【正文】 有良好的實(shí)用性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)固體表面、液體和氣體溫度的高精度快速測(cè)量。 鑒于上面的分析 ,本論文主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一種基于高精度 K 型熱電偶傳感器的快速測(cè)溫系統(tǒng)。在許多熱工實(shí)驗(yàn)中，往往面臨熱電偶冷端溫度 問(wèn)題 ,不管是采用恒溫補(bǔ)償法 (冰點(diǎn)補(bǔ)償法 )還是電橋補(bǔ)償法 ,都會(huì)帶來(lái)實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高、實(shí)際的檢測(cè)系統(tǒng)較復(fù)雜 .難以達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量、接口轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜等問(wèn)題 ,而隨著計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域的普遍應(yīng)用 ,溫度參數(shù)的微機(jī)化測(cè)量與控制已成為必然趨勢(shì)。②冷端補(bǔ)償 :熱電偶輸出的熱電勢(shì)為冷端保持為 0℃時(shí)與測(cè)量端的電勢(shì)差值，而在實(shí)際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需進(jìn)行冷端補(bǔ)償。但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí)，卻存在著以下幾方面的問(wèn)題 [2]。 在工業(yè)過(guò)程控制與生產(chǎn)制造領(lǐng)域普遍使用具有較高測(cè)溫精度及測(cè)溫范圍的熱電偶做測(cè)溫元件。所以用溫度傳感器一般都存在著對(duì)氣體溫度變化響應(yīng)較慢的問(wèn)題。半導(dǎo)體溫度傳感器分熱敏電阻和 PN 結(jié)型溫度傳感器兩種 。工業(yè)常用的精度較高的溫度傳感器有鉑熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等。這 些常用溫度傳感器一般的溫度測(cè)量中可以滿足響應(yīng)速度的問(wèn)題。因此針對(duì)以上問(wèn)題就有人提出溫度快速測(cè)量的思想。 關(guān)鍵詞 溫度傳感器 熱電偶 熱時(shí)間常數(shù) 冷端補(bǔ)償 The thermocouple temperature measurement system based on single chip microputer ABSTRACT Thermocouple sensor is currently the most widely used in noncontact temperature measurement of thermoelectric sensors, in the industry with a temperature sensor and its important status. This paper designed the thermocouple temperature measurement system based on single chip microputer, the temperature measurement system posed of temperature measuring circuit, operational amplifier circuit, A/D conversion circuit and display circuit, AT89C51 single chip processor as the main control unit. This paper first introduces the principle of thermocouple temperature measurement, the thermocouple cold junction pensation method, structure form, and its characteristics, etc., in the hardware platform are introduced another short answer function and usage of related modules. In addition to hardware circuit including temperature conversion chip MAX6675, K type thermocouple, 89 c51, digital tube and other ponents and temperature acquisition circuit, temperature conversion circuit, digital tube display circuit made detailed introduction and description. KEY WORDS Temperature sensor Thermocouple Thermal time constant Cold junction pensation 1 緒論 溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)，對(duì)溫度的測(cè)量在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工、國(guó)防、科研等領(lǐng)域中有廣泛地應(yīng)用。文中首先 介紹了熱電偶的測(cè)溫原理，熱電偶冷端補(bǔ)償方法， 結(jié)構(gòu)形式，及其特點(diǎn)等，另外簡(jiǎn)答介紹了硬件平臺(tái)中相關(guān)模塊的功能及用法。 畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的熱電偶測(cè)溫系統(tǒng) 摘 要 熱電偶傳感器是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器，在工業(yè)用溫度傳感器中占有及其重要的地位 。 本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的熱電偶測(cè)溫系統(tǒng) ， 該測(cè)溫系統(tǒng)由溫度測(cè)量電路、運(yùn)算放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路及顯示電路組成，以AT89C51 單片機(jī)為主控單元 。另外對(duì)硬件電路包括溫度轉(zhuǎn)換芯片 MAX667 K 型熱電偶、 89C51 單片機(jī)、數(shù)碼管等元器件及溫度采集電路、 溫度轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路做了詳細(xì)的介紹及說(shuō)明。在某些特殊的場(chǎng)合對(duì)溫度的檢測(cè)速度有很高的要求，例如：在測(cè)量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣的溫度的時(shí)候，就要求熱響應(yīng)時(shí)間小于 1s；航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度測(cè)量要求 內(nèi)完成等。 通常用來(lái)測(cè)量溫度的傳感器有熱電阻溫度傳感器、熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器等幾種。但在特殊的場(chǎng)合就不能達(dá)到快速檢測(cè)的要求，例如在氣體溫度測(cè)量時(shí)候，由于溫度傳感器自身的熱滯特性，而氣體傳熱過(guò)程又比較緩慢，氣體溫度測(cè)量就有很大滯后。鉑熱電阻具有溫度測(cè)量范圍大、重復(fù)性好、精度高等特點(diǎn)，但是響應(yīng)不是很快，特別是在對(duì)氣體溫度測(cè)量時(shí)至少要幾秒鐘，在某些工作環(huán)境比較特殊的場(chǎng)合，如高壓環(huán)境下，還需使用鎧裝的鉑熱電阻，更是延緩了熱響應(yīng)速度。熱敏電阻非常適合對(duì)微弱溫度變化的測(cè)量，但是缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重；PN 結(jié)型的特點(diǎn)是體積小、線性輸出、精度高，但是不能使用在液體環(huán)境，對(duì)氣體溫度變化響應(yīng)也較慢 [1]。