热电偶线性化LCD显示.docx

1、热电偶线性化LCD显示内蒙古科技大学智能仪器课程设计说明书题 目：热电偶线性化-LCD显示学生姓名：学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：指导教师： 2011 年10 月 17 日 摘 要热电偶将温度转换成电量进行检测，使温度的测量、控制、以及对温度信号的放大变换都很方便，适用于远距测量和自动控制。热电偶是温度测量应用中最常用的传感器其中之一。与电热调节器、温度检测集成电路相比，热电偶能够检测更宽的测温范围，性价比较高。在选择热电偶时，热电偶的可靠性、牢固和快速响应时间使其成为首选。本设计以STC89C52单片机为核心，由热电偶测量温度T，经过放大电路ADC0832进行模数转换，再由单片机进行

2、线性化处理，最后由1602字符型LCD显示所测量的温度。设计时的软件由C51语言编写，采用模块化结构设计。关键词：热电偶；A/D转换器；单片机；线性化；LCD显示目 录摘 要 I第一章 概述 21.1 热电偶测温原理 21.2 热电偶冷锻温度补偿 31.3 热电偶线性化 5第二章 热电偶线性化整体设计方案 72.1 硬件设计方案 72.2 软件设计方案 7第三章 硬件设计 93.1热电偶 93.2放大器 93.3单片机STC89C52 93.4 ADC0832数模转换器 113.5LCD1602显示器 13第四章 第四章 软件设计 154.1主程序流程图 154.2 ADC0832数据采集程序

3、图 154.3线性化标度变化程序 164.4LCD显示程序 16 参考文献 18第一章 概述热电偶将温度转换成电量进行检测，使温度的测量、控制、以及对温度信号的放大变换都很方便，适用于远距测量和自动控制。因此，热电偶作为测温元件广泛应用于冶金、石油化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。热电偶是由两种不同成分的导体两端接合成回路的一种感温元件如图1.1，它把温度信号转换成热电动势信号，通过电器仪表转换成被测介质的温度。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-401800范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。 图1.1 热电偶示意图一.1 热电偶测温原理热

4、电偶是温度测量元件，由两段不同的金属构成。将两种不同材料的导体或半导体焊接起来，构成一个闭合回路。当两焊接点处的温度不同时，则在该回路中就会产生电动电势。1温差电动势由于同一导体的两端的温度不同，而产生的电势，又称汤姆逊电势。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。2接触电动势两种不同的导体互相接触时，由于不同导体内自由电子的密度不同，在两导体A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的导体A扩散到密度小的导体B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产

5、生热电势 ；又称帕尔帕电势。 一.2 热电偶冷锻温度补偿在温度测量中，热电偶是使用最普通的传感器之一，其输出电势是两端结点温度的函数。为了使冷端在非零状态下输出的电势是被测量温度的单值函数，必须进行冷端温度补偿。热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。1. 冷端温度补偿原理如前所述，热电偶输出电势是两结点温度差的函数，可表示为 （1-1）式中为冷端补偿后的热电势，mV；式中

6、为冷端补偿后的热电势，mV；为通过测量得出的热电势，mV；为冷端温度相对时的热电势，mV。其补偿原理是在热电偶冷端人为地加入一个受同环境温度控制温度传感器，使之产生的电参数的大小正好抵消因冷端温度变化而改变的的变化大小，保持不变，即式中为温度函数。这表明只与热端温度有关，而与冷端温度无关，从而消除冷端温度对的影响，实现了冷端补偿。2. 冷端温度补偿方法热电偶的补偿方法有冷端温度修正法、冷端0恒温法、和电桥补偿法。热电偶的电桥冷端补偿通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥。电桥的三个桥臂为标准电阻，另外有一个桥臂由（铜）热电阻构成。当冷端温度变化（比如升高），热电偶产生的热电势也将变化（减小）

7、，而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化并使电桥两端的电压也发生变化（升高）。如果参数选择得好且接线正确，电桥产生的电压正好与热电势随温度变化而变化的量相等，整个热电偶测量回路的总输出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。这就是热电偶的冷端补偿原理。 图2.2 热电偶电桥补偿原理 冰点法 冰点法是将补偿导线末端放入冰水混合物或零度恒温器中，保持冷端为0不变。这种方法原理简单，测量误差小，但在工程中应用不方便，一般在实验室用于校正标准热电偶等高精度温度测量。 计算修正法该方法基于热电偶中间温度定律，即 EAB(T，0)=E (T，T0)+EAB(T0，0)。式中，T0为冷端或补偿导线末端温度，

