温度范围为零下100~200℃，最大允许误差为0.1℃。
3、根据测温线输出电信号范围，选择合适的信号调理电路，以单片机为主控制器，采用LCD显示温度值。
2方案对比与论证
2.1方案选择
方案一：
温度采集模块的设计中，温度传感装置可以使用热敏电阻之类的组件，温度传感装置测量的温度可以根据在测量温度时的电压或电流变化中收集有关数据，经过信号调节电路、A/D转换电路的处理，将数据传送到主控制器处理，最后在液晶模块显示出温度，温度的检测可以通过以上的流程测出。
然而，这样的设计需要用放大电路，A/D转换电路，温度检测电路，在生产工程设计过程中，花费太多，给调试带来太多的麻烦。
方案二：
本方案采用的温度采集模块中，主要选用K型热电偶以及数字转换器MAX6675完成。
通过对温度的采集，将数据发送到数据处理的单片机AT89S52，通过串口下载，并在液晶LCD1602显示实时温度。
在这个方案过程中，主要运用到了K型热电偶以及数字转换器MAX6675作为温度采集模块的主要组成。
K型热电偶测量范围宽，价格便宜，性能稳定，被广泛适用于工业温度测量中。
关键的是K型热电偶转换器MAX6675，它具有冷端温度补偿的功能，并将模拟信号转换成数字信号。
最大的好处是，MAX6675具有热电偶冷端补偿，放大器，模数转换器，串行端口等功能。
从以上两种方案而言，显而易见方案二的设计思路更为实用、简便，在设计过程中可以最大程度地发挥各类元器件的作用，使得元器件之间很好配合，使得电路设计最优化。
2.2方案系统框图
根据方案二的设计思路，画出方案系统框图，如图2.1所示：
图2.1系统框图
3系统电路硬件设计
3.1电源指示电路
本课题采取5V直流电源供电，使得单片机的工作电压最低不得低于4.5V，最高不高于5.5V。
在电源指示电路中，考虑可操作性以及经济原因，采用干电池串连的方法5V电源供电。
电源指示电路如图3.1所示：
图3.1电源指示电路
P1元器件即为5V供电电源。
在电路中，C2为极性电容，可以起到稳压的作用；C3为非极性电容，起到滤波的作用，可以滤除输出电路中的交流部分；电阻R2的阻值为1K，在电路中主要起到限流保护电路的作用，以免瞬间电流过大烧坏元器件；D1是发光二极管，可以检测电源指示电路供电是否正常时，如果正常二极管则通电发光。
3.2温度传感器电路
3.2.1热电偶的选择
热电偶利用接触式测温的方式收集温度，可以将采集到的温度数据信号变为电压信号，以二次仪表的形式再变为被测物体的温度。
组成闭合回路的条件把两种不同原料的金属导体或半导体连接起来。
如果闭合回路两端的温度不同，于是产生一个温差电动势。
这个矢量电动势只和两端的原料的质地和温度有关，而与材料的粗细长短无关，这种现象称为热电效应（塞贝克效应）。
热电偶的应用是在塞贝克效应影响中工作。
在金属两端中，一个直接用于测量温度的端口称为测量工作端，反之则称为温度补偿冷端。
使用过程中，把冷端和显示仪器联接，便可以在显示仪器上读出测温时的温差电动势。
1823年，塞贝克发现了热电效应现象，它是因为热电偶两端的温度差引起的温差电动势的一种现象。
在两种金属A和B环中，如果不同温度的两个接触点，电路中所产生的电流，称为热电流。
对应产生的电动势称为热电势，矢量方向与温度梯度的方向一致。
从负极流向正极的方向上，是热电势的一般规律流向，在热端电流。
塞贝克效应的本质是当两种不同的金属接触时发生的接触电位差，这种不同的电子浓度的电位差依赖于两种不同的金属电子溢出所造成的溢出功。
当工作端和冷端A、B固定之后，由于两头使用的原材料有差别，所以工作端温度T和冷端温度T0可以用温差电动势EAB（T，T0）的函数关系式表示，即：
EAB（T，T0）=E（T）—E（T0）①
显然这个式子表明，工作端的温度电动势和冷端的温度电动势的差就是温差电动势。
如果保持冷端的温度一定，即T0保持不变，那么冷端的电动势就是常量，用C表示，则温差电动势又可以表示称为关于工作端温度T的函数：
EAB（T，T0）=E（T）—C=Φ（T）②
热电偶测温的基本公式就是②式的函数表达关系，可以表明，温差电动势跟工作端温度T有一个明显的比例关系。
目前热电偶有两个大类：
标准，非标准。
从上世纪80年代末开始，中国制造的热电偶和热电阻指定IEC国际标准中的七种标准（包括S、B、E、K、R、J、T七种）为模型统一设计生产热电偶。
