电开水炉温度检测与显示.docx
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电开水炉温度检测与显示
目录
第一章热电偶测温技术
1.1热电偶工作原理
1.2热电偶材料的分类及其特性
1.3热电偶的基本定律
1.4各种热电偶的测量范围和优缺点
第二章重要元件介绍
2.1ICL工作原理
2.2ICL基本特点
2.3ICL7107各引脚
2.4ICL7107引脚功能
2.5LM324介绍
2.6LM324引脚图（管脚应用图）
2.7数码管的外形及功能介绍
2.8LED数码管的驱动方式
2.9LED数码管应用领域
第三章实验过程及数据
3.1实验过程及数据
附录
第1章热电偶测温技术
1.1热电偶的工作原理
热电偶的工作原理是：
两种不同成分的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端经过焊接、形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端。
当测量端和参比端存在温差时，就会在回路中产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势，热电偶就是利用这种原理进行温度测量的；冷端与显示仪表或配套仪表连接，仪表上显示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。
热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：
1：
热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；
2：
热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；
3：
当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。
当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应。
热电偶就是利用这一效应来工作的。
1.2热电偶材料的分类及其特性
热电偶材料的要求根据热电偶作用和原理是有要求的。
1物理化学性能稳定
在物理性能方面，例如高温不产生再结晶或是蒸发现象。
因为再结晶会引起热电势的变化蒸发除了会使热电极直径变细折断外，还会使热电极之间相互污染，致使热电势发生变化。
在化学性能方面，例如要求在测温范围内其抗氧化和抗还原性能好，不受化学腐蚀。
因为如果易受氧化或还原气氛影响则会使热电极变质，引起热电势的变化。
受氧化后的热电极还会变细、变脆、容易折断。
2测温温度范围宽
在选择作热电偶材料时，最好选熔点高、饱和蒸汽压力低的金属或合金。
这样的热电偶不仅测量温度高，而且测温范围宽。
3热电性能好
这里讲的热电性能有四方面。
一是热电势与温度关系要成简单的函数关系，最好是线性关系。
这样可使显示仪表的刻度线性化，提高精度。
二是微分电势大，提高测量灵敏度。
三是稳定性好，即是在测量范围内经长期使用后热电势不产生变化或在规定的范围内变化。
四是复现性好，即用同样成分和工艺制造的热电偶其热电势均应符合分度表的规定数值，这样便于大批量生产，利于互换。
4电阻系数要小
如果热电极的电阻温度系数太大的话，则在不同温度下热电偶本身的电阻值变化很大，这将会对某些显示仪表或变送器造成较大的附加误差。
用于低温测量的热电偶还要求有较小的导热率，以减小热导误差。
5有良好的机械加工性能
绝大多数热电偶是用金属合金制成的，要经过熔炼和机械加工等程序。
因此要求他有良好的机械加工性能。
例如铠装热电偶，它是由金属保护管、绝缘材料和热电极三者组合后经旋锻拉拨而成，其热电极最小可达0.1mm。
若没有良好的机械性能，就很难做得到。
还有一些要求反应时间快的普通热电偶，要求热电极的直径也很小；测量低温的热电偶，为了减少热传导误差也要求用较细直径的热电偶。
6价格便宜并尽量少用稀贵金属。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶中国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。
以下的表格主要描述了各种不同的热电偶分度号的属性及标准参数，比如长期稳定温度范围，短期温度范围，误差等级情况，颜色表，热端温度表现等等。
例如，一个允差范围是±0.0025×T的热电偶在1000摄氏度将有±2.5°C的误差。
热电偶各种分度号标准参数比较
常用热电偶材料
正极负极
S 铂铑合金（铑含量10%）纯铂0-1400
R铂铑合金（铑含量13%）纯铂0-1400
B铂铑合金（铑含量30%）铂铑合金（铑含量6%）0-1400
K 镍铬镍硅-200-+1000
T纯铜铜镍-200-+300
J铁铜镍-200-+600
N镍铬硅镍硅-200-+1200
E镍铬铜镍-200-+700
热电偶的种类：
