热电偶线性化 (95分).doc

内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题 目：热电偶线性化学生姓名：XXX学 号：0867112XXX专 业：测控技术与仪器班 级：2008指导教师：XXX 摘要温度在工业生产中是用的最多的热工量热电偶作为一种接触式温度传感器由于其结构简单，测温范围宽，精度高等优点，所以在工业温度测量中广泛应用由于热电偶产生的热电势与测量端、冷端的温度均有关，所以测量时应将冷端温度保持恒定热电偶的温度与热电势曲线是冷端零度时测得的，是非线性曲线因此要进行线性化处理本设计以STC89C52RC单片机为核心，由热电偶测量热端温度t，经过放大电路处理后通过ADC0832进行模数转换， 再由单片机进行线性化和标度变换处理，最后由LED显示测量温度该设计的软件由C51语言编写关键词：热电偶；A/D转换器；单片机；线性化；LED显示目录摘要 I目录 II前言 11.1 热电偶测温原理 11.2 冷端温度补偿 11.3 线性化和标度变换 2第2章总体设计方案 3第3章硬件设计 53.1热电偶温度传感器 53.2 放大电路 53.3 A/D转换 63.4 LED显示 83.5 单片机STC89C52RC 9第4章软件设计 114.1 标度变化子程序 114.2 A/D转换子程序 134.3LED显示子程序 134.4 报警 14总结 15参考文献 16附录A 17附录 B 23II前言热电偶是一种将温度变化转换为热电势变化的温度检测元件，它可以用来检测-200℃~1600℃的温度，在特殊情况下，可测2800℃的高温或4K的低温，是目前工业生产中应用最为广泛的接触式测温元件。

1.1 热电偶测温原理图1.1 热电偶示意图热电偶测温是基于热电效应在两种不同材质的导体A和B组成的闭合回路中，如果两个接点的温度不同，则回路中将产生电流，这种现象称为热电效应热电偶回路所产生的热电势由两种导体的接触电势eAB(T)和单一导体的温差电势eA(T,T0)和eB(T,T0)两部分组成因为金属导体中自由电子数目很多，以致温度不能显著地改变它的自由电子浓度，所以，在同一金属导体内，温差电势很小，可以忽略因此，回路总的热电势可以近似表示为：EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0) 当热电偶的材料均匀时，热电偶的热电势大小仅与热电偶材料的成分和热、冷端的温差有关测温时，利用热电势与冷热端温差之间的函数关系，通过测量回路中产生的热电势大小，即可得知相对于冷端温度的热端温度1.2 冷端温度补偿由热电偶测温原理可知，只有热电偶的冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数在实际使用时，由于热电偶的热端与冷端离的很近，冷端又暴露在空气中，容易受到环境温度的影响，很难保持恒定而且，在工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划的测温显示仪表都是根据冷端温度为0℃而制作的因此必须进行冷端温度补偿热电偶测温时，冷端温度必须为0℃，否则将产生测量误差，当冷端温度波动较大是，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度相对稳定的环境，然后再将冷端处理为0℃。

补偿导线分为延长型和补偿型两种采用补偿导线一方面可以改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能；另外还可以降低线路的成本，节约热电偶材料常见的冷端温度补偿方法有：冰点法、恒温迁移法、计算修正法、电桥补偿法、软件补偿法等冰点法是将补偿导线的末端放入冰水混合物或零度恒温容器中，该方法原理简单，但冰水混合物的制作、维护麻烦，而且零度恒温容器容量又小因此，这种方法多用于实验室恒温迁移法是根据补偿导线末端所处环境温度估计之的大小，人为将显示或记录仪表的零点调试调到该值计算修正法是基于中间温度定律，即EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)通过从分度表中查得EAB(T0,0)，将此值与测量值EAB(T,T0)相加，即得EAB(T,0)，再反查分度表即可求出热电偶热端温度T电桥补偿法是通过选择合适的补偿电桥参数，使电桥产生的输出电压正好补偿冷端温度T0而引起的热电势EAB(T0,0)，从而消除了冷端温度测量结果的影响，实现了冷端温度补偿软件补偿法是热电偶和冷端温度传感器的输出信号分别被调理成0~5V的电压并经多路模拟开关选择其中之一送往A/D转换器，数字化后再由单片机内程序进行冷端补偿处理，这样可将温度的检测精度大大提高。

而且，对于不同分度的热电偶，只要改变内数据转换表即可，系统的适应性大大增强，使用方便1.3 线性化和标度变换在使用热电偶测温时，热电偶产生的热电势与所测的温度是非线性函数关系，因此必须对热电偶的热电势进行线性化处理，使得热电偶的热电势与被测温度之间成线性关系因为热电势与温度的量纲不同，热电偶把现场采集来得温度信号经过放大、A/D转换器转换成数字量，单片机读入这个数据后必须转换成量纲为℃的温度值，才能送到显示器进行显示因为热电偶测出的数据与实际的参数不是线性关系，而且很难用一个简单的公式表达，因此，通常采用线性插值法进行线性化及标度变化环境温度T经过热电偶测量、冷端温度补偿后输出一个热电势信号Et(mv)，热电势信号经过放大器后输出0~5的电压信号u，再经A/D转换输出数字信号N第2章总体设计方案温度信号的检测和控制，除了采用有源元件外，热电偶是一种常用的元件热电偶有着广泛的应用，应用的较多的有S、B、K、T、E型热电偶热电偶检测的温度信号有如下特点：1) 能用到高温的热电偶，信号都小，都是mV级别的因此要对检测到的温度信号进行放大处理2) 热电偶分度表中给出的数据是以0℃为参考点的实际应用是环境温度常常不是0℃。