由于产生的热电势与两端的温度差有关，必须先固定一方的温度才能确立出测量端温度与电动势两者之间的关系。
目前规定冷端在0℃时给出测量温度与电动势的数值对照表，称为分度表。
由于在实际测量中，很难保持冷端的温度在0℃，所以需要设计到冷端补偿的问题。
冷端补偿常用凝固浴法，冻结点校正方法计算，修正系数法，零偏移方法解决。
凝固浴法计算公式：
EAB（T,T0）=EAB（T,TH）+EAB（TH,T0）；（TH为冷端实际温度）
常用的热电偶有以下几种见表3.1
分度号
正极
负极
测温范围
K
镍铬
镍硅
0~1200℃
E
镍铬
康铜
-200℃~900℃
S
铂铑10
纯白金
0~1600℃
B
铂铑30
铂铑6
0~1800℃
T
铜
康铜
-200℃~400℃
R
铂铑13
纯白金
0~1600℃
J
铁
康铜
-40℃~750℃
表3.1
K型热电偶测量范围广，价格低廉，广泛应用于工业温度测量。
在氧化和中性的气体环境中，可按K型热电偶偶丝直径不同测量不同的温度范围。
但是在还原气氛中，需要加密封保护管。
K型热电偶的精度分成两个等级，其允许误差见表3.2
等级
使用温度范围（℃）
允许误差
0~400
±1.6℃
400~1100
±0.4%t
0~400
±3℃
400~1300
±0.75t
表3.2
本课题从热电偶的性能、实用性、可操作性等方面综合考虑，选择K型热电偶作为温度测量模块的组成部分。
这种热电偶是当前使用量最大、价格最低廉价的金属热电偶，每年的消耗量是其他所用热电偶消耗量的总和。
K型热电偶的正、负两极（镍铬合金）分别含10%的铬，含3%的硅。
这种热电偶可以测量介质从0～1300℃的温度范围，无论是在氧化性还是惰性气体中都可以持续利用，短时间内使用的温度阈值可以高达为1200℃左右，如果是长时间使用温度阈值建议维持1000℃左右，不要超过。
3.2.2数字转换器MAX6675
MAX6675是具有冷端温度补偿功能的K型热电偶模数转换器，自带冷端温度补偿的功能，还能把输入热电偶的信号输出数字信号。
输出的数据是12位分辨率的兼容型只读格式。
这款MAX6675数字转换器集中了多个优点，例如冷端补偿、信号放大、模数转换、串行端口。
K型热电偶由于其特点、性能优异在工业测温场合被广泛使用。
但是，它经常要求冷端补偿，而且电路的调试过程中太繁琐，比较麻烦。
在调试过程中，凝固浴法，计算方法，修正系数法，零偏移方法会有一定的误差，给调试带来太多的麻烦。
MAX6675的诞生无疑解决了这一问题。
组件的非线性输出参数，为激光加工校正热电偶带来了可能，同时在芯片的内部有多种现有电路，比如冷端补偿电路、校正电路、检测电路，这些本身固有的电路在K型热电偶使用过程中发挥了巨大的用处，使用更加容易。
被广泛应用于汽车电子、电子设备等领域。
MAX6675内部冷端补偿电路的集成类似一个温度传感器，使冷端的热电偶值感应周边的环境温度变化，然后通过冷端补偿环境温度的变化，同时进行检测和校正。
要使得MAX6675获得最精确的温度，热电偶的冷端温度要和芯片的温度相等。
因此在实际测温应用中，应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件，这样会造成冷端误差。
这就需要热电偶的输入负极T-的电压为零，且尽量接近MAX6675的引脚地；由于检测仪本身测得冷端温度，所以在印刷电路板的设计，为了提高测量精度，最大限度加粗地线。
MAX6675作为一种特殊的芯片，温度测量可以转换为12位数字温度，0.25℃温度分辨率，可以读取温度高达1024℃，在较小的温度范围内，例如0℃至+700℃，精度可以达到8LSB，功耗低、阻抗高成为了它的新特征。
SO-8脚的封装芯片中，建议使用+5V的直流电源，持续工作时耗能低于47.1mW，电流只有50mA，小体积，负散热装置的使用条件使得这种芯片成为首选，如图3.2的引脚排列图所示：
图3.2MAX6675引脚排列图
MAX6675引脚功能：
1脚（GND）：
接地端
2脚（T-）：
负极
3脚（T+）：
正极
4脚（VCC）：
电源正极
5脚（SCK）：
时钟输入
6脚（CS）：
片选端，输入低电平时，联通串行接口
7脚（SO）：
数据输出
8脚（N.C.）：
空引脚
3.2.3温度传感器电路的设计
MAX6675是单片K型热电偶模数A/D转换器，可以输出数字信号。
