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《传感器课程设计》doc版课程设计报告（传感器具与测试技术）题目：

_基于热电偶的温度测量电路设计__目录摘要3引言3第一章电路结构设计61.1热电偶温度计的测温原理61.2热电偶冷端温度补偿101.3运算放大器的设计11第二章参数计算122.1冷端补偿电路的计算122.2运算放大器的计算14第三章模块设计15基于热电偶的温度测量电路设计摘要温度检测仪表是工业生产应用最广泛的仪表之一。

温度是工艺生产过程中最基本、最重要的控制参数之一，关系到生产条件的监理，产品的产量、质量、能源效率、生产装置的寿命和安全等。

本文设计温度测量电路是选用K型热电偶，通过电桥冷端补偿然后再无纸记录仪上显示。

关键词：

热电偶冷端补偿运算放大器引言温度是反映物体冷热状态的物理参数，对温度的测量在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工、国防、科研等领域中有广泛地应用。

在某些特殊的场合对温度的检测速度有很高的要求，例如：

在测量汽车发动机吸入空气的温度的时候，就要求热响应时间小于1s；航天飞机的主发动机的温度测量要求0.4s内完成等。

因此针对以上问题就有人提出温度快速测量的思想。

通常用来测量温度的传感器有热电阻温度传感器、热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器等几种。

这些常用温度传感器一般的温度测量中可以满足响应速度的问题。

但在特殊的场合就不能达到快速检测的要求，例如在气体温度测量时候，由于温度传感器自身的热滞特性，而气体传热过程又比较缓慢，气体温度测量就有很大滞后。

工业常用的精度较高的温度传感器有铂热电阻、半导体温度传感器等。

铂热电阻具有温度测量范围大、重复性好、精度高等特点，但是响应不是很快，特别是在对气体温度测量时至少要几秒钟，在某些工作环境比较特殊的场合，如高压环境下，还需使用铠装的铂热电阻，更是延缓了热响应速度。

半导体温度传感器分热敏电阻和PN结型温度传感器两种。

热敏电阻非常适合对微弱温度变化的测量，但是缺点是非线性严重；PN结型的特点是体积小、线性输出、精度高，但是不能使用在液体环境，对气体温度变化响应也较慢[1]。

所以用温度传感器一般都存在着对气体温度变化响应较慢的问题。

在对温度实时性测量要求比较高的系统，运用常用温度测量方法很难做到对温度的快速测量，对系统的精度影响就很大。

在工业过程控制与生产制造领域普遍使用具有较高测温精度及测温范围的热电偶做测温元件。

在工业标准热电偶中,K型（镍铬-镍硅）热电偶由于具有价格低廉、输出热电势值较大、热电势与温度的线性关系好、化学稳定性好、复制性好、可在1000℃下长期使用等特点,因而是工业生产制造部门应用最广泛的热电偶元件。

但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题。

①非线性：

热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系,因此在应用时必须进行线性化处理。

②冷端补偿:

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，故需进行冷端补偿。

③数字化输出：

与嵌入式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。

在许多热工实验中，往往面临热电偶冷端问题,不管是采用恒温补偿法（冰点补偿法）还是电桥补偿法,都会带来实验费用较高、实际的检测系统较复杂.难以达到实时测量、接口转换电路复杂等问题,而随着计算机测控技术在工业生产制造领域的普遍应用,温度参数的微机化测量与控制已成为必然趋势。

因此我们必须解决对热电偶测量信号的放大调理、非线性校正、冷端补偿、模数转换、数字输出接口等一系列复杂的问题,以及解决模拟与数字电路硬件设计过程和建表、查表、插值运算等复杂的软件编制过程,以达到使电路简化,成本减少,增加系统可靠性的目的。

鉴于上面的分析,本论文主要任务是设计一种基于高精度K型热电偶传感器的快速测温系统。

采用带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675、K型热电偶、89C51单片机、数码管等元器件设计出相应温度采集电路、温度转换电路、温度控制电路、超量程报警电路、数码管显示电路。

系统用单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675进行控制,要达到任务书中的技术指标，并对系统进行protuse的调试和仿真试验，使其具有良好的实用性能，能够实现对固体表面、液体和气体温度的高精度快速测量。

