热电偶设计.docx

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热电偶设计

电气测试技术课程设计成绩评定表

姓名

XXX

性别

X

学号

XXXXXXXX

专业、班级

XXXXXXXXXXXXXXXXXXX

课程设计题目：

热电偶测温系统的设计

课程设计内容提要

摘要：

温度测量是测量领域最重要的功能之一，频繁应用于气象观测、环境研究、实验室以及其他各种生产过程。

在特定条件下的产品制造与工业质量保持稳定方面，温度测量是基础且十分重要。

因此，本文将描述工业领域温度测量中广泛使用的温度传感器热电偶及其冷端补偿等相关知识。

本设计是以热电偶传感器为基础的测温系统，经过单芯片来完成信号的放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，大大简化了该系统的设计，它的输出温度范围为0—1024℃，单片机得到温度后，通过四位独立数码管显示出来。

关键词：

单片机热电偶MAX6675

成绩评定依据

考核指标

分值

得分

学习态度和纪律性

20

设计分析合理性

20

设计可行性和创造性

20

设计结果正确性

20

设计报告的规范性

20

总分

成绩评定

成绩：

指导教师（签章）：

2011年7月15日

目 录

1课程设计任务书  1

2概述  2

2.1系统组成框图  2

2.2MQ-2气体传感器原理及特性  2

3热电偶传感器测温系统的单元电路介绍  4

3.1单片机的介绍  4

3.2热电偶传感器选型及介绍  5

3.3信号处理模块分析  6

3.3.1Max6675工作原理  6

3.3.2热电偶传感器的性能分析  8

3.4系统显示电路介绍  9

3.4.174HC595的介绍  9

3.4.2数码管介绍  10

4基于热电偶传感器的硬件电路设计  11

4.1测温电路的设计  11

4.2显示电路的设计  11

5基于热电偶传感器测温系统的软件设计  13

5.1软件流程图  13

5.2C语言程序  13

5.3软件仿真  16

总结与展望  17

参考文献  18

1课程设计任务书

作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一——热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中-40～1800℃范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。

本课题采用的是系统硬件原理框图如图1-1：

一、主要内容

利用热电偶传感器设计以8051系列的AT89C2051单片机为核心开发热电偶测温的系统。

二、基本要求

1．实现基本功能：

测量、显示、存储、报警、通讯。

2．画出相应的测量电路及推导计算温度的公式。

3．选定所需元器件，写出型号规格。

4．完成3000字设计报告。

三、主要技术指标（或研究方法）

1．装置供电电压220V

2．测量温度范围：

-20～800℃℃

3．性能可靠，操作简便。

4．明确提高精度和抗干扰能力的措施。

2概述

2.1系统组成框图

作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一——热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中-40～1800℃范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。

本课题采用的是以8051系列的AT89C2051单片机为核心开发热电偶测温的系统。

系统硬件原理框图如图1-1：

系统框图如图1-1所示，热电偶传感器采集到温度信号传送给信号处理模块，信号处理由Max6675单芯片构成，它是Maxim公司新近推出的一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。

它与单片机通信读出温度值，经过线性化处理后发给显示电路显示，显示电路是由四位独立数码管组成。

2.2热电偶测温原理及特性

热电偶简介：

热电偶是一种感温元件，是一种仪表。

它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度。

热电偶测温的基本原理：

将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,回路中就会有电流通过，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，自由端通常处于某个恒定的温度下。

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。

在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。

因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

热电偶的特性：

1. 组成热电偶回路的两种导体材料相同时，无论两接点温度如  何，回路总热电势等于零。

2. 如果热电偶两接点的温度相同，T=T0，则尽管导体A，B材料  不同，热电偶回路的总电势亦为零。

热电偶回路的总电势仅  与两接点温度有关，与A、B材料的中间温度无关。

3. 在热电偶回路中接入第三种材料的导体时，只要这根导体的两  端温度相同，则不会影响原来回路的总热电势。

这一性质称  为中间导体定律。

3热电偶传感器测温系统的单元电路介绍

3.1单片机的介绍

AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。

AT89C2051提供以下标准功能：

2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。

空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。

它的管脚分布如图2-1。

实物图如图2-2。

图3-1管脚分布

图3-2实物图

单片机引脚功能说明：

VCC：

电源电压

GND：

地

P1口：

P1口是一组八位双向I/O口，P1.2—P1.7内部提供上拉电阻，P1.0和P1.1内部无上拉电阻，主要是考虑他们分别是内部精密比较器的同相输入端（AIN0）和反向输入端（AIN1），如果需要应在外部接上拉电阻，P1口输出缓冲器可吸收2mA的电流并可直接驱动LED。

当P1口引脚写入1时可作输入端，当引脚P1.2—P1.7作输入被外部拉低时，它们会因外部的上拉电组而输出电流。

P3口：

P3口的P3.0—P3.5、P3.7是内部带有上拉电阻的7个双向I/O口，P3.6口没有引出，它作为一个通用的I/O口但不可访问，但可作为固定输入片内比较器的输出信号，P3口缓冲器可以吸收20mA的电流，当P3口写入1时，它被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流，它还可以实现AT89C2051的特殊功能，如图表2-1所示。

表3-1P3口特殊功能

3.2热电偶传感器选型及介绍

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。

热电偶的种类有很多，在这选用的是K型热电偶，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。

正极（KP）的名义化学成分为：

Ni：

Cr=90：

10，负极（KN）的名义化学成分为：

Ni：

Si=97：

3，其使用温度为-200~1300℃。

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中。

如图2-3所示，他有两个端T+和T-，也是热电偶的测量端。

图3-3热电偶实物

3.3信号处理模块分析

3.3.1Max6675工作原理

信号处理模块主要由单芯片Max6675完成，它内部集成了调节信号放大、12位A/D转化器、非线性补偿和数字控制电路。

通过个芯片可以直接测量出温度的原始数据，经单片机解算得到温度值。

主要功能：

①简单的SPI串行口数据输出；②0℃～+1024℃的测温范围，5V供电；③12位0.25℃的分辨率，④片内冷端补偿、⑤高阻抗差动输入、⑥热电偶断线检测、⑦单一+5V的电源电压、⑧低功耗特性、⑨工作温度范围-20℃～+85℃。

它的管脚分布图2-4所示。

图3-4管脚分布图