熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、任務(wù)書課程 傳感器課程設(shè)計(jì)題目 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，硬件設(shè)計(jì)使用高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶電動(dòng)勢(shì)的采樣、放大、AD 轉(zhuǎn)換和對(duì)線性化處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并在程序中采用修正后的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)熱電偶的線性化處理。基本要求：基本要求：1、按照技術(shù)要求，提出自己的設(shè)計(jì)方案（多種）并進(jìn)行比較；2、利用熱電偶和單片機(jī)等設(shè)計(jì)一種熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)電路。3、說明所用傳感器的基本工作原理、畫出應(yīng)用電路電路圖、寫明電路工作原理、注明元器件選取參數(shù)、進(jìn)行方案比較。主要參考資料：主要參考資料：1崔志尚.溫度計(jì)量與測(cè)試M.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，19982趙茂泰.智

2、能儀器原理及應(yīng)用M.北京: 電子工業(yè)出版社，2007.3陳杰，黃鴻.傳感器與檢測(cè)技術(shù)M.北京: 高等教育出版社，2006.4劉華東.單片機(jī)原理與應(yīng)用M.北京: 電子工業(yè)出版社，2006.完成期限 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2016 年 5 月 7 日傳感器課程設(shè)計(jì)摘 要在現(xiàn)代化的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng), 常用熱電偶測(cè)試高溫,測(cè)試結(jié)果送至主控機(jī)。熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器之一，它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便、準(zhǔn)確度、熱慣性小、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性好、溫度測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，適用于信號(hào)的遠(yuǎn)傳、自動(dòng)紀(jì)錄和集中控制，在溫度測(cè)量中占有重要地位。但由于熱電偶的熱電勢(shì)與溫度呈非線性關(guān)系, 所以必須對(duì)熱電偶進(jìn)行線性化處理以保持測(cè)試

3、精度。該測(cè)溫系統(tǒng)通過高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705對(duì)熱電偶電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行采樣、放大, 并在單片機(jī)內(nèi)采用一定算法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的線性化處理, 再通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD421進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生4 mA 20mA的電流, 送入主控中心。關(guān)鍵詞：熱電偶；線性化；AD 轉(zhuǎn)換；DA 轉(zhuǎn)換；單片機(jī)傳感器課程設(shè)計(jì)目 錄一、設(shè)計(jì)要求.1二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn).11、方案說明.12、方案論證.2三、傳感器工作原理.2四、電路的工作原理.3五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇.31、單元電路設(shè)計(jì).42、參數(shù)計(jì)算.53、器件選擇.6六、總結(jié).7參考文獻(xiàn).8傳感器課程設(shè)計(jì)0熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求以單片機(jī)為核心，進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)

4、控制和線性化算法的運(yùn)算，使A/D 轉(zhuǎn)換精度更好；在算法處理上，使用最佳計(jì)算方法，使得線性化算法達(dá)到運(yùn)算量小、處理速度快、占用內(nèi)存小等要求，并使該系統(tǒng)能很好的解決熱電偶測(cè)試高溫的精度問題。二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)本設(shè)計(jì)是基于 STC89C52 單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)。對(duì)于系統(tǒng)可分為下面兩種不同的設(shè)計(jì)方案：1、方案說明方案一：系統(tǒng)由型熱電偶和集成溫度傳感器AD590測(cè)量熱端和冷端溫度，采用USB采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集并傳輸給計(jì)算機(jī)。根據(jù)熱電偶中間溫度定律1，編制軟件采用查表和曲線擬合進(jìn)行非線性校正及冷端補(bǔ)償。利用LabVIEW的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取、分析函數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度趨勢(shì)曲線和統(tǒng)計(jì)直方圖的繪制2。本系統(tǒng)將濾波、非線性

5、和冷端補(bǔ)償?shù)裙δ苡绍浖?shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，但成本較高。 熱電偶 補(bǔ)償導(dǎo)線 熱端 冷端圖1 方案一原理框圖方案二：控制電路以單片機(jī)為中心，控制其他部分完成各自的功能。其中模/放大放大AD590USB 數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)傳感器課程設(shè)計(jì)1數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用16位高精度AD轉(zhuǎn)化器AD7705，采用自校準(zhǔn)，提高其抗干擾能力和精度；數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分采用高精度DA轉(zhuǎn)換器AD421，在電路設(shè)計(jì)上，采用光隔離，控制AD421 完成其功能，AD421為16位高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，它將來自單片機(jī)線性化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生4mA-20mA電流，送控制中心3。這種方案保證成本，采用了良好

6、的線性化算法，編程又采用可節(jié)約內(nèi)存的匯編語(yǔ)言，使得測(cè)量速度快，測(cè)量結(jié)果能滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。 去4mA-20mA測(cè)量電路 圖 2 方案二原理框圖2、方案論證從精確度來看，方案一強(qiáng)于方案二，但方案二電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，占用內(nèi)存較小，抗干擾能力強(qiáng)，成本較低。所以一般地說，需要穩(wěn)定性好可選用方案一測(cè)量電路，若考慮便于與單片機(jī)接口連接，那么方案二測(cè)量電路就由其方便之處。因此本設(shè)計(jì)中選用方案二。三、傳感器工作原理熱電偶傳感器的工作原理：兩種不同成份的導(dǎo)體兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)4。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接

