【正文】 icrocontroller, LED and other ponents, design corresponding temperature acquisition circuit, temperature converter circuit, temperature control circuit, overrange alarm circuit, the LED display circuit. With the hardware give out The corresponding software design, temperature measurement accuracy up to ℃ ． The system works is: first acquisition thermocouple temperature data through the Treatment of the of the MAX6675 internal circuit and be then sent to 89C51 Aim for rapid algorithm processing. Finally, the LED circuit shows the measurement temperature values. In the last, the design of the system was protuse debugging and simulation,achieve the design requirements. KEY WORDS Temperature sensor Thermocouple Thermal time constant Cold junction pensation基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)，對溫度的測量在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工、國防、科研等領(lǐng)域中有廣泛地應(yīng)用。因此針對以上問題就有人提出溫度快速測量的思想。這些常用溫度傳感器一般的溫度測量中可以滿足響應(yīng)速度的問題。工業(yè)常用的精度較高的溫度傳感器有鉑熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等。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。所以用溫度傳感器一般都存在著對氣體溫度變化響應(yīng)較慢的問題。 在工業(yè)過程控制與生產(chǎn)制造領(lǐng)域普遍使用具有較高測溫精度及測溫范圍的熱電偶做測溫元件。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 ， 卻存在著以下幾方面的問題 [2]。②冷端補(bǔ)償 :熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為 0℃時與測量端的電勢差值 ， 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。在許多熱工實(shí)驗(yàn)中 ， 往往面臨熱電偶冷端溫度基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 問 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 ,都會帶來實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高、實(shí)際的檢測系統(tǒng)較復(fù)雜 .難以達(dá)到實(shí)時測量、接口轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜等問題 ,而隨著計(jì)算機(jī)測控技術(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)化測量與控制已成為必然趨勢。 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溫系統(tǒng)。系統(tǒng)用單片機(jī)對帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675 進(jìn)行控制 ,要達(dá)到任務(wù)書中的技術(shù)指標(biāo) ， 并對系統(tǒng)進(jìn)行 protuse 的調(diào)試和仿真試驗(yàn)，使其具有良好的實(shí)用性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對固體表面、液體和氣體溫度的高精度快速測量。下面就從基本算法著手，其原理就是在等間隔的時間點(diǎn) t tt3連續(xù)采集三個溫度值，然后根據(jù)采集溫度值跟熱時間常數(shù) [17]? 、初始溫度 0T 、穩(wěn)定后的溫度 ?T 之間的關(guān)系、最后得出 ?T 的數(shù)學(xué)計(jì)算公式 [4]，從而 得到所測量溫度值。 時 時 t時時Tt1t2t30?1T23T 圖 21 時間隨著溫度變化曲線 由溫度與時間及時間常數(shù)關(guān)系式： ??? teTTTtT ???? )()( 0 （ 21） 當(dāng) t 分別為 t t t3時： ??? 1)()( 01 teTTTtT ???? （ 22） ??? 2)()( 02 teTTTtT ???? （ 23） ??? 3)()( 03 teTTTtT ???? （ 24） 由式子（ 21）得 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 ??? TT TtTe t ????0)( （ 25） 當(dāng) t 分別為 t t t3時，則有： ??? TT TtTe t ????01 )(1 （ 26） ??? TT TtTe t ????02 )(2 （ 27） ??? TT TtTe t ????03 )(3 （ 28） 由式子（ 26）247。式子（ 28）得： ??? TtT TtTe tt ???? )( )(3223 （ 210） 因?yàn)?t t t3時間間隔相等，則 t3t2=t2t1，可得： ???? TtT TtTTtT TtT ????? )( )()( )(3221 （ 211） 整理式子（ 211）得： )()()(2 )()()( 312 3122tTtTtT tTtTtTT ?? ???? （ 212） 由式 (212)可知穩(wěn)定后的溫度只跟采集的三個溫度值相關(guān)，此算法與時間常數(shù)等未知量都不相關(guān)。 熱電偶測溫基本原理 熱電偶測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，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(yīng)。根據(jù)熱電動基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 勢與溫度的函數(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。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)。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將影響嚴(yán)重測量的準(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需要重新調(diào)整電路的元件值。其系統(tǒng)框圖如圖 22。