【正文】 的熱電勢值，那么任何兩種熱電極配對時的熱電勢 均可按公式而無需再逐個去測定。換句話說：如果熱電偶的兩根熱電極是由兩種均質(zhì)導體組成，那么熱電偶的熱電勢僅與兩接點溫度有關，與沿熱電極的溫度分布無關。 如果熱電偶兩結點溫度相等，熱電偶回路內(nèi)的總電勢亦為零。 ),(),()(),( 0000 TTeTTeTeeTTE ABABABA B E ???? dTNNeKTNNeKT TT ABBTATBTAT )(lnln0000 ? ???? ?? （ 34） 在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，在精度要求不高的情況下，熱電偶的熱電勢可近似表示為： )()(),( 00 TeTeTTE ABABAB ?? （ 35） 對于已選定的熱電偶，當參考端溫度 0T 恒定時， )( 0TeAB 為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度 T 成單值函數(shù)關系，即： )()(),( 0 TfcTETTE ABAB ??? （ 36） 實際應用中，熱電勢與溫度之間關系是通過熱電偶分度表來確定的。 同一導體溫差電勢是由同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。 接觸電勢產(chǎn)生的原因：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。 熱電效 應 當兩種不同材料的導體或半導體連成閉合回路時，將兩個接點分別置于溫度為 T和 T0 的熱源中，該回路內(nèi)會產(chǎn)生熱電勢 [2]。其軟件工作流程圖如圖 24。 MAX6675芯片通過 SPI串行接口傳輸數(shù)據(jù)，采用的 89C51單片機對帶有冷端補償?shù)臏囟绒D換芯片 MAX6675 進行控制。 方案確定 綜合對比以上兩種方 案，方案一電路復雜，且測量不精確照成誤差較大，方案二采用集成溫度轉換芯片不僅能很好的解決冷端溫度補償及溫度數(shù)值化問題，并消除由熱電偶非線性而造成的測量誤差 ,且精確度高，可實現(xiàn)電路的優(yōu)化設計。主要包括溫度采集電路、信號放大電路 、 A/D 轉換電路、熱電偶冷端補償電路、數(shù)碼管顯示電路等。 熱電偶冷端補償方案確定 熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關系。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。系統(tǒng)用單片機對帶有冷端補償?shù)臏囟绒D換芯片MAX6675 進行控制 ,要達到任務書中的技術指標，并對系統(tǒng)進行 protuse 的調(diào)試和仿真試驗，使其具有良好的實用性能，能夠實現(xiàn)對固體表面、液體和氣體溫度的高精度快速測量。在許多熱工實驗中，往往面臨熱電偶冷端溫度 問題 ,不管是采用恒溫補償法 (冰點補償法 )還是電橋補償法 ,都會帶來實驗費用較高、實際的檢測系統(tǒng)較復雜 .難以達到實時測量、接口轉換電路復雜等問題 ,而隨著計算機測控技術在工業(yè)生產(chǎn)制造領域的普遍應用 ,溫度參數(shù)的微機化測量與控制已成為必然趨勢。但是將熱電偶應用在基于單片機的嵌入式系統(tǒng)領域時，卻存在著以下幾方面的問題 [2]。所以用溫度傳感器一般都存在著對氣體溫度變化響應較慢的問題。工業(yè)常用的精度較高的溫度傳感器有鉑熱電阻、半導體溫度傳感器等。因此針對以上問題就有人提出溫度快速測量的思想。文中首先 介紹了熱電偶的測溫原理，熱電偶冷端補償方法， 結構形式，及其特點等，另外簡答介紹了硬件平臺中相關模塊的功能及用法。 本文設計了基于單片機的熱電偶測溫系統(tǒng) ， 該測溫系統(tǒng)由溫度測量電路、運算放大電路、 A/D 轉換電路及顯示電路組成，以AT89C51 單片機為主控單元 。在某些特殊的場合對溫度的檢測速度有很高的要求，例如：在測量汽車發(fā)動機吸入空氣的溫度的時候，就要求熱響應時間小于 1s；航天飛機的主發(fā)動機的溫度測量要求 內(nèi)完成等。但在特殊的場合就不能達到快速檢測的要求，例如在氣體溫度測量時候，由于溫度傳感器自身的熱滯特性，而氣體傳熱過程又比較緩慢，氣體溫度測量就有很大滯后。熱敏電阻非常適合對微弱溫度變化的測量，但是缺點是非線性嚴重；PN 結型的特點是體積小、線性輸出、精度高，但是不能使用在液體環(huán)境，對氣體溫度變化響應也較慢 [1]。在工業(yè)標準熱電偶中 ,K 型 (鎳鉻 鎳硅 )熱電偶由于具有價格低廉、輸出熱電勢值較大、熱電勢與溫度的線性關 系好、化學穩(wěn)定性好、復制性好、可在 1000℃下長期使用等特點 ,因而是工業(yè)生產(chǎn)制造部門應用最廣泛的熱電偶元件。③數(shù)字化輸出：與嵌入式系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口，而作為模擬小信號測溫元件的熱電偶顯然無 法直接滿足這個要求。采用帶有冷端補償?shù)臏囟绒D換芯片 MAX667 K 型熱電偶、 89C51 單片機、數(shù)碼管等元器件設計出相應溫度采集電路、溫度轉換電路、溫度控制電路、超量程報警電路、數(shù)碼管顯示電路。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。若熱電偶冷端的溫度保持一定，這時熱電 偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù) 。 分立元氣件冷端補償方案 方案一的熱電偶冷端溫度補償器件是由分立元件構成的 ,其體積大 ,使用不夠方便 ,而且在改變橋路電源或熱電偶類型時需要重新調(diào)整電路的元件值。主要包括溫度采集電路、 max6675 溫度轉換電路、數(shù)碼管顯示電路等。 