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基于热电偶的控温器设计
哈尔滨理工大学
毕业设计
题目：
基于热电偶的控温器设计
院系：
电气与电子工程学院
2013年6月21日
基于热电偶的控温器设计
摘要
热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。
各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成。
本文研究开发的抗干扰热电偶控温器，从电路设计、PCB电路板布局布线、到软件设计等方面，对热电偶工作的干扰信号进行滤波处理，使这一热电偶控温器能够在复杂的电磁环境下稳定、可靠地工作。
为了达到提高测温精度的目的，需要对热电偶进行冷端补偿，以弥补热电偶冷端处于室温环境时造成的误差；在PCB电路设计中，从电源、电缆、印制板三个层次对热电偶控温器进行抗干扰设计；在软件设计过程中，利用数字滤波技术进一步对干扰信号滤波处理、并用线性插值法求解温度值，最后用模糊算法实现控温器对环境温度的控制。
关键词 热电偶；冷端补偿；控温器；抗干扰
ADesignofThermocoupleBasedTemperatureController
Abstract
Thermocouple（thermocouple）isacommonlyusedtemperaturesensortemperaturemeasurementinstrument,Itmeasurethetemperaturedirectly,andthetemperaturesignalisconvertedintothethermalelectromotiveforceone.Theshapeofthethermocoupleisnotthesamebecausethedifferentneeds.buttheirbasicstructureareroughlythesame,andusuallycomposeofahotelectrode,insulatingsleevetubeprotectorandthejunctionboxandothermainparts.
Thisresearchisabouttheresearchofananti-disturbedtemperaturecontrollerwiththermocoupleasitsthermalsensor.Inordertomakethetemperaturecontrollerworkstablyandreliablyinacomplicatedelectromagneticenvironment,differentmethodsareusedinthedesignstage.Thesemethodscoverdifferentstagesofthedesign,includingthedesignofthehardwarecircuit,thelayoutoftheprintedcircuitboard（PCB）,andthesoftwaredesign.
Inthedesignofthehardwarecircuit,inordertoimprovetheaccuracyofthetemperaturecontroller,it’snecessarytodosomeworkonthecoldjunctioncompensation.Becausethethermocoupleisusuallyworkwithitscoldjunctionintheroomtemperatureratherthaninthestandardof0℃.InthePCBdesignstage,threedesignhierarchiesareusedtomakethetemperaturecontrollerimmunetothedisturbanceoftheelectromagneticenvironment,thesehierarchiesinclude:
powersupply,electriccable,andtheprintedcircuitboard.Inthesoftwaredesign,thedigitalfilterisusedtofinallyfilterthedisturbsignal,andtheFuzzyalgorithmicapproachisusedtorealizethethermalcontrol.
Keywords Thermocouple;Coldjunctioncompensation;Temperature
controller;Anti-disturb
摘要I
AbstractII
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第1章绪论
1.1课题背景
温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。
它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。
国际单位为热力学温标（K）。
目前国际上用得较多的其他温标有华氏温标、摄氏温标和国际实用温标。
从分子运动论观点看，温度是物体分子运动平均动能的标志。
温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。
对于个别分子来说，温度是没有意义的。
在课题研制阶段，为了验证新设计产品的实际性能，需要对在研产品进行各种实验，如温度实验、盐雾实验、交变湿热实验、力学实验等实验内容。