第一章电路结构设计1.1热电偶温度计的测温原理热电偶测温是基于两种不同材质的金属线组合成一个闭合回路，如下图1所示。

当两节点A、B所处温度不同时，回路内有电流产生，当A、B两接点所处温度相同时，则回路内电流消失，这种现象成为热电效应。

图1通常我们将热电偶电子密度较大的金属极称为正极，电子密度较小的金属极称为负极。

用于测温的接点t称为热端或工作端。

热电偶的接线端t0，称为冷端或参考端。

图2其中1为热电偶，2为补偿导线，M为显示表。

热电偶的种类较多，常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

所谓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。

使用温度在1300~1800℃，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800℃一般选用钨铼热电偶；使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400℃一般用E型热电偶；250℃下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。

k型热电偶的概述k型热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。

k型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃-1300℃（短期）0-1000（长期）范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

k型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。

k型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。

k型热电偶丝径及正负极k型热电偶丝直径一般为1.2～4.0mm。

正极（kp）的名义化学成分为：

ni：

cr=92：

12，负极（kn）的名义化学成分为：

ni：

si=99：

3，其使用温度为-200~1300℃。

k型热电偶的特点及优点k型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。

k型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛.k型热电偶特点检出（测温）元件热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

必须配二次仪表，其优点是：

①测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

②测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨铼）③构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

根据温度测量范围及精度，选用相应分度号的热电偶使用温度在1300~1800℃，要求精度又比较高时，一般选用b型热电偶;要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800℃一般选用钨铼热电偶;使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用s型热电偶和n型热电偶;在1000℃以下一般用k型热电偶和n型热电偶，低于400℃一般用e型热电偶;250℃下以及负温测量一般用t型电偶，在低温时t型热电偶稳定而且精度高K型热电偶的冷端热端在不同温度下产生的电势差如下所示：

K型分度表T00033013.45768028.289103042.44-10-0.39234013.87469028.71104042.826-20-0.77835014.29370029.129105043.2110036014.71371029.548106043.595100.39737015.13372029.965107043.978200.79838015.55473030.382108044.359301.20339015.97574030.798109044.74401.61240016.39775031.213110045.119502.02341016.8276031.628111045.497602.43642017.24377032.041112045.873702.85143017.66778032.453113046.249803.26744018.09179032.865114046.623903.68245018.51680033.275115046.9951004.09646018.94181033.685116047.3671104.50947019.36682034.093117047.7371204.9248019.79283034.501118048.1051305.32849020.21884034.908119048.4731405.73550020.64485035.313120048.8381506.13851021.07186035.718121049.2021606.5452021.49787036.121122049.5651706.94153021.92488036.524123049.9261807.3454022.3589036.925124050.2861907.73955022.77690037.326125050.6442008.13856023.20391037.7251260512108.53957023.62992038.124127051.3552208.9458024.05593038.522128051.7082309.34359024.4894038.918129052.062409.74760024.90595039.314130052.4125010.15361025.3396039.708131052.75926010.56162025.75597040.101132053.10627010.97163026.17998040.494133053.45128011.38264026.60299040.885134053.79529011.79565027.025100041.276135054.13830012.20966027.447101041.665136054.47931012.62467027.869102042.053137054.81932013.041.2热电偶冷端温度补偿各种分度号热电偶的分度值是在冷端温度为0℃的条件下取得的，但是现场环境温度并非处在恒定的0℃，而是受到生产条件和环境气温变化的影响，环境温度的变化会给温度测量带来误差。

由于现场环境温度多变，也给人工修正带来了困难。

其办法是将热电偶的冷端从现场延伸到环境温度比较稳定的中控室内。

稳定的冷端温度，将给人工修正和仪表自动补偿冷端温度提供有利条件。

另一种办法是补偿电桥法，在热电偶冷端延伸出加装补偿电桥，直接对冷端温度进行补偿。

我们常用补偿方式为桥式自动补偿电路，这种补偿方式是在靠近热电偶冷端地方置放构成桥式电路的一臂，次臂是由电阻温度系数较大的金属组成，一般采用镍铜，其余三臂采用电阻温度系数较小的锰铜合金构成。

当冷端温度为零时，电桥构成平衡状态，若冷端温度产生改变，镍铜的一臂的电阻也随之变化，则使电桥失去平衡或输出电势，因为这输出电势的大小与冷端由于温度变化产生的热电势大小相同但方向相反，这样两者抵消，或冷端产生变化但对准确度的影响物管。

这种补偿电路图如下图所示：

1.3运算放大器的设计热电偶输出的是毫伏级电压，要求为伏安级，所以采用差分放大器的仪器仪表放大器，它具有很低的输出阻抗，精确和稳定的增益，一般在1V/V到1000V/V放大倍数，极高的功模抑制比。