熱電偶采用分度號為 K 的熱電偶，為了減少外界信號的干擾通過雙絞線跟MAX6675芯片直接相連接。 軟件系統(tǒng)工作流程 系統(tǒng)的軟件工作流程為：熱電偶采集的溫度數(shù)據(jù)；溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過 MAX6675 內(nèi)部電路的 AD 轉換、冷端補償、內(nèi)部校正 [6]；溫度轉換電路將處理后 12 位數(shù) 字溫度量以串行方式送給單片機；單片機將數(shù)字量進行軟件算法處理；如果測量溫度在測量范圍內(nèi)，最后通過數(shù)碼管顯示出測量溫度；如果超出測量范圍由單片機控制使報警電路報警。它構造簡單，使用方便，具有較高的準確度、穩(wěn)定性及復現(xiàn)性，溫度測量范圍寬，在溫度測量中占有重要的地位。 圖 31 熱電偶測溫原理圖 產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成：溫差電勢和接觸電勢。兩接點的接觸電勢 )(TeAB 和 )( 0TeAB 可表示為： BTATAB NNeKTTe ln)( ? （ 31） 00ln)( 00BTATAB NNeKTTe ? （ 32） 式中： K — 波爾茲曼常數(shù)； e — 單位電荷電量； ATN 、 BTN 和0ATN、0BTN — 分別在溫度為 T 和 0T 時，導體 A、 B 的自由電子密度。 熱電偶回路中總的熱電勢應是接觸電勢 與溫差電勢之和。必須采用兩種不同的材料作為熱電極。 均質(zhì)導體定律：由一種均勻介質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的截面、長度以及各處的溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電勢。 參考電極的實用價值在于：它可大大簡化熱電偶的選配工作。在實際熱電偶測溫回路中 ,利用熱電偶這一性質(zhì) [10],可對參考端溫度不為 0℃的熱電勢進行修正。 普通型結構熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小，動態(tài)響應快，機械強度高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。 圖 35 薄膜熱電偶結構圖 K 型熱電偶概述 K 型熱電偶作為一種溫度傳感器， K 型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。 正極（ KP）的名義化學成分為： Ni： Cr=92： 12，負極（ KN）的名義化學成分為： Ni： Si=99： 3，其使用溫度為 200~1300℃。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器。同時， AT89C51 可降至 0hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式、空閑方式停止 CPU 工作，但允許 RAM，定時 /技 術器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。這四個端口除了可以按字節(jié)尋址外還可以位尋址。其串行口有四種工作方式：分別為同步通信方式、 8 位 異步收發(fā)、 9 位異步收發(fā)（特定波特率）、 9位異步收發(fā)（定時器控制波特率）。 SPI 用于 CPU 與各種外圍器件 進行全雙工、同步串行通訊。發(fā)送一個字節(jié)后，從另一個外圍器件接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進入移位寄存器中。對于在 SCK 的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿輸出（發(fā)送）數(shù)據(jù)的器件，一般應將其串行時鐘輸出口 （模擬 MCU 的 SCK 線）的初始狀態(tài)設置為 1，而在允許接口后再置 為 0。對于在 SCK 的下降沿輸入數(shù)據(jù)和上升沿輸出數(shù)據(jù)的器件，則應取串行時鐘輸出的初始狀態(tài)為 0，即在接口芯片允許時，先置 為 1，以便外圍接口芯片輸出 1 位數(shù)據(jù)（ MCU接收 1 位數(shù)據(jù)），之后再置時鐘為 0，使外圍接口芯片接收 1 位據(jù) (MCU發(fā)送 1 位數(shù)據(jù) )，從而完 成 1 位數(shù)據(jù)的傳送。當片選端 E 低電平有效時， DIR=“ 0”，信號由 B 向 A 傳輸；（接收） DIR=“ 1”，信號由 A 向 B 傳輸；（發(fā)送）當 E為高電平時， A、 B均為高阻態(tài)。 硬件電路詳細設計 溫度采集電路 熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有結構簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點 [14]。 MAX6675 的測量精度對電源耦合噪聲較敏感。 七段 LED 共有 8 個發(fā)光二極管，其中 7 個發(fā)光二極管七端字形“ 8”，一個發(fā)光二極管構成小數(shù)點。共陽極 LED 顯示器的陽極接在 +5V 電壓源上，當某個發(fā)光二極管的陰極為低電平，即邏輯“ 0”時，發(fā)光二極管點亮。當顯 示位數(shù)較多時采用動態(tài)顯示。本文溫度 顯示電路設計是由一個 4 位共陽數(shù)碼管通過 三態(tài)雙向總線收發(fā)器 芯片 74LS245 跟單片機相連接，其電路如圖 316 所示。 R3R10 為限流電阻。 1122R3 2401