芯片内部含有信号调节、12位A/D热电偶转换、冷端补偿传感（同时可以修正冷端温度补偿、进行数控）、串口兼容和有关逻辑控制等功能， 可以使用C汇编程序完成。
MAX6675输出16位数字信号，各项表示为：
D0表现出三态特征；D1是芯片标识符；D2可以检测热电偶是不是有断线情况，如果是高电平表明断线；D34～D1相当于芯片模拟输入电压数字变换量，当中的D15最为特殊，一直无效且为零。
芯片内部含有的信号调节器可以将热电偶的电信号转为与输入通道兼容的电压信号，K型热电偶的正、负极输入端连接到低噪声放大器，可以确保输入数据的精确度。
在这过程中，连接导线需要与干扰源隔离。
之后，再进入电压跟随器进行冷端补偿。
最后得到的冷端温度就是传感器周围温度与参考温度之间的差值。
如下图3.3所示芯片内部结构图：
图3.3MAX6675内部结构图
当数据输出引脚从高电平变为低电平，芯片停止工作。
在时钟信号的催动下，输出引脚输出放大了的模数A/D信号与冷端补偿数据的总和。
如果第一字节D15在输出引脚上，那么进行完整的数据读写是在时钟输入下降沿完成，需要16个周期。
反之，芯片开始工作转换数据。
图3.4温度传感器电路如图所示，从K型热电偶处采集温度，T-和T+分别与K型热电偶的冷端和工作端相连接。
把数字信号进行处理，采集到的温度通过转换公式变为电信号，再通过SPI串口连接单片机控制通过LCD显示温度
图3.4温度传感器电路
3.3单片机最小系统电路
3.3.1单片机的选择
Atmel公司生产的在线可编程微型计算机——AT89S52单片机，使用者应用相应的编程软件对Flash存储器中的代码进行读写的操作。
它与AT89S52单片机引脚完全兼容。
AT89S52是一款CMOS 23位微控制计算机，芯片内的可以反复擦写编程，只有23K大小的Flash 只读程序存储器，使其具备了耗能低、性能高的优点。
23位灵巧的中央处理器以及应用Flash编程的特点是Atmel公司利用当前先进的存储器技术制造的，同时它的功能口令和引脚用途完全兼容C51系列的单片机。
可编程芯片，也可以适用于一般性的编程器。
AT89S52单片机具有以下特点：
1、兼容C系列单片机产品；
2、8K字节的具有ISP功能的Flash存储器；
3、1000次反复擦写程序，具有256×8位的内部RAM；
4、工作频率：
0Hz~33MHz，工作电压：
4~5.5V；
5、三级编程加密保护程序；
6、32个可编程I/O端口总线；
7、三个16位定时器或计数器；
8、8个中断源；
9、全双工异步通道；
10、低功耗空闲掉电端口；
11、中断唤醒模式；
12、看门狗定时；
13、双数据指针模式；
14、掉电标识符识别。
AT89S52单片机引脚功能如下：
1）P0口
P0是一个8位双向I/O端口，可用于输入/输出口。
真正操作过程中，低8位的地址总线与数据总线可以分别使用P0作为地址/数据总线端口。
2）P1口
P1口有8个准双向口的上拉电阻，P1口能驱动四个TTL电平。
此外，P1.0作为外部数据输入端，P1.1作为触发输入端。
P1口的特殊功能：
P1.0：
T2（外部数据输入定时器/计数器），输出时钟数据
P1.1：
T2EX（捕捉或者重载触发信号以及对方向的控制）
P1.5：
MOSI（ISP系统编程）
P1.6：
MISO（ISP系统编程）
P1.7：
SCK（ISP系统编程）
3）P2口
P2口功能类似P1口，是8为双向口，P2口可以驱动四个TTL电平。
P2口可以作为一个通用I/O端口，外部I/O设备。
也可以作为拓展系统时的地址总线口（输出高8位地址）使用对外寻找16地址寻址（例如执行MOVX@DPTR），这些控制信号由转换开关来实现。
4）P3口
P3是一个有8个上拉电阻的、双向双功能I/O端口。
P3口能够启动四个TTL电平。
P3口也可以当作AT89S52的端口使用。
此时，相应位的锁存器必须为高电平状态。
P3口的特殊功能：
P3.0：
RXD（数据输入）
P3.1：
TXD（数据输出）
P3.2：
INTO为外部中断低电平输入端口
P3.3：
INT1为外部中断高电平输入端口
P3.4：
TO为定时/计数器的低电平输入端口
P3.5：
T1为定时/计数器的高电平输入端口
P3.6：
WR
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