原理图如下：

在图中OA1和OA2构成常称之为输入级或第一级，而OA3构成输出级，依据输入电压约束条件RG上的电压是V1-V2，依据输入电流约束条件，流过电阻R3与流过RG为同一个电流，由欧姆定律得放大倍数：

A=（1+2R3/RG）*（R1/R2）因为增益取决于外部电阻的比值，所以利用合适的电阻增益可以做得精确。

由于OA1与OA2工作在同相结构，它的闭环输入电阻极高，同样，OA3的闭环输出电阻也很低。

最后通过适当调节第二级电阻中的一个都能使CMRR打到最大。

从而这个电路满足条件。

第二章参数计算2.1冷端补偿电路的计算冷端补偿电路如下图：

设R2（0）和R2（t）分别代表R2为0时和t时的电阻，又设i为流经R2的电流，电桥所提供的电压为E，当冷端为0度时，电桥呈平衡，则：

R1/R2=R3/R4当冷端为t时，由于电桥失去平衡，输出电压电动势：

i*[R2（t）-R（0）]=R2（0）*k*t*i所以e=R2*k*t*i由于i*R1+i*R2（0）=E,则得R1=E/i-R4（0）令R1=R3所以R4=R2（0）在设计中，我们采用镍铬镍铝合金线，补偿导线采用镍铜，设其0度时的电阻温度系数为0.00443，冷端温度补偿范围为0-100度，又设通过R2的电流为2毫安，电压供电为1.5V。

我们从K型热电偶的温度表中可知在0摄氏度时，所产生的温度差大约为4毫伏左右。

所以R2（0）=2*0.00443*100=4.627Ω则R1=745.373Ω，R1=R3=745.373Ω，R2=R4=4.627Ω2.2运算放大器的计算电路图如下图：

由前面的公式：

A=（1+2R3/RG）*（R1/R2）在图中R1=R7，R2=R3，R5=R6可得A=（1+2R5/R4）*（R3/R1）热电偶500度输出电压为20.6443mv，在1200度时输出电压为28.1939mv，ΔV=48.8382-20.6443=28.1939mv放大电压为-0.25V，ΔV=2.5VA=ΔV/Δv=89令R5=2R4=20kΩR3=R1=17.5kΩ可得放大倍数为894.3系统电路图第三章模块设计作为热电偶放大器必须满足一些特殊要求，通常采用的K型热电偶的灵敏度为40.6μ℃，而电路的输出一般要求为lOmV／℃，因此，要选用额定增益为246的精密放大器。

另外，热电偶一般容易受到工业环境中电子噪声的影晌，因此，仪用放大器允许输入不同的电压有助于消除由于共模噪声引起的误差。

为了避免出故障，采取的保护措施是不能让热电偶无意识地接触到瞬变电源或高电压，但保护措施不能兼顾到精度。

LTC2053有满足这些要求的补偿特性，它在任何引脚上都可以承受10mA的故障电流，因此，在不损坏集成芯片的情况下，10kΩ（R4和R5）保护电阻允许承受±100V故障电压。

本模块包括电压式温度传感器TMP35和K型热电偶。

其中热电偶的工作原理是根据热端和冷端的温度差而产生电势差。

由于实际测量时，冷端的温度往往不是O℃，所以要对热电偶进行温度补偿。

热电偶温度补偿公式如下：

E（t，0）=E（t，t0）+E（t0，0）其中，E（t0，0）是实际测量的电动势，t代表热端温度，t0代表冷端温度，0代表O℃。

在现场温度测量中，由于热电偶冷端温度一般不为O℃，而是在一定范围内变化着，因此测得的热电势为E（t，t0）。

如果要测得真实的被测温度所对应的热电势E（t，0），就必须补偿冷端不是0℃所需的补偿电势E（t0，0），而且，该补偿电势随冷端温度变化的特性必须与热电偶的热电特性相一致，这样才能获得最佳补偿效果。

图2所示是一个温度补偿电路的原理图。

图中，温度传感器TMP35很好的完成了温度补偿工作，TMP35输出的电压先经电阻分压，再经放大器放大，就是K型热电偶对应的E（t0，O）。

2系统软件设计发射板的软件设计主要包括以C8051F020的主控制模块程序和以Atmegal6为中心的无线发射模块程序。

主控程序模块主要完成温度采集、数据处理、向无线发射模块发送数据以及测试温度数据的保存、和上位机的通讯等。

无线发射程序模块主要负责对CC1000的初始化，在等待状态时接收C805lF020的数据包，并通过CC1000发送。

参考文献：

1.XX文库《基于热电偶的温度测量电路设计报告》2.XX文库《基于热电偶的温度测试仪设计》