热电偶测温仪

热电偶测温仪设计一、热电偶测温技术1.1热电偶特点热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，在工业用温度传感器中占有及其重要的地位。它结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传。该热电偶测温仪的软件用C语言编写，采用模块化结构设计。1.2热电偶工作原理热电偶是利用物理学中的赛贝克效应制成的温敏传感器。当两种不同的导体A和B组成闭合回路时，就构成了一个热电偶。如图1.1。图1.1温度T端为感温部分，成为热端；温度T0为连接仪表部分，称为冷端。当热端温度T和冷端温度T0不同时，在回路中就产生热电势EAB（T,T0）,这种显现称为热电效应，这个电动势通常称为热电势。热电式的大小与T和T0之差（称为温差）的大小有关。由热电偶回路热电势的分布理论可知，热电偶的热电势仅仅是热电偶两端温度T和T0的函数之差，即：EAB(T,T0)=EAB（T）-EAB（T0）式（1.1）热电偶测温仪2/26也就是说，热电偶的热电势等于热端与冷端温度T和T0所引起的电势差。1.3二次查表和冷端温度补偿实际测温中，冷端所对应的热电势要随冷端温度（环境温度）的变化而变化。要保证冷端温度恒定是十分困难的，在一定程度上，测量精度取决于冷端温度的影响。只有当热电偶冷端温度保持不变，热电动势才是被测温度的但只函数。标准中规定结点的热电动势为0℃时的热电动势。由式（1.1）可知，如果当T=0时可得：EAB（T0）=EAB（0）-EAB(0,T0)式（1.2）又当T0=0时可得：EAB（T）=EAB（T,0）-EAB(0)式（1.3）把式（1.2）和式（1.3）带入式（1.1）式得：EAB（T，0）=EAB（T,T0）+EAB(T0,0)式（1.4）在式（1.4）中，EAB（T，0）是冷端温度为0℃，热端温度为T时的热电势，此值就是成品热电偶给定的分度表值；EAB（T,T0）是热端温度为T，冷端温度为T0时的热电势，也就是实际测量到的热电势值；EAB(T0,0)是假定冷端温度为0℃，和实际冷端温度为T0时得到的热电势，在实测中，用集成测温传感器AD590测量T0，然后从对应热电偶的分度表中自动查出所对应的热电势EAB(T0,0)，这是第一次查表求出的值，也就是冷端温度补偿所对应的热电势值。通过单片机把实测到的EAB（T,T0）值与冷端温度补偿EAB(T0,0)值代数相加，就可得到冷端温度为0℃，热端温度为T时的热电势EAB(T0,0)值，再从分度表中自动查得对应于EAB(T0,0)的温度值，这既是第二次查表求出的值，这个值就是热锻偶热端所得的实际温度。在实际生产中，热电偶热端（测量端）与冷端相距很远，冷端又暴露于空气热电偶测温仪3/26当中，易受环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此需要把冷端延伸并进行温度补偿。本设计使用AD590温度传感器测冷端结点温度，对其提供0--12V电压，连接成温度补偿电路。二、电路设计该测温仪是以AT89C51单片机为核心，由AD590集成温度传感器测量冷端温度T0，由热电偶测量热端温度T。它们分别经过I/V转换和线性放大，分时进行A/D转换，转换后的数字信号送入AT89C51单片机，经单片机运算处理，转换成ROM地址，在通过以上介绍的二次查表法计算出实际温度值。此值送4位共阴极LED数码管显示。另外还采用X25045作为看门狗芯片。在运算处理上，除了需要对采集到的信号进行A/D转换外，还需要在AT89C51单片机里对信号进行线性化标度变换。这一过程通过软件实现。软件部分将在后面介绍。2.1硬件结构特点指标及特点：该热电偶采用S型铂铑—铂热电偶。测温仪的测量范围在800—1600℃之间。使用＋12V和＋5V电源。采用4位共阴极LED显示。AT89C51S型铂铑—铂热电偶AD590放大I/VA/D转换ADC08094×LED报警tt074LS164＋5V电源+12V电源MAX705键盘图2.1微机化仪表框图核心部分：CPU采用内带4K电擦写EEPROM的89C51单片机，它是一种低功耗、高性能的8位CMOS微处理芯片，是目前单片机中性能价格比较优良的控热电偶测温仪4/26制芯片，而且与使用最广泛的51系列完全兼容，工作范围宽，具有加密功能。数码显示电路：在显示电路中采用4位共阴极LED静态显示，LED驱动器为74LS164。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。缺点是使用元件多，线路比较复杂。共阴极LED数码管显示如图2.2和图2.3。X脚是共阴极，当在它的a、b、c、d、e、f、g、DP加上正向电压时，各段发光二极管就点亮。图2.2共阴极显示原理图图2.3管脚分布抗干扰电路：应MAX705搭构该测温仪表的看门狗电路。看门狗电路实际是一个可重触发单稳态电路，当程序正常运行时，每隔一段时间将单稳电路触发一次，使其经常处于非稳定状态。当由于外界干扰或其它不正常状态使用程序进入死循环或飞逸时，则监控程序不再触发单稳，单稳“翻转”，于是产生一个正脉冲加到抚慰短使系统复位。起到了断电保护和提高了仪表的抗干扰能力。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。硬件看门狗电路：硬件看门狗是指集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路，它实际上是一个特殊的定时器，当定时时间到，发出溢出脉冲。从实现角度上看，该方式是一种软件与片外专用电路相结合的技术，硬件电路连接好以后，在程序中适当地插入一些看门狗复位的指令，保证程序正常运行时看门狗不溢出；而当程序运行异常时，看门狗超时发出溢出脉冲，通过单片机的RESET引脚使单热电偶测温仪5/26片机复位。为增加系统可靠性,本设计中使用增加了可编程看门狗监控E-2PROM芯片X25045。X25045是美国Xicor公司推出的带E2PROM的μP控制电路X25043/X25045系列芯片。X25045引脚图如图2.4。管脚的说明：SO——串行输出SI——串行输入SCK——串行时钟输入VSS——地VCC——电源电压RESET——复位输出当系统发生放障时,在一定的超时周期后,X25045看门狗将发出RESET信号,使系统复位,正常工作。