在这些实验中有些是与温度密切相关的实验内容，需要在实验过程中对温度进行密切监控。
在温度测量时，不同实验条件对要选用的温度传感器提出了不同要求。
如盐雾实验对传感器的抗腐蚀性要求较高，交变湿热实验对传感器及其外围电路的绝缘性要求较高，而力学实验则对传感器结构的坚韧性提出要求。
但是，在实验中总会遇到或多或少的问题。
例如，在本研究所曾经研制和使用的热电偶测温、控温设备，总是存在抗电磁干扰能力差的问题。
具体表现在，当测试设备工作在实验室环境时，能较为准确的测量实验室温度；但到了工作现场，在数十台电子设备同时工作的强干扰环境，热电偶测温设备就会出现较大误差甚至出现没有数据的情况。
究其原因是热电偶的微小信号受到了周围电磁信号的干扰导致设备无法正常工作。
本文就是基于此设计研究了新型的抗干扰热偶控温器设备。
1.2国内外发展现状
1.2.1PID发展现状
1922年美国的Minorsky在对船舶自动导航的研究中，提出了基于输出反馈的比例积分微分（PID，Proportional Integral Differential）控制器的设计方法，标志了PID控制的诞生。
随后，PID控制器就以其结构简单、对模型误差具有鲁棒性以及易于操作等特点，在大多数控制过程中能够获得满意的控制性能，到了20世纪40年代就已在过程控制中得到了广泛的应用。
20世纪30～40年代，经典的频域设计法得到了很快的发展。
较为重要的是Nyquist和Bode在稳定性理论上所取得的重要成就。
这种经典设计方法是设计一种反馈补偿器，以获得一定量的稳定裕度，重点考虑了模型的不确定性，并利用反馈来减少系统对干扰和模型误差的灵敏度。
进入50年代以后，发展较快的是解析法，并且定义了一些瞬态性能指标。
借助于模拟计算机的帮助，能较为方便的检测时域响应指标。
然而，与此同时对控制系统的鲁棒性和灵敏度的关注有所降低。
20世纪50年代中期，随着数字计算机的出现，用差分方程来描述控制系统模型的方法得到了应用。
对人造地球卫星的控制促进了现代控制理论的发展，最优控制被用于去寻找非线性动态系统的最优轨迹。
20世纪60年代，基于最优化技术的控制器设计方法在解决各种不同设计问题上显示出了其优势。
现代控制理论开始应用于实际的过程控制，但这需要对过程对象建立精确的数学模型，所以实际上往往难以得到精确的数学模型。
因此进入七十年代以后，鲁棒性问题得到了人们更多的关注。
从20世纪80年代开始，在单回路PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID控制理论从此进入了高速发展阶段。
在控制技术高速发展的今天，由于PID控制算法简单、可靠性高等特点，它在工业过程控制中仍然占有主导地位。
由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。
其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。
前者称为模拟PID调节器，后者称为数字PID调节器。
其中数字PID节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。
采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（即比例值、积分值、微分值）。
只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。
1.2.2国内外实例
甘肃大学的赵紫静研究了一种基于PID温度控制技术的X射线发生器。
这种发生器需要将其精度控制在±0.5℃左右，才能保证器件输出的X射线波长不发生超出要求的飘移，否则，X射线波长的超范围飘移将使整个设备难以正常使用。
在温控过程中，由于难以建立控制对象的精确数学模型，所以可以用PID技术根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过渡，最后达到控制范围精度内稳定动
数字PID控制则是一种是以微处理器为基础,综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术的智能控制。
海军航空工程学院基础实验部的李建海等设计了一种上位机监控采用组态软件，下位机采用西门子PLC的电路智能温度控制系统，实现了智能控制、多控制功能为一体的综合控制系统。
昆明理工大学信息工程与自动化学院的王清海等在锅炉温度控制研究中将神经网络PID与LabVIEW人及交互结合，实现对锅炉温度的数据采集、控制和现实，提高了锅炉温控系统的效率。
英国的Hamid等将PID控制器应用到冰箱的温度控制中，通过使用MATLAB/Simulink软件仿真和误差分析图的方式与传统的ON-OFF控制做了细致的比较。
结果表明，PID控制无论是在精度和控制性能方面都优于ON-OFF控制。
日本Komatsu Electronics公司的Kazuhiro Mimura对基于PID控制与现代控制理论相结合的离子化热水器温度控制开展了研究，结果证明这样的温度控制方法能够使用比传统控制系统更的温度传感器，进而降低成本，提高了公司效益。
1.3本设计技术指标
温度控制范围：
0℃~150℃
温度稳定性：
达到0.001℃
系统最小分度：
1℃
温度控制静态误差：
不超过0.5℃
模拟输入量：
16路
精度：
0.4％t
响应时间：
20μs
产生的电动势：
41μV/℃
1.4本文主要研究内容
本文以热电偶作为感温元件，设计了一个温度控制器，实现了温度的测量与调节。
具体研究内容如下：
第一章简要说明了本课题的研究背景，以及在热电偶测温领域国内外的发展现状。