8、EAB(T，0)为从分度表中查出的值。然后加上测量值EAB(T，T0)，可得EAB(T，0)，再反查分度表即可求出热端温度T。一.3 热电偶线性化热电偶的热电势与温度之间具有非线性关系，为了使测温仪表具有线性尺度，保证测量精度，需要补偿热电偶的非线性。1. 分段直线拟合法分段直线拟合法是把非线性曲线的整个区间划分成若干段，将每一段用直线去逼近。只要分点足够多就可以满足精度要求，从而就回避了高阶运算。它是用一条折线来代替原来实际的曲线，这是一种简单的分段拟合方法。 图1-4 分段直线拟合 设热电偶的输入输出特性曲线如图1-4所示，图中x为测量数据，y为实际被测变量，分三段直线来逼近该曲线。可以写

9、出各段的直线方程为 当时，；当时，；当时，；当时，；式中，为各段的斜率。2. 标度变换线性标度变换是常用的标度变换方式，其前提是被测参数值与A/D转换结果为线性关系。线性表度变换公式为 （1-2） 式中,A0：为测量下限，Am为测量上限，Ax为实际测量值（工程量），N0：为A0所对应的数字量，Nm：为Am所对应的数字量,Nx为Ax所对应的数字量。一般情况下测量下限A0对应的数字量N0为0，即N0=0，这样式(1)可写为 (1-3)表1.1 K型热电偶的线性化标度变换表mv（V）00001305.3280.5582826010.5611.1065639015.9751.6738552021.49

10、72.25211565027.0252.83114478032.4533.39917391037.7253.951201104042.8264.486229117047.7375.000255第二章 热电偶线性化整体设计方案热电偶是应用广泛的感温元件之一，适用于信号的远传，它具有构造简单、使用方便、热惯性小、稳定性好、温度测量范围广等优点，在温度测量中起着非常重要的作用。因为热电偶的热电势与温度呈非线性关系，使显示与处理变得复杂；随着自动化的不断加强。对温度精度要求也越来越高。为了提高热电偶测量温度的精度，必须从硬件和软件两方面同时着手。硬件设计必须使用高精度数模器件，软件设计须设计出满足工业

11、要求的线性化算法，从这两方面解决热电偶测量高温的精度问题。二.1 硬件设计方案本次设计的热电偶线性化LCD显示器在生产中组成的控制系统如图2.1所示，由图可知本次设计采用的是单片机进行编程；A/D转换，实现0到5V模拟电压8位数字量的转换；LCD实现温度t以及A/D转换值的实时显示。图2-1 热电偶LCD显示原理二.2 软件设计方案本次课程设计要求热电偶线性化显示器能够实现的功能及相应的硬件设备： 1.温度的采集2.热电偶放大电路 3. 实时分析与线性化功能，STC89C52 4. 模拟量的转换，ADC0832 5.实际温度值与A/D转换的显示，LCD1602实现综上所述，该热电偶采用模块设计

12、，可知该LCD显示器的总体设计方案如图2.2所示，软件部分的设计由硬件的初始化程序、ADC0832采样程序，线性化标度变换程序、温度值和A/D转换值的现实程序构成。数据采集是向ADC0832发出控制信号，将模拟量收集并转换成数字量传给STC89C52进行处理；线性化标度变换处理是将A/D转换后的数字量与模拟量构成的线性关系，再还原为与之对应的模拟量，由LCD现实程序进行显示。图2.2 主程序流程图第三章 硬件设计三.1 热电偶本课设选择K热电偶进行设计,K型热电偶能测量较高温度的热电偶。K型热电偶在热电偶系列中是准确度最高的一种，性能稳定，可测量的温度范围宽，耐用且使用寿命长等多个优点。在高温

13、下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性环境中。它不能用于还原性介质中，否则腐蚀性很强。它比S型热电偶要便宜的多，产生热电势大，因而灵敏度很高。3.2放大器其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点3.3单片机STC89C52本次设计采用STC89C52RC系列单片机，它是一种高性能、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，可以用串口（P3.0与P3.1）下载用户程序，实现在线编程功能。STC89C52系列单片机属于MCS51型系列单片机，它们的存储器在组织结构上有4个物理上相

14、互独立的空间：片内程序存储器和片外程序存储器，内部数据存储器和片外数据存储器。其中片外数据存储区共64KB，相应的地址空间为0000FFFFFH；片内数据存储区共256B，其中80HFFH为SFR（特殊功能寄存器区），20H2FH为位寻址区，00H1FH为R0R7工作寄存器区。STC89C52的引脚分布如图2-1所示。 图2-1 STC89C52单片机引脚图引脚功能如下:1. P1.0P1.7引脚：内部带有弱上拉的准双向I/O口，作输入引脚使用前，先向P1口锁存器写入1，使P1口引脚上拉至高电平；另外，P1.0与P1.1还有第二功能：T2（P1.0）是定时器T2的计数输入端或定时器T2的时钟输