一方面利用內(nèi)置溫度敏感二極管將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償電壓 ， 另一方面又通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將熱電勢和補(bǔ)償電壓轉(zhuǎn)換為代表溫度的數(shù)字量 , 將二者相加后從串行接口輸出的測量結(jié)果 ， 即為實(shí)際溫度數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)框圖如圖23。故最后采用方案二。 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。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)還具有報(bào)警的特點(diǎn)，當(dāng)所測量的溫度低于零攝氏度或者高于 400 攝氏度時報(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 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(jī)控制使報(bào)警電路報(bào)警。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 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 算 法 編 程 達(dá) 到快 速 測 溫 效 果溫 度 高 于 或 低 于某 一 溫 度 值 報(bào) 警溫 度 在 測 量范 圍 內(nèi) 顯 示 圖 24 系統(tǒng)軟件工作流程圖基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3 硬件設(shè)計(jì) 熱電偶簡介 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 ， 溫度測量范圍寬 ，在溫度測量中占有重要的地位。熱電勢的大小反映兩個接點(diǎn)溫度差，保持 T0 不變，熱電勢隨著溫度 T 變化而變化。 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。兩種導(dǎo)體接觸時，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。兩接點(diǎn)的接觸電勢 )(TeAB 和 )( 0TeAB 可表示為： BTATAB NNeKTTe ln)( ? （ 31） 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 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(dǎo)體 A、 B 的自由電子密度。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時，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，形成一個靜電場，該靜電場阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達(dá)到動態(tài)平衡。 熱電偶回路中總的熱電勢應(yīng)是接觸電勢與溫差電勢之和 。分度表是在參考端溫度為 0℃時，通過實(shí)驗(yàn)建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。必須采用兩種不同的材基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 料作為熱電極。 熱電偶 AB 的熱電勢與 A、 B 材料的中間溫度無關(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、長度以及各處的溫度 分布如何，均不產(chǎn)生熱電勢。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，將會產(chǎn)生附加電勢，引起測量誤差。 參考電極的實(shí)用價值在于：它可大大簡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 ，因?yàn)殂K的熔點(diǎn)高，易提純，且在高溫與常溫時的物理、化學(xué)性能都比較穩(wěn)定。 在實(shí)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(jìn)行修正 。 常用的補(bǔ)償方法有 [78]： 冷端恒溫法； 補(bǔ)償導(dǎo)線法； 計(jì)算修正法； 電橋補(bǔ)償（又稱冷端補(bǔ)償器）法； 顯示儀表零位調(diào)整法； 軟件處理法。 普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。 圖 33 普通結(jié)構(gòu)熱電偶 鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 圖 34 套管熱電偶結(jié)構(gòu)圖 薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料，用真空蒸鍍、化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶，薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很小（可薄到~ m） , 具有熱容量小，反應(yīng)速度快等 的特點(diǎn)，熱相應(yīng)時間達(dá)到微秒級，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。 圖 35 薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)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。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 36 K 型熱電偶 鎳鉻 偶（ K）型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。 正極（ KP）的名義化學(xué)成分為： Ni： Cr=92： 12，負(fù)極（ KN）的 名義化學(xué)成分為： Ni： Si=99： 3，其使用溫度為 200~1300℃。 K 型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛 . K 型熱電偶特點(diǎn) K 型熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響 。常用的熱電偶從 50~+1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到 269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá) +2800℃（如鎢 錸）。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(hù)套管，用起來非常方便。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 37 所示。 ② 0℃ ~+l024℃的測溫范圍。 ④片內(nèi)冷端補(bǔ)償。 ⑥熱電偶斷線檢測。 ⑨工作溫度范圍 20℃～ +85℃。 該器件采用 8 引腳 50 貼片封裝。