第二章简要介绍了各种型号的热电偶传感器，讨论了热电效应和热电动势，详细阐述了热电偶测温的基本原理，最后设计了热电偶冷端补偿方法。
第三章描述了控温器的系统结构，详细说明了各主要部分的功能。
在系统的信号选通电路，A/D转换电路，单片机,串行数据通信，温度控制电路等方面做了详细阐述和设计。
本章还进行了热电偶控温器电磁兼容性设计。
第四章对热电偶控温系统的软件进行了总体设计，运用查表法和插值法相结合的方法求解环境温度，采用模糊控制法对监控点温度进行控制。
构建了热电偶控温器的测温，控温的总体软件设计方案。
第2章热电偶测量温度原理
热电偶控温器的主要核心元件就是热电偶传感器，本章主要阐述热电偶的分类及测量原理。
2.1热电偶传感器分类
热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。
各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应（Seebeckeffect）。
两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端。
根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。
热电偶实体图如下图2-1所示。
图2-1热电偶实体图
热电偶同时又分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
标准热电偶是指国家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。
非标准热电偶是指在使用范围或数量级上均不及标准热电偶，它一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊的场合的测量。
2.2热电偶的选取
我国从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我国统一设计型热电偶。
其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。
其中K型热电偶（镍铬-镍硅热电偶 ）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型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度，考虑到本设计的控温范围是0℃到500℃，并且K型热电偶具有以下优点：
（1）高温廉金属热电偶，价格便宜，使用广泛，年产量几乎占全部金属热电偶的一半；
（2）复现性好，热电动势与温度关系近似线性；
（3）热电势大，热电势率高，
（4）抗氧化性能较好，可在氧化性气氛及空气中长期使用；
（5）产生的热电势较大，约为41uV/℃，因而测温精度相对较高。
因此我们选用K型热电偶作为测温元件。
K型热电偶偶丝为镍铬-镍硅，型号为wrn，分度号为K，基本误差限为0.5％t（t是感温元件实测温度值）。
2.3热电效应与热电势
所谓热电效应（thermoelectriceffect），是当受热物体中的电子，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。
两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，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，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
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：
一是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；二是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。
热电偶产生热电势的条件：
一是要有接触电位差，就是“库伯尔贴”接触点位要高，不能同一种材质的的两条金属接触在一起，这不叫偶，比如铜和铝接触电位就比铜和铁接触电位高；二是要有温度差，温差越高热电势越大。
2.4热电偶测温基本原理
将两种不同材料（但符合一定要求）的导体或半导体A和B的任意一端焊接在一起就构成了热电偶。
组成热电偶的导体或半导体称为热电极,被焊接的一端插入测温场所，称为工作端,另一端称冷端。
当两端温度不同时就会有热电势产生，它是测量温度的感温元件，将温度信号转换为电信号再由仪表显示出来。
任意两种材质不同的金属导体或半导体A和B首尾连接成闭合回路，只要两接点T1和T2的温度不同,就会产生热电势，电流，热电偶就是利用这一效应来工作的。
热电偶测温原理图如下图2-2所示。
图2-2热电偶测温原理图
热电势的大小与材质有关,与热电偶两端的温差有关。
对应一定材质,其两端的温度与热电势间有固定的函数关系,利用这个关系就可以测出温度值来。
热电偶的热电势随温度的升高而增大,其热电势的大小与热电偶的材料和热电偶两端的温度值有关,而与热电极的长度、直径无关。
2.5热电偶的冷端补偿
由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时）,而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到仪表端子上。
电桥补偿法通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥。