装配热电偶，铠装热电偶，端面热电偶，压簧固定热电偶，高温热电偶，铂铑热电偶，防腐热电偶，耐磨热电偶，高压热电偶，特殊热电偶，手持式热电偶，微型热电偶，贵金属热电偶，快速热电偶，钨铼热电偶，单芯铠装热电偶等等。
类别
热电偶类别
代号
分度号
测温范围
允许偏差限
铂铑30－铂铑6
WRR
B
0－1800℃
±0.25%t
铂铑10－铂
WRP
S
0－1600℃
±0.25%t
镍铬－镍硅
WRN
K
0－1300℃
±0.75%t
镍铬－康铜
WRE
E
0－800℃
±0.75%t
铂铑13-铂
WRB
R
0-1600℃
±0.25%t
热电偶公称压力：
一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂。
热电偶最小插入深度：
应不小于其保护套管外径的8－10倍（特列产品例外）绝缘电阻：
当周围空气温度为15－35℃，相对湿度<80%时绝缘电阻≥5兆欧（电压100V）。
具有防溅式接线盒的热电偶，当相对温度为93±3℃时，绝缘电阻≥0.5兆欧（电压100V）高温下的绝缘电阻，热电偶在高温下，其热电极（包括双支式）与保护管以及双支热电极之间的绝缘电阻（按每米计）应大于下表规定的值。
1.3热电偶的基本定律
1，均质导体定律
由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零.可见，热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。
若热电极材料不均匀，由于温度梯存在，将会产生附加热电势。
2，中间导体定律
在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。
应用：
依据中间导体定律，在热电偶实际测温应用中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统。
有人担心用铜导线连接热电偶冷端到仪表读取mV值，在导线与热电偶连接处产生的接触电势会使测量产生附加误差。
根据这个定律，是没有这个误差的！
3，中间温度定律
热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。
Tn称中间温度。
应用：
由于热电偶E-T之间通常呈非线性关系，当冷端温度不为0℃时，不能利用已知回路实际热电势E（t,t0）直接查表求取热端温度值；也不能利用已知回路实际热电势E（t,t0）直接查表求取的温度值，再加上冷端温度确定热端被测温度值，需按中间温度定律进行修正。
初学者经常不按中间温度定律来修正！
4，参考电极定律
这个定律是专业人士才研究、关注的，一般生产、使用环节的人士不太了解，简单说明就是：
用高纯度铂丝做标准电极，假设镍铬-镍硅热电偶的正负极分别和标准电极配对，他们的值相加是等于这支镍铬-镍硅的值。
1.4各种热电偶的测量范围和优缺点
S型热电偶：
铂铑10-铂热电偶
温度范围0～1600℃
旧分度号LB-3
优点
1.耐热性、安定性、再现性良好及较优越的精确度。
3.耐氧化、耐腐浊性良好
3.可以做为标准使用。
缺点
1.热电动势值小。
2.在还元性气体环境较脆弱。
（特别是氢、金属蒸气）
3.补偿导线误差大。
4.价格高昂。
R型热电偶：
铂铑13-铂热电偶
温度范围0～1600℃
优点
1.耐热性、安定性、再现性良好及较优越的精确度。
2.耐氧化、耐腐浊性良好
3.可以做为标准使用。
缺点
1.热电动势值小。
2.在还元性气体环境较脆弱。
（特别是氢、金属蒸气）
3.补偿导线误差大。
4.价格高昂。
B型热电偶：
铂铑30-铂铑6热电偶
温度范围600～1800℃
旧分度号LL-2
自由端在0～50℃内可以不用补偿导线
优点
1.适用1000℃以上至1800℃。
2.在常温环境下热电动势非常小，不需补偿导线
3.耐氧化、耐腐浊性良好。
4.耐热性与机械强度较R型优良。
缺点
1.在中低温域之热电动势极小，600℃以下测定温度不准确。
2.热电动势值小。
3.热电动势之直线性不佳。
4.价格高昂。
K型热电偶：
镍铬-镍硅热电偶
镍铬-镍铝热电偶
温度范围-200～1300℃
优点
1.热电动势之直线性良好
2.1000℃以下耐氧化性良好。
3.在金属热电偶中安定性属良好。
缺点
1.不适用于还元性气体环境，特别是一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体。
2.热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大。
3.受短范围排序之影响会产生误差。
N型热电偶：
镍铬硅--镍硅热电偶
温度范围-270～1300℃
优点
1.热电动势之直线性良好。
2.1200℃以下耐氧化性良好。
3.为K型之改良型，受GreenRot之影响较小，耐热温度较K型高。
缺点
1.不适用于还元性气体环境
2.热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大。