因此使用时必须要进行冷端温度补偿3) 热电偶的温度信号非线性很大，尤其是B型热电偶并且，各种热电偶随温度的升高，在某一温度下，热电势的增加量变小这就需要对经过放大的热电势进行线性化处理如图2.1所示是热电偶线性化及LED显示的组成控制系统该系统硬件结构由热电偶、冷端温度补偿、放大器、A/D转换器、单片机和LED显示器组成热电偶测温是产生的热电动势经冷端温度补偿后，输出mV信号，经过放大器放大后，在ADC0832做A/D转换并做线性化处理，得到数字信号在单片机的控制作用下在LED显示图 2.1 热电偶显示系统的组成根据以上的硬件设计，下面图2.2是热电偶线性化的软件设计图2.2 主程序流程第3章硬件设计3.1热电偶温度传感器本设计选用铂铑30—铂铑6（B型）热电偶，次热电偶是贵金属热电偶该热电偶长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃B型热电偶具有准确度高、稳定性好、测温区宽、使用寿命长等优点，适用于氧化和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽气氛中它还有一个明显的优点是不需要进行冷端温度补偿，因为在0℃~50℃范围内其热电动势小于3μV。

B型热电偶的不足之处是热电动势率较小、灵敏度低、高温下机械强度下降、抗污染能力差、金属材料昂贵、一次性投资大3.2 放大电路通常热电偶的输出都是比较微弱的小信号，需要对这个信号进行放大处理用单个运放组成的基本放大器综合性能指标一般都不高，只能用在要求不高，条件太恶劣的场合当它们的性能不能满足应用要求时，可以使用仪用放大器仪用放大器是一种精密的差动电压增益器件，它的特点是：放大电路的输入阻抗和共模抑制比高、误差小、稳定性好放大增益可由用户选择电阻来设定它的主要用途是作传感器信号的放大，或作差动小信号的前置放大其电路原理图如图3.2所示;图3.1 仪用放大电路3.3 A/D转换在数据采集系统中，模数转换器都是至关重要的环节，模数转换器的精度以及系统的成本直接影响到系统的实用性本设计采用ADC0832进行模数转换ADC0832使用采样-数据-比较器的结构，采用逐次逼近方式进行转换根据多路器的软件配置，单端输人方式下，要转换的输人电压连到一个输人端和地端;差分输入方式下，要转换的输人电压连到一个输入端和另一输入端ADC0832的两输入端可以分配为正极(+)或负极(-)，可以由多路器进行软件配置。

但是要注意的是，当连到分配为正端的输入电压低于分配为负端的输人电压时，转换结果为全0通过和控制处理器相连的串行数据链路传送控制命令，用软件对通道选择和输入端的配置串行通信格式在不增加封装大小的情况下，可以在转换器中包含更多的功能另外，可把转换器和模拟传感器放在一起，和远端的控制处理器串行通信，而不用进行低电平的模拟信号的远程传送这样的处理使返回到处理器的是无噪声的数字数据，避免了模拟信号远传中的干扰图3.2A/D转换ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率，双通道转换芯片由于以下特点而深受欢迎1) 8位分辨率；2) 双通道A/D转换；3) 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；4) 5V电源供电是输入电压在0~5V之间；5) 工作频率为250KHZ，转换时间为32μs；6) 一般功耗仅为15mW；ADC芯片接口说明：l CS— 片选使能，低电平芯片使能l CH0 模拟输入通道0l CH1 模拟输入通道1l GND 芯片参考0电位l DI 数据信号输入，选择通道控制l DO 数据信号输出，转换数据输出l CLK 芯片始终输入l Vcc/REF 电源输入及参考电压输入。

ADC0832的工作时序：图 3.3 ADC0832工作时序 当CS由高变低时，选中ADC0832在时钟的上升沿，DI端的数据移入ADC0832内部的多路地址移位寄存器在第一个时钟期间，DI为高，表示启动位，紧接着输入两位配置位当输入启动位和配置位后，选通输入模拟通道，转换开始转换开始后，经过一个时钟周期延迟，以使选定的通道稳定ADC0832接着在第4个时钟下降沿输出转换数据数据输出时先输出最高位(D7~D0)；输出完转换结果后，又以最低位开始重新输出一遍数据(D7~D0)，两次发送的最低位共用当片选CS为高时，内部所有寄存器清0，输出变为高阻态如果要再进行一次模/数转换， 片选CS必须再次从高向低跳变，后面再输入启动位和配置位图 3.4 单片机与ADC0832的接口如图3.4所示为单片机串行口方式0与ADC0832的接口，单片机P2.0 接ADC0832的CS，TXD作为时钟信号输出端，RXD作为启动位、配置位的发送端以及A/D转换后输出数据的接受端由于ADC0832在CS变低后的前3个周期内，DO为高阻态；转换开始后，DI线禁止，因此，DI端和DO端可连接在一起3.4 LED显示本设计采用LED164实现数据传送和LED的静态显示。

每接一片74LS164可扩展一个八段数码管其硬件连线如图3.6所示74LS164是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出，并带有清除端其中QA~QH是并行输出端，A和B是串行输入端，CLR是清除端，CLK是时钟脉冲输出端数据通过两个输入端（A 或 B）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空 时钟 (CLK) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0 ，Q0 是两个数据输入端（A和 B）的逻辑与，它。