熱電偶測溫系統(tǒng)設計

1、. 精品 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：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)轉換器和高精度數(shù)/模轉 換器，分別實現(xiàn)對熱電偶電動勢的采樣、放大、ad 轉換和對線性化處理的數(shù)據(jù) 轉換，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。 基本要求：基本要求： 1、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：主要參考資料： 1崔志尚.溫度計量與測試m.北京：

2、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，2007. 3陳杰，黃鴻.傳感器與檢測技術m.北京: 高等教育出版社，2006. 4劉華東.單片機原理與應用m.北京: 電子工業(yè)出版社，2006. 完成期限 指導教師 專業(yè)負責人 2016 年 5 月 7 日 . 精品 摘 要 在現(xiàn)代化的工業(yè)現(xiàn)場, 常用熱電偶測試高溫,測試結果送至主控機。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

3、線性關系, 所以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) 通過高精度模/數(shù)轉換器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, 再通過數(shù)/模轉換器ad421進行數(shù)/模 轉換產(chǎn)生4 ma 20ma的電流, 送入主控中心。 關鍵詞：熱電偶；線性化；ad 轉換；da 轉換；單片機 . 精品 目 錄 一、設計要求一、設計要求.1 二、設計方案及其特點二、設計方案及其特點.1 1、方案說明.1 2、方案論證.2 三、傳感器工作原理三、傳感器工作原理.2 四、電路的工作原理四、電路的工作原理.3 五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇五、單元電路

4、設計、參數(shù)計算和器件選擇.3 1、單元電路設計.4 2、參數(shù)計算.5 3、器件選擇.6 六、總結六、總結.7 參考文獻參考文獻.8 . 精品 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)由型熱電偶和集成溫度傳感器ad590測量熱端和冷端溫度， 采用us

5、b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。 熱電偶 補償導線 熱端 冷端 圖1 方案一原理框圖 方案二：控制電路以單片機為中心，控制其他部分完成各自的功能。其中模 放大 放大ad590 usb 數(shù)據(jù) 采集卡 計 算 機 . 精品 /數(shù)轉換部分采用16位高精度ad轉化器ad7705，采用自校準，提高其抗干擾 能力和精度；數(shù)/模轉換

6、部分采用高精度da轉換器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)/模轉換器，它將來自單片 機線性化處理后的數(shù)據(jù)進行da轉化，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，測量結果能滿足工業(yè)標準的要求。 去4ma-20ma測量電路 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。所以一般地說，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

7、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。 電極 電極 補償端測量端 傳感器 ad7705 a/d 轉換器 stc89c52 單片機 ad421 d/a 轉換器 . 精品 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

8、質導體組成閉合回路,當兩端存 在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，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，自由端通常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，即可知道被測介質的溫度。 四、電路的工作原理 電路

9、的工作原理圖如圖 4 所示。 圖 4 總原理圖 測溫系統(tǒng)通過高精度模/數(shù)轉換器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, 再通過數(shù)/模轉換器 ad421進行數(shù)/模轉換產(chǎn)生4 ma 20ma的電流, 送入主控中心并顯示。 . 精品 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)轉換部分電路如圖5所示。 圖5 a/d轉化電路原理圖 采用16位、雙通道、高精度模/數(shù)轉換功能的ad7705。ad7705能直接對來自 傳感器的微弱信號進行a/d轉換5。使用時通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ad5

10、84基準芯片為ad7705采集模塊 提供基準電壓，使ad7705可以正常且穩(wěn)定的工作6。 數(shù)/模轉換部分電路如圖6所示。 . 精品 圖6 d/a轉化電路原理圖 采用16位高精度數(shù)/模轉換器ad4217。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- dac結構，保證16位的分辯率和單調性，其積分線性誤差為0.001%，失調誤 差為0.1%，增益誤差為0.2%，其標準的

11、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。 整體設計和調試，以k分度熱電偶為例。通過調節(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)轉換,轉換后的數(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

12、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。 在無誤差的理想情況下, 有 = 0，i = 0，k是常數(shù), 于是存在關系 . 精品 (1)kxy comment c1: 表格上下邊線加粗 . 精品 在有誤差的情況下, 則有 (2) yxky (3) 2 1 r y i r yy 由此可以推出 (4) 01 bybx 可改寫成下簡明形式 (5) 0 1 1 bx b y 式中：x熱電偶產(chǎn)生的電壓； y帶誤差的輸出到d/a轉換器的電壓； 影響量（例如零點漂移或干擾）； i偏差量（

13、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 標號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量 c1,c2 電容 33p 各 1 c3,c4 電容 103 各 1 c5，c7，c9,c1 9 電解電容 10 各 1 c6,c8,c12,c18 電容 0.1 各 1 c10,c11 電解電容 4.7 各 1 c13,c14,c16 電容 0.011 各 1 . 精品 c15 電容 0