热电偶测温仪

内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题目：热电偶测温仪学生姓名：学号：专业：测控技术与仪器班级：2010-1指导教师：内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书I摘要本设计简要介绍了热电偶测温仪的测温原理、所用的硬器件结构与工作原理，并对其进行了硬件设计和软件设计，然后对其最终显示做了试验。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。通过测定，验证测温仪的误差大小，以便可以工程使用。该测温仪是以STC89C52RC单片机为核心，由K型热电偶测量温度，由MAX6675模块对数据进行冷端补偿、A/D转换、信号放大，采用LCD显示屏显示。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，该热电偶采用K型镍铬-镍硅热电偶，测量范围在0—800℃之间，使用＋5V电源。关键词：热电偶测温仪;MAX6675;STC89C52RC单片机;热电偶内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书II目录摘要................................................................I第一章设计方案.....................................................11.1热电偶测温原理..............................................11.2热电偶测温仪系统............................................1第二章硬件选型及设计...............................................32.1K型热电偶...................................................32.2MAX6675模块.................................................32.3STC89C52RC单片机............................................82.4LCD液晶显示器..............................................122.5硬件电路设计................................................12第三章软件程序设计................................................133.1主程序设计.................................................133.2数据读取程序设计...........................................13总结...............................................................15参考文献...........................................................16附录A设计电路图.................................................17附录B源程序......................................................18内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书1第一章设计方案1.1热电偶测温原理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。热电偶传感器是一种将温度变化转化为电势变化的传感器，它是由两种不同的金属A和B构成一个闭合回路，当两个接触端温度不同，即TT0时，回路中会产生热电势EAB（T，T0），如图1所示。其中，T称为热端，T0称为冷端，A和B称为热电极。热电势EAB（T，T0）的大小是由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势所决定的。EAB（T，T0）=E（T，Tn）+E（Tn，T0）其中Tn是参考温度，T0零温。图1.1热电偶原理图1.2热电偶测温仪系统基于热电偶的温度检测框图如图1.2，温度由K型热电偶检测，并经MAX6675模块进行信号处理（信号放大、A/D转换、冷端补偿）。STC89C52RC单片机读取转换的数字信号并进行必要的处理后，将数据传给LCD1602显示器显示。其中温度传感器选用的是K型热电偶（镍铬-镍硅热电偶），测温范围选用0—800度。因为采用MAX6675模块，所以减轻了系统设计的很多难题，MAX6675是一个复杂的热电偶数字转换器，带有一个内置的12位模拟数字转换器模数转换内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书2器（ADC）。MAX6675还包含了冷结补偿传感和校正，数字控制器，一个SPI兼容接口，以及相关的控制逻辑。在MAX6675的目的是一起工作的外部微控制器或其他情报，恒温，过程控制，或监测应用。热电偶（0-800℃）MAX6675STC89C52RCLCD1602图1.2热电偶测温仪方框图内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书3第二章硬件选型及设计本设计使用的硬件主要有K型热电偶、MAX6675模块、STC89C52RC单片机、1602LCD显示器。下文将对所有器件进行说明。2.1K型热电偶K型热电偶材料主要采用的是镍铬－镍硅合金构成，它是一种能测量较高温度的性价比很高的热电偶,是工业自动化控制中最常用的一种热电偶。由于镍铬－镍硅合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。因此这种K型热电偶可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。但是，它不能用于还原性介质中，否则，很快腐蚀损坏，在此情况下只能用于500度以下的测量。它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。总结起来K型热电偶主要有三方面优点:1.热电动势之直线性良好；2.1000℃以下耐氧化性良好；3.在溅金属热电偶中安定性属良好。K型热电偶存在着以下三方面的缺点:1.不适用于还元性气体环境，特别是一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体;2.热电动势与贵金属热电偶相比较时变化较大;3.受Greemrot之影响会产生误差。2.2MAX6675模块热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单。制造容易。使用方便。测温范围宽。测温精度高等特点。但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题。①非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。②冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0℃时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿。③数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然法直接满足这个要求。因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号放大、A/D转换、数据线性化、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书4大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。Maxim公司推出的MAX6675即是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。MAX6675是一个复杂的热电偶数字转换器，带有一个内置的12位模拟数字转换器模数转换器（ADC）。MAX6675还包含了冷端补偿传感和校正，数字控制器，一个SPI兼容接口，以及相关的控制逻辑。图2.1典型电路连线图【1】性能特点MAX6675的主要特性如下1、简单的SPI串行口温度值输出2、0℃～1024℃的测温范围3、片内冷端补偿4、高阻抗差动输入5、热电偶断线检测6、单一5V的电源电压7、低功耗特性8、工作温度范围-20℃～85℃9、2000V的ESD信号内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书5表2.1MAX6675引脚功能引脚名称功能1GND接地端2T-K型热电偶负极3T+K型热电偶正极4VCC正电源端5SCK串行时钟输入6CS片选端，CS为低时、启动串行接口7SO串行数据输出8NC空引脚【2】工作原理该器件是一复杂的单片热电偶数字转换器，内部具有信号调节放大器、12位的模拟/数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。图2.2MAX6675内部结构框图内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书6（1）温度变换MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T和T-输入端连接到低噪声放大器A1,以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大，再经过A2电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。对于K型热电偶，电压变化率为41μV/℃，电压可由线性公式Vout=(41μV/℃)×(tR-tAMB)来近似热电偶的特性。上式中，Vout为热电偶输出电压(mV),tR是测量点温度；tAMB是周围温度。（2）冷端补偿热电偶的功能是检测热冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0℃～1023.75℃范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，温度在-20℃～85℃范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，MAX6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到ADC中转换，以计算热电偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675可获得最佳的测量精度。因此在实际测温应用时，应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。（3）热补偿在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误大小依赖于MAX6675封装的热传导性。安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高MAX6675温度测量精度。（4）噪声补偿MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声影响，可在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1μF陶瓷旁路电容。（5）测量精度的提高热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高：①尽量采用不能从测量内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书7区域散热的大截面导线；②如必须用小截面导线，则只能应用在测量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线；③避免受能拉紧导线的机械挤压和振动；④当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；⑤在温度额定值范围内使用热电偶导线；⑥避免急剧温度变化；⑦在严劣环境中，使用合适的保护套以保证热电偶导线；⑧仅在低温和小变化率区域使用扩展导线；⑨保持热电偶电阻的事件记录和连续记录。（6）SPI串行接口MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与MCU接口，且MAX6675只能作为从设备。MAX6675SO端输出温度数据的格式如图2.5所示，MAX6675SPI接口时序如图2.4所示。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：MCU使CS变低并提供时钟信号给SCK,由SO读取测量结果。CS变低将停止任何转换过程；CS变高将启动一个新的转换过程。一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，