基于单片机温度检测设计1

牡丹江师范学院本科生毕业设计1第1章引言1.1测温系统设计目的和意义温度作为一个物理参量，在我们日常生活中非常重要，并且在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。良好的温度检测系统不仅是安全生产的前提，同时较高精度的温度检测还能间接的实现降低能耗。例如，在一些精密机械加工行业和制药行业等，良好的温度检测就可以提高产品的合格率，降低生产消耗。1.2发展现状伴随着科技的发展温度传感器已经有许多的类型如：传感器AD590、传感器DS1820、热敏电阻、热电偶等。但是由于本设计所要实现的是对工业温度（500℃-1500℃）检测进行检测，同时参考其所能实现的精度，该设计采用热电偶，其具有以下诸多优点。结构简单，其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端接在一起而成的；具有较高的精确度；测量温度范围宽，厂用的热电偶，低温可测到-50℃，高温可达到1600℃左右，配有特殊材料的热电偶，最低可测到-180℃，最高可达到2800℃的温度；具有良好的敏感度；使用方便等。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。该设计根据设计任务要求出发，选取K型热电偶为本设计的测温原件。热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下。牡丹江师范学院本科生毕业设计2组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔[1][2]。本设计以热电偶为测温元件经过单片机进行相应的数据处理，能够比较精确的实现温度的检测。同时也可以进行扩展，实现远距离的串行通信。因此能够较好的适应对温度要求较高的工业应用场合，同时也可应用在楼宇等温度检测及显示。1.3本文主要工作本文主要阐述了一款基于AT89S52单片机控制，以E型热电偶为温度传感器的温度仪表的设计。在整个系统的设计过程中为了达到0.5级误差的设计要求，对热电偶采取电桥补偿法进行冷端补偿，分段折线法进行线性拟合。由AT89S52、HD7279及仪用仪表放大电路等构成整个系统的硬件组成。同时考虑网络控制在现代工业控制中的作用，系统同时设计了RS-485通讯。牡丹江师范学院本科生毕业设计3第2章系统的总体设计按任务书的设计要求，可将整个系统分为四大部分：K型热电偶测温单元、单片机及其外围硬件电路设计、数据处理及软件设计及系统电源设计。图2.1为整个系统的结构框图。框图中温度传感器的作用是对工业现场中的温度参数进行采集，信号处理作用是对温度传感器的输出信号进行放大、滤波及数模转换，AT89S52单片机的作用是对系统的相关数据进行处理，显示和键盘的显示数据及输入控制。时钟芯片的作用是为整个系统体提供时间参数。整个系统的工作过程中采用温度传感器K型热电偶对工业现场中的温度参数进行采集，温度传感器的输出信号经过放大、滤波、A/D转换信号处理这一环节，被送入AT89S52进行数据的相关处理。上位机通过RS-485通讯这一环节对下位机进行相应的控制，如显示、读取相关时间参数。图2.1系统结构框图AT89s52单片机显示电路信号处理上位机时钟电路牡丹江师范学院本科生毕业设计4第3章K型热电偶测温单元K型热电偶的概述K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，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℃到1300℃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。3.1热电偶工作原理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3.1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。实验证明，当电极材料选定后，热电偶的热电动势仅与两个接点的温度有关，即dEAB(t1,t2)=SAB×dt（3.1）比例系数SAB称为热电动势率，它是热电偶最重要的特征量。3.2K型热电偶的冷端补偿一热电偶测温时冷却补偿的必要性理论上测量是以冷端在零度为标准测量的。所以，使用时必须遵守该条件。如果参考端温度不是0℃，尽管被测温度不变，热电势(t,tn)将随参考端温度的变化而变化。,然而，通常测量时仪表是处于室温之下的，由于冷端不为零度，造成热电势差减小，使测量不准，出现错误。所做的补偿措施就是冷端温度补偿.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图3.1热电偶原理图工作端自由端AAB12牡丹江师范学院本科生毕业设计5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。热点偶的分度表等都是以热电偶参考温度等于0℃为条件的。因此，一般工程测量中参考端处于室温或波动的温区，此时要测得真实温度就必须进行修正或采取补偿等措施。二常用的补偿方法在实际应用的过程中冷端补偿的方法有很多种,下面就常用的三种方案进行讨论。1．热点偶补偿法在热电偶回路中反向串联一支同型号的热电偶，称为补偿热电偶，并将补偿热电偶的测量端置于恒定的温度T0处向热电势来补偿工作热电偶的参考端热电势，如图3.2所示。这里T1等于Tn，T0等于0℃,则可得到完全补偿。当T0不等于0℃时，再利用上述方法进行修正。此法适合用于多点测量，可应用一个补偿热电偶同多个工作热电偶采取切换的方法相对接。