15、出端，T2EX（P1.1）是定时器T2的外部触发输入端。2. P0.0P0.7引脚：作为I/O引脚使用时，P0口是漏极开路双向口，向口锁存器写入1时，I/O引脚将悬空，是高阻输入引脚；在读写外部存储器时P0口作低8位数据/地址总线。 3. P2.0P2.7引脚： 内部带有弱上拉的准双向I/O口，作输入引脚使用前，先向P2口锁存器写入1，使P2口引脚上拉至高电平；在读/写外部存储器时，P2口输出高8位地址信号A15A8。4. P3.0P3.7引脚：内部带有弱上拉的准双向I/O口，作输入引脚使用前，先向P3口锁存器写入1，使P3口引脚上拉至高电平；另外，P3口还有第二功能：RXD（P3.0）串行数

16、据接收（输入）端；TXD（P3.1）串行数据发送（输出）端；（p3.2）外中断0输入端；（P3.3）外中断1输入端；T0（P3.4）定时/计数T0的外部输入端；T1（P3.5）定时/计数T1的外部输入端；（P3.6）外部数据存储器写选通信号，低电平有效；（P3.7）外部数据存储器读选通信号，低电平有效；5. 引脚：外部程序存储器选择信号，低电平有效；在复位期间CPU检测并锁存引脚的电平状态，当读引脚为高电平时，从片内程序存储器取指令，只有当程序计数器PC超出片内程序存储器地址编码范围时，才转到外部程序存储器中取指令；当该引脚位低电平时，一律从外部程序存储器中取指令。6. ：外部程序存储器读选通

17、信号，低电平有效。7ALE：低8位地址锁存信号，在访问外部程序存储器时，ALE下降沿锁存从P0口输出的低8位地址信息A7A0，以便随后将P0口作为数据总线使用。在正常情况下，ALE输出信号为1/6振荡频率，并可用作外部时钟或定时信号。8. XTAL1：片内晶振电路反向放大器输入端，接CPU内部时钟电路； XTAL2：片内晶振电路反向放大器输出端；9. RST：复位信号输入端，高电平有效；10. VCC：电源引脚，VSS：电源地。3.4ADC0832数模转换器ADC0832是一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。输入输出电平与TTL/CMOS相兼容，5电源供电时输入电压在0到5v之间，芯片转换

18、时间为32S。由于它体积小，性价比高而受欢迎，目前已经有很高的普及率。本次设计采用它来实现模数转换功能，它能把模拟信号转换为可让STC89C52接收的数字信号。相应的引脚功能如下： 片选使能，低电平芯片使能；CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；GND 芯片参考0 电位（地）；DI 数据信号输入，选择通道控制；DO 数据信号输出，转换数据输出；CLK 芯片时钟输入；Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）；本次设计中模拟量的输入采用滑动变阻器与+5V电源来实现，ADC0832可以接收CH0与CH1两路模拟信号，它的选通引脚CS端受单片

19、机的STC89C52的P2.0控制，时钟CLK信号由单片机的P3.6引脚提供，P3.7引脚输出针对CH0与CH1的通道选择信号，经过处理后，在DO端输出转换后的数字信号，通过P3.7引脚发送给STC89C52。正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。3

20、.5LCD1602显示器LCD显示器是是一种用液态晶体材料制成的显示器件。它是一种利用外界光线照射液晶材料而实现显示的显示器件，利用液晶分子排列结构的可极性化和旋光特性进行工作。LCD显示器具有体积小、重量轻、工作电压低、功耗小、分辨率高等特点。广泛用于各种仪器仪表、低功耗系统等方面。LCD1602主要技术参数有显示容量:162个字符，芯片工作电压:4.55.5V，工作电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V，字符尺寸:2.954.35(WH)mm引脚功能说明：带背光的又16个脚，不带背光的又14个脚。1引脚GND：电源地2引脚VCC：5v电源正极3引脚VL：液晶显示器对比度调

21、整端；接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。4引脚RS：数据/命令寄存器选择；高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。5引脚R/W：读写选择；高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。6引脚E：使能端；当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。714（D0D7）脚：双向数据线。15脚BLA：背光源正极。16脚BLK：背光源负极。硬件图第四章 软件设计四.1 主程序流程图