X25045亦符合SPI总线标准,连线简单,方便。主要特点如下：看门狗定时器对微控器提供了独立的保护系统；利用低VCC检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响；存储器部分是CMOS的串行E2PROM，它内部按512×8来组织，10万次写入次数：100年数据储存。图2.4X25045管脚X25045包括一个8位指令寄存器。它可通过SI输入来访问，数据在SCK的上升沿由时钟同步输入。在整个工作期内，必须是低电平且输入必须是高电平。X25045监视总线，如果在预置的时间周期内没有总线的活动，那么它将提供RESET输出。键盘：有时为因为生产要求，需要重新设定和更改上下限报警值或者也其它控制参数。所以该设计也可以补加键盘。报警：设计中有上下限报警。报警显示为一个LED红灯。当被测温度低于下限或高于上限时，报警红灯亮，显示报警。2.2AT89C51单片机AT89C51单片机DIP封装及引脚图如图2.5。管脚说明参见表2.1。性能指标和特点：X25045CSSOWPVSS__VRESETSCKSICC热电偶测温仪6/26AT89C51单片机的主要性能指标和特点：1、与MCS-51兼容2、全静态工作：0Hz-24Hz3、三级程序存储器锁定4、128*8位内部RAM5、32可编程I/O线6、两个16位定时器/计数器7、5个中断源8、可编程串行通道9、低功耗的闲置和掉电模式P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.78RST9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20Vcc40P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732EA/VPP31ALE/PROG30PSEN29P2.728P2.627P2.526P2.425P2.324P2.223P2.122P2.021P1.67图2.5AT89C51单片机DIP封装及管脚表2.1管脚描述名称管脚类型功能Vss20I地Vcc40I电源：提供掉电空闲正常工作电压P0.0-0.739-32I/OP0口：P0口是开漏双向口，可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入。P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1。P1.0-1.71-8I/OP1口：P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入热电偶测温仪7/261时，P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。P1口第2功能：T2(P1.0)：定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出。T2EX(P1.1)：定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制。P2.0-2.721-28I/OP2口：P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时，P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性)。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址(MOVX@DPTR)，此时通过内部强上拉传送1。当使用8位寻址方式(MOV@Ri)访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。P3.0-3.710-17I/OP3口：P3口是带内部上拉的双向I/O口，向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性)。P3口还具有以下特殊功能：RxD(p3.0)：串行输入口TxD(P3.1)：串行输出口INT0(P3.2)：外部中断0INT1(P3.3)：外部中断T0(P3.4)：定时器0外部输入T1(P3.5)：定时器1外部输入WR(P3.6)：外部数据存储器写信号RD(P3.7)：外部数据存储器读信号RST9I复位：当晶振在运行中，只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。PSEN29O程序存储使能：当执行外部程序存储器代码时，PSEN每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器时PSEN无效，访问内部程序存储器时PSEN无效。XTAL119I晶体1：反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入XTAL218O晶体2：反相振荡放大器输出EA/Vpp31I外部寻址使能/编程电压：在访问整个外部程序存储器时，EA必须外部置低。如果EA为高时，将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址。该引脚在对FLASH编程时接5V/12V编程电压(Vpp)。如果保密位1已编程，EA在复位时由内部锁存。ALE30O地址锁存使能：在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率。并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略。ALE可以通过置位SFR的auxlilary.0禁止，置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。热电偶测温仪8/262.3冷端补偿电路冷端补偿电路应用AD590温度传感器，连接补偿电路如图2.6。AD590温度传感器是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流。其规格如下：1、线性电流输出：1μA/K，正比于热力学温度。2、宽温度范围：-55～+150℃。3、精度高：激光校