熱電偶測溫系統(tǒng)設計

年4月19日熱電偶測溫系統(tǒng)設計文檔僅供參考，不當之處，請聯(lián)系改正。任務書課程傳感器課程設計題目熱電偶測溫系統(tǒng)設計 主要內(nèi)容：本系統(tǒng)以單片機為核心，硬件設計使用高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，分別實現(xiàn)對熱電偶電動勢的采樣、放大、AD轉(zhuǎn)換和對線性化處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并在程序中采用修正后的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)熱電偶的線性化處理?；疽螅?、按照技術要求，提出自己的設計方案（多種）并進行比較；2、利用熱電偶和單片機等設計一種熱電偶測溫系統(tǒng)電路。3、說明所用傳感器的基本工作原理、畫出應用電路電路圖、寫明電路工作原理、注明元器件選取參數(shù)、進行方案比較。主要參考資料：[1]崔志尚.溫度計量與測試[M].北京：中國計量出版社，1998．[2]趙茂泰.智能儀器原理及應用[M].北京:電子工業(yè)出版社，.[3]陳杰，黃鴻.傳感器與檢測技術[M].北京:高等教育出版社，.[4]劉華東.單片機原理與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社，.完成期限指導教師專業(yè)負責人5月7日摘要在現(xiàn)代化的工業(yè)現(xiàn)場,常見熱電偶測試高溫,測試結(jié)果送至主控機。熱電偶是工程上應用最廣泛的溫度傳感器之一，它具有構(gòu)造簡單、使用方便、準確度、熱慣性小、穩(wěn)定性及復現(xiàn)性好、溫度測量范圍寬等優(yōu)點，適用于信號的遠傳、自動紀錄和集中控制，在溫度測量中占有重要地位。但由于熱電偶的熱電勢與溫度呈非線性關系,因此必須對熱電偶進行線性化處理以保持測試精度。該測溫系統(tǒng)經(jīng)過高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705對熱電偶電動勢進行采樣、放大,并在單片機內(nèi)采用一定算法實現(xiàn)對熱電偶的線性化處理,再經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD421進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生4mA~20mA的電流,送入主控中心。關鍵詞：熱電偶；線性化；AD轉(zhuǎn)換；DA轉(zhuǎn)換；單片機

目錄TOC\o"1-2"\u一、設計要求 1二、設計方案及其特點 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、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇 31、單元電路設計 42、參數(shù)計算 53、器件選擇 6六、總結(jié) 7參考文獻 8熱電偶測溫系統(tǒng)設計一、設計要求以單片機為核心，進行對系統(tǒng)控制和線性化算法的運算，使A/D轉(zhuǎn)換精度更好；在算法處理上，使用最佳計算方法，使得線性化算法達到運算量小、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試高溫的精度問題。二、設計方案及其特點本設計是基于STC89C52單片機的硬件設計。對于系統(tǒng)可分為下面兩種不同的設計方案：1、方案說明方案一：系統(tǒng)由Ｋ型熱電偶和集成溫度傳感器AD590測量熱端和冷端溫度，采用USB采集卡實現(xiàn)信號采集并傳輸給計算機。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行非線性校正及冷端補償。利用LabVIEW的數(shù)據(jù)存儲、讀取、分析函數(shù)，實現(xiàn)溫度趨勢曲線和統(tǒng)計直方圖的繪制[2]。本系統(tǒng)將濾波、非線性和冷端補償?shù)裙δ苡绍浖崿F(xiàn)，簡化了電路設計，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度，但成本較高。放大放大AD590USB數(shù)據(jù)采集卡放大放大AD590USB數(shù)據(jù)采集卡計算機熱端冷端圖1方案一原理框圖方案二：控制電路以單片機為中心，控制其它部分完成各自的功能。其中模/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，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，在電路設計上，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，它將來自單片機線性化處理后的數(shù)據(jù)進行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，采用了良好的線性化算法，編程又采用可節(jié)約內(nèi)存的匯編語言，使得測量速度快，測量結(jié)果能滿足工業(yè)標準的要求。傳感器AD7705A/D轉(zhuǎn)換器傳感器AD7705A/D轉(zhuǎn)換器STC89C52單片機AD421D/A轉(zhuǎn)換器圖2方案二原理框圖2、方案論證從精確度來看，方案一強于方案二，但方案二電路實現(xiàn)簡單，占用內(nèi)存較小，抗干擾能力強，成本較低。因此一般地說，需要穩(wěn)定性好可選用方案一測量電路，若考慮便于與單片機接口連接，那么方案二測量電路就由其方便之處。因此本設計中選用方案二。三、傳感器工作原理熱電偶傳感器的工作原理：兩種不同成份的導體兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢[4]。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做測量端，另一端叫做補償端；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。如圖3所示。補償端測量端Ｔ０補償端測量端Ｔ１Ｔ０Ｂ電極圖3熱電偶工作原理圖熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流經(jīng)過，此時兩端之間就存在熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。兩種不同成份的均質(zhì)導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端一般處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，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，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(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總原理圖測溫系統(tǒng)經(jīng)過高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705對熱電偶電動勢進行采樣、放大,并在單片機內(nèi)采用一定算法實現(xiàn)對熱電偶的線性化處理,再經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD421進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生4mA~20mA的電流,送入主控中心并顯示。五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電路設計模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分電路如圖5所示。圖5A/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能直接對來自傳感器的微弱信號進行A/D轉(zhuǎn)換[5]。使用時經(jīng)過單片機控制其單雙極性、增益倍數(shù)、選擇通道的輸入和工作模式的選擇等；用AD584基準芯片為AD7705采集模塊提供基準電壓，使AD7705能夠正常且穩(wěn)定的工作[6]。數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分電路如圖6所示。圖6D/A轉(zhuǎn)化電路原理圖采用16位高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD421[7]。AD421由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，4-20mA電流輸出，可實現(xiàn)低成本的遠程智能工業(yè)控制。AD421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基準電源，均可為其自身或其它電路選用[8]。AD421采用Σ-ΔDAC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%，其標準的三線串行接口可在10Mbps下運行，便于與通用微處理器或微控制器相連。2、參數(shù)計算軟件是算法和功能實現(xiàn)的關鍵。該部分主要完成的任務是：A/D轉(zhuǎn)換器的配置、啟動和數(shù)據(jù)讀取。對信號的線性化處理。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溫中的應用”，提出一種“最佳非等距離分段算法”，根據(jù)標度轉(zhuǎn)換，在不同分段上推導出y=kx+b的線性化算法。整體設計和調(diào)試，以K分度熱電偶為例。經(jīng)過調(diào)節(jié)滑動變阻器，模擬補償后的K分度熱電偶的熱電勢，送入AD7705完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機進行線性化處理，使處理后單片機輸出的數(shù)據(jù)與溫度呈現(xiàn)線性關系；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進系統(tǒng)的穩(wěn)定。在無誤差的理想情況下,有ε=0，i=0，K是常數(shù),于是存在關系(1)在有誤差的情況下,則有(2)(3)由此能夠推出(4)可改寫成下簡明形式(5)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；Ε——影響量（例如零點漂移或干擾）；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電壓值x經(jīng)過運算求出各溫度時對應的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，因此只保留整數(shù)部分，保存到單片機ROM中，在每次測量完溫度數(shù)據(jù)后直接由y值查表，運算求相應溫度。3、器件選擇表1元器件清單表格上下邊線加粗表格上下邊線加粗標號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