E型热电偶：
镍铬硅--康铜热电偶
温度范围-270～1000℃
优点
1.现有热电偶中感度最佳者
2.与J热电偶相比耐热性良好。
3.两脚不具磁性。
4.适于氧化性气体环境。
5.价格低廉
缺点
1.不适用于还元性气体环境
2.稍具履历现象。
J型热电偶：
铁--康铜热电偶
温度范围-210～1200℃
优点
1.可使用于还元性气体环境
2.热电动势较K热电偶大20%。
3.价格较便宜，适用于中温区域。
缺点
1.（＋）脚易生锈。
2.再现性不佳
T型热电偶：
铜--康铜热电偶
温度范围-270～400℃
优点
1.热电动势之直线性良好。
2.低温之特性良好
3.再现性良好、高精度。
4.可使用于还元性气体环境。
缺点
1.使用温度限度低。
2.（＋）脚之铜易氧化。
3.热传导误差大。
第2章重要元件介绍
2.1ICL工作原理
双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。
它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。
它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。
积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。
比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。
时钟信号源的标准周期Tc作为测量时间间隔的标准时间。
它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。
其振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC。
2.2ICL基本特点
①ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1个字。
②能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN。
③在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF。
④能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。
⑤输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。
⑥整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。
⑦噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。
⑧芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。
⑨不设有一专门的小数点驱动信号。
使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+.
⑩可以方便的进行功能检查。
2.3ICL7107各引脚
2.4ICL7107引脚功能
V＋和V-分别为电源的正极和负极，
Oscl-OSc3：
时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。
第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：
Fosl=0.45/RC
COM：
模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输出信号的负端以及基准电压的负极相连。
TEST：
测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。
VREF＋VREF-：
基准电压正负端。
CREF：
外接基准电容端。
INT：
27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件
IN＋和IN-：
模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。
AZ：
积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz。
如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。
BUF：
缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。
其输出级的无功电流（idlingcurrent）是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。
2.5LM324介绍
LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同.