图3.2热电偶补偿法2，0℃恒温法把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的参考端置于其中，在一个大气压的条件下，即可保持冰水保持在0℃，这时热电偶输出的热电势与分度值一致。实验室中通常采用这种方法。今年来，已生产一种半导体制冷器件，可恒温在0℃。3．电桥补偿法在热电偶的正端接入一个直流不平衡电桥，也称冷端补偿器，它的输出端与热电偶串接，电桥的三个桥臂（Ra,Rb,Rc）由电阻温度系数很小的锰铜丝绕制，使其值不随温度变化；另一桥臂(Rc)由温度系数较大的铜丝绕制，其阻值在20℃时为Rc等于1,此时电桥平衡，a,b两端没有电压输出。当电桥所处的环境温度变化时，电阻Rc的阻值随之改变。于是电桥将有不平衡电压输出。Rc电阻经过适当的选择，可使电桥的输出电压特性与配用的热电偶的热电特性相似，同时电位差的方向在超过20℃时与热电TnTnmVT0T0AA`T0TB`牡丹江师范学院本科生毕业设计6偶的热电势方向相同；若低于20℃时与热电偶的热电势方向相反，从而自动地得到补偿。这种补偿的原理可用如下电势关系描述。EAB(T,Tn)=EAB(T,T0)-EAB(Tn,T0)（3.3）若使电桥的不平衡输出电压随温度的变化值等于EAB(T0，Tn)，则显示仪表的示值为：EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)=EAB(T,T0)（3.4）这就是被测温度的真实值。如图3.3所示RdRaRcRbR19ResBridge+-2热电偶R21abVCC使用电桥补偿法的注意事项在使用这种补偿器时，由于所设计的电桥是在20℃输出为零，故必须把显示仪表的起始点调整到20℃所对应的位置。此外，必须注意，各种冷端温度补偿器只能与相应型号的热点偶及在所规定的温度范围内配套使用，因为热电偶的输出特性是非线性的，只在某一温度区内能实现近似的线性。冷端温度补偿器与热电偶连接时，极性切勿接反，否则会增大温差。3.3K型热电偶的放大电路1，放大电路的作用热电偶的放大电路主要是将热电偶测量温度所得的电压信号进行放大，以达到下一步A/D所需要的电压范围，因此需要放大电路有较高的放大系数、稳定性等。一些简单的应用电路如图。图3.3电桥补偿法牡丹江师范学院本科生毕业设计71U1A10KR11KR2232KR3R4R5VCC+-2热电偶A0I图3.5同向比例放大电路这是一种常见的放大电路，根据本设计中使用环境的需要，本设计采用仪用仪表放大电路如图3.6所示。根据上述方案，放大电路的原理图如图3.6所示。U8A，U8B，U10A及相应电阻构成前置仪用仪表放大器。本级分配的差模电压增益为：其中U8A，U8B构成的差放分配13，U10A构成的差放分配2，为保证仪用仪表放大器有较好的抗共模干扰能力，48KR281MΩR24U9A48KR270.033uFC9CapRP1A0IVoLF411+9V-9V图3.6仪用仪表放大器牡丹江师范学院本科生毕业设计8应选用对称的电阻参数，既R20=R23，R17/R16=R29/R26。根据“两虚”的概念和增益的分配有。13v22202322i211RRRRvvAVDoo（3.5）116172132RRvvvAVDooo（3.6）由于对电路的功耗和分布参数没有特殊，所以可选取参考的要求电阻R22=2K,R16=16K。由上述关系算出：R20=R23=12K，R26=R16=10K，R17=R29=10K。此时前置仪用仪表放大器差模电压增益满足设计的要求。为避免输入端开路时放大器出现饱和状态，在两个输入端到地之间分别串界两个电阻R18，R25。为满足差模输入阻抗大于107的要求，取R18=R25=20M。第二级及电阻、电容组成带通滤波器，由于总增益要求，前置级已分配，所以本级通带内的差模电压增益应为：21272833RRVVAVDOO（3.7）取R28=48K，则R27=48K。此时，总的差模电压增益为。AVD=AVD1×AVD2×AVD3=23（3.8）C1、R8构成高通滤波器，设计要求为fL=0.05HZ。取R8=1M,则根据fL=1/(2pi×C1×R8)可算出C1=3.18µF,取C1=3.3µF标称值的电容器，则可满足要求。同理C2,R10构成低通器，要求上限频率为100HZ.则根据fH=1/(2pi×C2×R10)和R10=48K,可算出C2=0.03316µF,取C2=0.033µF标称值，则可满足要求。3.4K型热电偶的非线性校正由于热电偶的温度特性有较严重的非线性特性，如不加校正是无法达到0.5级的显示精度，所以非线性校正环节是直接影响仪表显示准确度的关键环节。方案一：以函数发生电路对热电偶的非线性校正[1][3]。首先，观察E型热电偶的温度－毫伏特特性，如图3.8所示。为补偿其非线性，要求在放大器中串入线性化环节，其特性如图3.9所示。加入线性化组件后，两曲线叠加，热电偶温度t和输出电压之间就有线性关系以下分函数发生器实现图3.8曲线将曲线分成2段：OA段曲线和AB段直线，先设计出产生曲线OA的函数发生器，再设计出产生直线AB的函数发生器，OA与AB相加，即为整条曲线。图3.10为三段线段相加形成一条线性化电路总特性曲牡丹江师范学院本科生毕业设计9线过程。K型热电偶的温度－毫伏特特性线性化环节特性图方案二：用改变参考电压来校正热电偶非线性[9]。热电偶非线性校正的原理如图3.7所示。热电偶产生的热电势经参比端补偿和调起点处理后，经过放大倍数（可调）的放大器成为输送至7107的VIN+端的信号V0。约为2.5V的基准电压E经两个阻值相等的电阻R0分压后加至7107的VREFHI端。7107的COM端、VREFLO端相连并接地。7