22、 图2-1 热电偶LCD显示原理四.2 ADC0832数据采集程序图将ADC0832端口定义好之后，再将DI端置1，开始A/D转换，然后再送入通道“0”或者“1”的选择信息，在D0端先输出D7-D0数据，在输出D0-D7数据，然后比较两次输出的数据值是否相等，若不相等，继续采样，相等就返回采样。 图4.2 A/D采样子流程图四.3 线性化标度变化程序根据设计要求，进行线性化程序的编写。设计的原理是预先根据分度表计算出A/D转换值所对应这点的温度值t，形成数据表，单片机进行修正时，根据测量值的大小，找到合适的修正直线两个端点的温度值，通过简单直线方程计算出被测温度。 图4.3 线性化子程序流程图

23、 图4.4 LCD显示程序四.4 LCD显示程序按设计要求进行LCD显示器程序的编写。液晶显示模块为慢显示器件，在执行每条指令之强一定要确认模块的标志位为低电平。设置显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块显示字符的地方，最后将字符码写入指定位置。参考文献1. K型热电偶测量模块,国外电子元器件M.2002.082. 潘新民.微型计算机控制技术应用教程M.北京：电子工业出版社,2006.13. STC12C5410AD系列8052单片机中文指南.宏晶科技.STC89C52RC/RD系列单片机器件手册M.2007.114. 俞志根.热电偶基本原理和使用方法J.湖州职业技术学院.2009.1

24、15. 清源计算机工作室.Protel 99 SE电路设计与仿真M.北京：机械出版社.2001.46. 夏路易，电路原理图与电路模板设计教程M.北京：北京希望电子工业社出版.2002.156-1807. 梁明亮 韦成杰 郑州铁路职业技术学院学报M.2008.18. 杨文龙.单片机原理与应用.西安：西安电子科技大学出版社.19999. 杜洋.A/D转换芯片ADC0832的应用J.电子制作.2006.710. 潘永熊，新编单片机原理及应用M.西安：西安电子科技大学出版社.2007附件：#include #include #define uint unsigned int #define uchar

25、 unsigned charuchar table=XH:0867112102;uchar table1=T: A:;sbit adclk=P36;/与单片机连接口sbit adio=P37; sbit adcs=P20;uint t=0;sbit en=P12; /使能信号sbit rw=P11; /低时写sbit rs=P10; /高时写数据uint code WENDU=0x000,0x082,0x104,0x186,0x208,0x28A,0x30C,0x38E,0x410,0x492; /温度转折点uchar code N=0,28,56,85,115,144,173,201,229

26、,255; /二进制数转折点uchar table2=0123456789;/*声明子函数*/unsigned char read_com (void);unsigned char read_data(void);bit lcd_bz();/忙检测void write_com(uchar com);/写命令void write_data(uchar date);/写数据void lcd_pos(uchar pos);/设定显示位置void lcd_clr();/清屏子函数/*延时1毫秒*/void delay1ms(uint ms) uchar x; while(ms-) for(x = 0;

27、x200;x+) _nop_() ; _nop_() ; _nop_() ; _nop_() ; _nop_() ; /*LCD显示*/bit lcd_bz() /忙检测 bit result; rs = 0; rw = 1; en = 1; delay1ms(5); result = (bit)(P0&0x80); en = 0; return result;unsigned char read_com(void) unsigned char address; while(lcd_bz(); rs=0; rw=1; en=1; delay1ms(5); address=(P0|0x80);

28、en=0; return address;unsigned char read_data(void) uchar Data; rs=1; rw=1; en=1; delay1ms(5); Data=P0; en=0; return Data;void write_com(uchar com)/写命令 while(lcd_bz(); rs=0; rw=0; en=0; P0=com;/8位数据口 delay1ms(5); en=1; delay1ms(5); en=0;void write_data(uchar date)/写数据 while(lcd_bz(); rs=1; rw=0; en=0

29、; P0=date; delay1ms(5); en=1; delay1ms(5); en=0; void lcd_pos(uchar pos)/设定显示位置 write_com(pos|0x80); void lcd_clr()/清屏子程序 write_com(0x01);/清除LCD的显示内容 delay1ms(100); void init()/初始化 rw=0; en=0; write_com(0x38);/显示模式设置 write_com(0x0d);/开显示，没光标，不闪烁 write_com(0x06);/当读或写一个字符后指针加1，光标加1，当写一个字符时整屏不动 write_com(0x01);/清屏 所有显示清0，所有指针清0 void display1(uint Pv) uint i,j,k,w; i=Pv%1000%100%10; j=Pv%1000%100/10; k=Pv%1000/100; w=Pv/1000; lcd_pos(0x42); write_data(table2w); lcd_pos(0x43); write_data(table