2.6LM324引脚图（管脚应用图）
参数描述
运放类型:
低功率
放大器数目
4
带宽
1.2MHz
针脚数:
14
14
工作温度范围
0°C
封装类型
SOIC
3dB带宽增益乘积
1.2MHz
变化斜率
0.5V/μs
器件标号
324
增益带宽
LM324AD
器件标记
1.2MHz
工作温度最低
0°C
温度范围
70°C
放大器类型
低功耗
工作温度最高
商用
电源电压
最大32V
电源电压
最小3V
芯片标号
324
表面安装器件
表面安装
输入偏移电压
最大:
7mV
运放特点
高增益频率补偿运算
逻辑功能号
324
额定电源电压
+15V
2.7LED数码管的外形及功能介绍
LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。
这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。
当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。
如：
显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。
LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。
小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。
发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。
常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。
2.8LED数码管的驱动方式
A、静态显示驱动：
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位*器*进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O埠来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O埠才32个呢。
故实际应用时必须增加*驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。
B、动态显示驱动：
数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。
2.9LED数码管应用领域：
主要用于楼体墙面，广告招牌、高档的DISCO、酒吧、夜总会、会所的门头广告牌等。
特别适合应用于广告牌背景、立交桥、河、湖护栏、建筑物轮廓等大型动感光带之中，可产生彩虹般绚丽的效果。
用护栏管装饰建筑物的轮廓，可以起到突出美彩亮化建筑物的效果。
事实证明，它已经成为照明产品中的一只奇葩，绽放在动感都市。
第三章实验过程及数据
实验过程
（一）施焊有关事项
1布局合理，疏密恰当。
2尽量施焊短，飞线少。
3先预摆元件，当确定后，拍照留存。
4在电脑或纸上施焊线路和飞线。
5在施焊过程中，每焊一道线，消掉一根线。
6焊接时，应先加热管脚，再加焊，避免虚焊。
7每元件在正面语出2—3cm金属脚，以便调试。
8六根线预留20cm长。
9LM324所用管脚，在图纸上标明。
（二）实验准备
1.必须焊接完板子后，方可进行调试。
2.所领电源应先用万用表检查各输出电压，如有问题，应立即向老师反映。
3.板子上各电源线对地线电阻板子之间的正反向电阻都必须大于2k欧姆。
4.热电偶与板子引出线应焊接不应搭接，红色为热电偶正极。
5.杯中的水面不应低于70%的总高度。
6.各组长领调试物品，领时记账，还时销账，爱惜使用。
7.各组烧开水一杯，备凉水一杯。
8.电源的左侧是220v交流，手勿触及，注意安全。
9.若电源上的红灯闪烁，说明有故障，应立即拔掉电源进线。
（三）测试准备
测试工具：
螺丝刀电热水杯温度计5V及正负直流电源热电偶等
1.接入+5v、地线两根线，另用一根导线，一端接ICL7107的37#脚，另一端触碰+5v电源两端，应显示“1日日.日”，说明驱动部分正常，如显示不全：
①线ICL7107到数码管的对应线断路。
②ICL7107坏。
2.将ICL7107的36#脚电位调为1v（通过5k滑动电阻来调。
3.将热电偶放入开水中，调节放大倍数（500K,200K）使显100℃，再放入凉水中，稳定后，调试桥中的2K电位器，使显初始温度，再放回开水，调为100℃，再放回凉水，调为初温，如此反复，直至不须调节。
然后采集数据，逢5、10，每隔5℃（以温度计为标准）记数码显示。
4.一级放大输出应为几十毫伏以内，输出应为负几百毫伏，二级放大输出应为正几伏。
（四）调试步骤
1.照原理接好电源线，热电偶，用热水杯接好一杯水（杯中水高于70%）。
在室温下开始加热，将热电偶和温度计放入水中同一位置，用温度计测量热水升温的数据，并记录下来，同时记录电路板显示的温度，如此一次，测的数据与实际温度差别很大，进行下一步调试。
2.准备好另一杯未加热的水，继续照第一步调试，并不断调整至200k、500k、5k的电位器，使电路板显示和实际温度相近。
当水温接近100℃时，调试好的电路板的显示为100℃。
3.将热电偶和温度计放入室温的水中，使电路板显示温度下降，并记录温度误差，调试电路板使其显示为室温25℃。
4.将热电偶放入开水中，使电路板温度上升，并记录温度误差，调试电路板使其显示与开水温度一样100℃。
5.多次调试第4、5过程，使电路板温度和实际温度误差减小到最低。
6.用热水杯接好另一杯水，在室温下开始加热，将加热点偶合温度计放入水中同一位置，用温度计测量热水升温的数据，并记录下来，每5℃记录一次，同时记录电路板显示的温度。
7.最后一次测量温度与实际温度相差很小，调试成功。
实验数据表
标准温度
测试温度
标准温度
测试温度
附：
小组各成员实训心得
升级会员 