电桥的三个桥臂为三个标准电阻，另外一个桥臂是由（铜）热电阻组成。
当冷端温度升高时，热电偶产生的热电势将减小，儿此时串联电桥中的热电阻阻值会增大，是电桥两端电压升高，电桥产生的电压正好与热电势岁温度变化而变化的量相等，整个热电阻测量回路的总输出电压正好真是反映了所测量的测量值。
这就是热电偶的电桥冷端补偿原理。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一,为接触式测温,其优点有:
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;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）;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。
热电偶测温的缺点是:
热电偶损耗比较大,增大了维护量,备件费用消耗大；热响应有一定滞后。
2.6本章小结
本章先对各型号热电偶传感器做了简单介绍，并说明了为什么要选用K型热电偶作为测温元件，接着讨论了热电效应和热电动势，然后详细阐释了热电偶测温的基本原理并给出了热电偶测温原理示意图，最后讨论了热电偶进行冷端补偿的方法以及热电偶测温的优缺点。
第3章热电偶温度控制系统的硬件设计
上一章对热电偶的分类，测量基本原理及冷端补偿方法进行了详细的描述，本章则对热电偶温度控制系统的硬件部分进行详细阐述与设计。
3.1控温器系统结构
在热电偶控温器的控温过程中，必须首先对由温差产生的热电动势信号进行一系列处理。
热电偶将电压信号经信号补偿与放大电路放大后，通过多路选择器选通其中一路进行A/D转换成数字信号，转换后数据存入AT89S52单片机，然后多路选择器选通下一路并对下一路信号进行A/D转换。
存在单片机的数字信号通过定时串口通信与上位机进行数据交换，完成相关数字信号处理。
上位机在得出测量温度值并对温度值进行判定：
若温度值高于限定温度值，则发送指令，使加热器控制电路开启加热器；若温度值低于限定温度值，则发送指令，使制冷电路开启液氮回路。
热电偶控温器电路结构大致包括热电偶传感器、冷端补偿与放大电路、信号选通电路、A/D转换电路、单片机、电源电路、温度控制电路以及实现具体控温功能的相应开关电路等。
下面分别对这些电路进行描述和设计。
其系统结构图如图3-1所示。
图3-1热电偶控温器系统结构
3.2系统的信号选通及A/D转换电路
热电偶测温，控温电路一般是多通道的，不可能对每一路分别处理显示。
比较实用的方法是在各路信号放大后通过一个选通器选择其中一路信号进行A/D转换处理，处理完成后再选通处理下一路。
在此设计中，采用HI546选通芯片来实现多路热电偶信号的选通，其选通电路如下图3-2所示
图3-2信号选通电路
HI546为16路多路模拟信号选通芯片，通过使能信号Enable和地址信号A3、A2、A1、A0来控制多路信号的选择。
由下表1可知，当EN为低时，不管地址信号A3、A2、A1、A0的数据为何内容，“ON”CHANNEL始终为“NONE”，即16路中没有任何一路被选通；当EN为高时，地址线A3、A2、A1、A0对应不同的二进制数值时即选通不同的路。
这样，A3、A2、A1、A0的组合即可实现16路信号中任一信号到达芯片输出端，从而实现了多路信号的单路选通。
在设计HI546选通电路是要注意，HI546为16路选通器，如果设计中的有用信号不足16路，例如只用到了12路K型热电偶，则HI546的16路输入电路中只有12路选通输入。
剩余的4路，为了防止输入端引脚悬空引起的不确定因素，故将未用的4路输入端做接地处理。
如果在设计中的热电偶路数多余16路，就需要用到信号的二次选通电路，可以将n个HI546的输入端接入待选通的各信号端并将这n个HI546芯片的输出作为下一级HI546芯片的输入，即可实现最多n×16路信号的选通。
表3-1HI546真值表
A3
A2
A1
A0
EN
“ON”CHANNEL
X
X
X
X
L
NONE
L
L
L
L
H
1
L
L
L
H
H
2
L
L
H
L
H
3
L
L
H
H
H
4
L
H
L
H
H
5
L
H
H
L
H
6
L
H
L
L
H
7
L
H
H
H
H
8
H
L
L
L
H
9
H
L
L
H
H
10
H
L
H
L
H
11
H
L
H
H
H
12
H
H
L
L
H
13
H
H
L
H
H
14
H
H
H
L
H
15
H
H
H
H
H
16
单片机以及上位机处理的信息必须为数字量，但是热电势信号为连续变化的模拟信号，因此必须对模拟信号进行A/D转换。
我们采用16位的AD7715芯片来实现A/D转换功能，其中AD780提供2.5V高精基准电压。
P3.1脚提供了AD工作所需的时钟，P1.4和P1.5脚接受和发送通讯数据，P1.6是片选信号，P1.7接DRDY,AT89S52可以通过查询P1.7的状态来判断是否可以读取AD转换结果，A/D接口电路如下图3-3所示
图3-3A/D转换电路
3.3单片机
信号经A/D转换器转换后由温度传感器采集得到的温度信号被送至中央处理器单片机中。
单片机是整个电路设计的核心，它负责控制着地址线数据的写入与读出、进行相应的数据存储与处理并保持着与上位机的通信，以使得整个系统能在人的控制范围内。
在本设计中我们采用AT89S52芯片。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解
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