在對(duì)溫度實(shí)時(shí)性測(cè)量要求比較高的系統(tǒng)，運(yùn)用常用溫度測(cè)量方法很難做到對(duì)溫度的快速測(cè)量，對(duì)系統(tǒng)的精度影響就很大。在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶中 ,K 型 (鎳鉻 鎳硅 )熱電偶由于具有價(jià)格低廉、輸出熱電勢(shì)值較大、熱電勢(shì)與溫度的線性關(guān) 系好、化學(xué)穩(wěn)定性好、復(fù)制性好、可在 1000℃下長(zhǎng)期使用等特點(diǎn) ,因而是工業(yè)生產(chǎn)制造部門應(yīng)用最廣泛的熱電偶元件。①非線性：熱電偶輸出熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系 ,因此在應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行線性化處理。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(hào)測(cè)溫元件的熱電偶顯然無(wú) 法直接滿足這個(gè)要求。因此我們必須解決對(duì)熱電偶測(cè)量信號(hào)的放大調(diào)理、非線性校正、冷端補(bǔ)償、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸出接口等一系列復(fù)雜的問(wèn)題 ,以及解決模擬與數(shù)字電路硬件設(shè)計(jì)過(guò)程和建表、查表、插值運(yùn)算等復(fù)雜的軟件編制過(guò)程 ,以達(dá)到使電路簡(jiǎn)化 ,成本減少 ,增加 系統(tǒng)可靠性的目的。采用帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片 MAX667 K 型熱電偶、 89C51 單片機(jī)、數(shù)碼管等元器件設(shè)計(jì)出相應(yīng)溫度采集電路、溫度轉(zhuǎn)換電路、溫度控制電路、超量程報(bào)警電路、數(shù)碼管顯示電路。 2 系統(tǒng)原理概述 熱電偶測(cè)溫基本原理 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 [2]，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過(guò)，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)。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。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。若熱電偶冷端的溫度保持一定，這時(shí)熱電 偶的熱電勢(shì)僅是工作端溫度的單值函數(shù) 。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將影響嚴(yán)重測(cè)量的準(zhǔn)確性。 分立元?dú)饧涠搜a(bǔ)償方案 方案一的熱電偶冷端溫度補(bǔ)償器件是由分立元件構(gòu)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(shí)需要重新調(diào)整電路的元件值。 集成電路溫度補(bǔ)償方案 方案二采用熱電偶冷端補(bǔ)償專用芯片 max6675， max6675 溫度轉(zhuǎn)換芯片具有冷端溫度補(bǔ)償及對(duì)溫度進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量這兩項(xiàng)功能 [5]。主要包括溫度采集電路、 max6675 溫度轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路等。故最后采用方案二。 熱電偶采用分度號(hào)為 K 的熱電偶，為了減少外界信號(hào)的干擾通過(guò)雙絞線跟MAX6675芯片直接相連接。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)還具有報(bào)警的特點(diǎn)，當(dāng)所測(cè)量的溫度低于零攝氏度或者高于 400 攝氏度時(shí)報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)。 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(guò) MAX6675 內(nèi)部電路的 AD 轉(zhuǎn)換、冷端補(bǔ)償、內(nèi)部校正 [6]；溫度轉(zhuǎn)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(jī)；單片機(jī)將數(shù)字量進(jìn)行軟件算法處理；如果測(cè)量溫度在測(cè)量范圍內(nèi)，最后通過(guò)數(shù)碼管顯示出測(cè)量溫度；如果超出測(cè)量范圍由單片機(jī)控制使報(bào)警電路報(bào)警。 熱 電 偶 溫 度 數(shù) 據(jù)采 集M A X 6 6 7 5 將 采 集 的 數(shù)據(jù) 處 理 為 數(shù) 字 量單 片 機(jī) 通 過(guò) 算 法 編 程 達(dá) 到快 速 測(cè) 溫 效 果溫 度 高 于 或 低 于某 一 溫 度 值 報(bào) 警溫 度 在 測(cè) 量范 圍 內(nèi) 顯 示 圖 24 系統(tǒng)軟件工作流程圖 3 硬件設(shè)計(jì) 熱電偶簡(jiǎn)介 熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便，具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性，溫度測(cè)量范圍寬，在溫度測(cè)量中占有重要的地位。熱電勢(shì)的大小反映兩個(gè)接點(diǎn)溫度差，保 持 T0 不變，熱電勢(shì)隨著溫度 T 變化而變化。 圖 31 熱電偶測(cè)溫原理圖 產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩部分組成：溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。兩種導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散，（ NANB，A 到 B）在接觸處失去電子的一側(cè)帶正電， 得到電子的一側(cè)帶負(fù)電，形成穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。兩接點(diǎn)的接觸電勢(shì) )(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(shí)，導(dǎo)體 A、 B 的自由電子密度。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)，高溫端的電子能量要比低溫端的 電子能量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，形成一個(gè)靜電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 熱電偶回路中總的熱電勢(shì)應(yīng)是接觸電勢(shì) 與溫差電勢(shì)之和。分度表是在參考端溫度為 0℃時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。必須采用兩種不同的材料作為熱電極。 熱電偶 AB 的熱電勢(shì)與 A、 B 材料的中間溫度無(wú)關(guān)，只 與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。 均質(zhì)導(dǎo)體定律：由一種均勻介質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面、長(zhǎng)度以及各處的溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電勢(shì)。如果熱電極為非均質(zhì) 導(dǎo)體，當(dāng)處于具有溫度階梯的情況時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生附加電勢(shì)，引起測(cè)量誤差。 參考電極的實(shí)用價(jià)值在于：它可大大簡(jiǎn)化熱電偶的選配工作。用作參考電極 (標(biāo)準(zhǔn)電極 )的材料，目前主要為純鉑絲材