7、用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做測(cè)量端，另一端叫做補(bǔ)償端；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。如圖 3 所示。 電極 電極補(bǔ)償端測(cè)量端傳感器AD7705A/D 轉(zhuǎn)換器STC89C52單片機(jī)AD421D/A 轉(zhuǎn)換器傳感器課程設(shè)計(jì)2圖 3 熱電偶工作原理圖熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自

8、由端溫度在 0時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。四、電路的工作原理電路的工作原理圖如圖 4 所示。圖 4 總原理圖測(cè)溫系統(tǒng)通過高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705對(duì)熱電偶電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行采樣、放大, 并在單片機(jī)內(nèi)采用一定算法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的線性化處理, 再通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD421進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生4 mA 20mA的電流, 送入主控中心并顯示。傳感器課程設(shè)計(jì)3五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算

9、和器件選擇1、單元電路設(shè)計(jì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分電路如圖5所示。圖5 A/D轉(zhuǎn)化電路原理圖采用16位、雙通道、高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能的AD7705。AD7705能直接對(duì)來自傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換5。使用時(shí)通過單片機(jī)控制其單雙極性、增益倍數(shù)、選擇通道的輸入和工作模式的選擇等；用AD584基準(zhǔn)芯片為AD7705采集模塊提供基準(zhǔn)電壓，使AD7705可以正常且穩(wěn)定的工作6。數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分電路如圖6所示。傳感器課程設(shè)計(jì)4圖6 D/A轉(zhuǎn)化電路原理圖采用16位高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD4217。AD421由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字信號(hào)以串行方式輸入，4-20mA電流輸出，可實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制。AD421

10、內(nèi)部含有電壓調(diào)整器可提供+5V，+3.3V或+3V輸出電壓，還含有+1.25V，+2.5V 基準(zhǔn)電源，均可為其自身或其它電路選用8。AD421 采用-DAC結(jié)構(gòu)，保證16位的分辯率和單調(diào)性，其積分線性誤差為0.001%，失調(diào)誤差為0.1%，增益誤差為0.2%，其標(biāo)準(zhǔn)的三線串行接口可在10Mbps下運(yùn)行，便于與通用微處理器或微控制器相連。2、參數(shù)計(jì)算軟件是算法和功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。該部分主要完成的任務(wù)是： A/D 轉(zhuǎn)換器的配置、啟動(dòng)和數(shù)據(jù)讀取。對(duì)信號(hào)的線性化處理。D/A 轉(zhuǎn)換器配置和數(shù)據(jù)讀取。其中線性化算法主要參考“最佳非等距線性插值算法在熱敏電阻測(cè)溫中的應(yīng)用”，提出一種“最佳非等距離分段算法”，根

11、據(jù)標(biāo)度轉(zhuǎn)換，在不同分段上推導(dǎo)出y = kx+ b的線性化算法。整體設(shè)計(jì)和調(diào)試，以K分度熱電偶為例。通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，模擬補(bǔ)償后的K分度熱電偶的熱電勢(shì)，送入AD7705完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行線性化處理，使處理后單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)與溫度呈現(xiàn)線性關(guān)系；最后再將線性化后的數(shù)據(jù)，送至AD421經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，輸出電流值9。本系統(tǒng)采用誤差修正公式來消除系統(tǒng)誤差，從輸出端引反饋量到輸入端來改善系統(tǒng)的穩(wěn)定。在無(wú)誤差的理想情況下, 有 = 0，i = 0，K是常數(shù), 于是存在關(guān)系 (1)Kxy Comment c1: 表格上下邊線加粗傳感器課程設(shè)計(jì)5在有誤差的情況下, 則有 (2) yxKy

12、(3)21RyiRyy由此可以推出 (4)01bybx可改寫成下簡(jiǎn)明形式 (5)011bxby式中：x熱電偶產(chǎn)生的電壓；y帶誤差的輸出到D/A轉(zhuǎn)換器的電壓；影響量（例如零點(diǎn)漂移或干擾）；i偏差量（例如直流放大器的偏置電流）；K影響特性（例如放大器增益）。把熱電偶分度表各溫度時(shí)電壓值x經(jīng)過運(yùn)算求出各溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的y值，y值一般包含小數(shù)，由于A/D轉(zhuǎn)換器的離散性和分辨率的限制，所以只保留整數(shù)部分，保存到單片機(jī)ROM中，在每次測(cè)量完溫度數(shù)據(jù)后直接由y值查表，運(yùn)算求相應(yīng)溫度。3、器件選擇表 1 元器件清單標(biāo)號(hào)元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量C1,C2電容33p各 1C3,C4電容103各 1C5，C7，C9,C19電解電容10各 1C6,C8,C12,C18電容0.1各 1C10,