基于单片机的温度检测系统设计

基于单片机的温度检测系统设计内容摘要：

出一个国家的生产力的发展和科学技术的现代化水平。 根据仪器仪表所采用的显示方式和功能，可以将仪器仪表分为三代产品，即模拟仪器仪表，数字式仪器仪表和智能化仪器仪表。 (1) 模拟式仪器仪表 这种仪器仪表至今仍在各种场合被广泛地使用着。 这种 仪器仪表显示部分地基本结构是利用电磁力相互作用原理，通过指针相对于标尺的位移来显示最终测量读数。 (2) 数字式仪器仪表 与 模拟式仪器仪表 相比数字式仪器仪表 更 高的测量精度与响应速度。 这类仪器仪表的基本原理在于将 代 测的信号转化 为 数字信号进行测量。 今天数字化仪表的增长速度己远远超过模拟式仪器仪表。 (3) 智能化仪器仪表 这类仪器仪表大致可以分为两类 ： 一类内含微处理器，称为“ 微机化仪表 ”， 另一类，仪器本身与微型机在硬件结构上是分开的，但仪器由微型机控制进行数据采集与处理，成为智能化仪器。 智能仪器仪表以微电子器件 代替常规电子线路，以微处理器为核心，具有信息采集，显示，处理，传输及优化控制等功能，甚至具有辅助专家进行推断分析与决策的能力。 智能化仪器仪表一出现就显示了它的强大生命力，现已成为 上个世纪 80 年代 以 来仪器仪表发展的一个主要方向。 兰州交通大学毕业设计（论文） 4 正在研究的温度检测技术 近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已取得了重大进展。 新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。 (1) 晶体管温度检测元件 半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。 半导体的电阻温度系数比金属大 1~2 个数量级，二级管和三 极管的 PN 结电压、电容对温度灵敏度很高。 基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。 (2) 集成电路温度检测元件 利用硅晶体管基极 — 发射极间电压与温度关系 （ 即半导体 PN 的温度特性 ） 进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。 目前，国内外也进行了生产。 (3) 核磁共振温度检测器 所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。 利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检 测器，称为核磁共振温度检测器。 这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。 在常温下，可作理想的标准温度计之用。 (4) 光纤温度检测器 在常规办法无法测量的场合，光纤测温得到较快发展。 光纤温度检测器是目前光纤传感器中发展较快的一种，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。 (5) 纯贵金属热电偶的研究 由两种纯金属组成的热电偶，因其材料均匀性远优于合金材料，因而稳定性好的多。 在铂锗合金热电偶（ S、 R 型）的不确定度 已很难提高之后，人们开始寻找由纯贵金属组成的热电偶，以代替 S 和 R 型热电偶，作为传递的标准。 (6) 信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表 现代的工业过程自动化系统是现场总线控制系统，它是信息技术进入工业自动化后出现的新一代的自动控制系统。 现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自控装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。 所有的现场仪表 （温度检 仪兰州交通大学毕业设计（论文） 5 表是其中一种 ） 均接到现场总线上。 在这样的系统中，通常不应使用各有不同输出的温度计，必须将输出转变成统一的电信号，这样“温度计”就变成了“温度变送器”。 在现场总线控制系统中的温度变送器主要是热电偶变送器和热电阻变送器，也有辐射温度变送器 [2]。 还有一些例如 热噪声温度检测器 ，石英晶体温度检测器，激光温度检测器，微波温度检测器等温度检测器都有不同程度的发展。 课题研究背景及 本文主要内容 温度在工业生产当中是一个至关重要的参数，对温度的测量和控制直接关系到 生产效率和产品质量。 因此，及时、准确、合理地测量工业环境中 的 温度成为了人们一直关注的问题。 本 设计 的 目的就是研究一种更快速，更准确，操作起来更加方便的温度测控系统。 本文主要讲述了用热电偶测温的主要 原理、实际硬件电路的设计、软件设计和误差分析。 第 1 章介绍了温度检测现状和仪器仪表的发展现状。 第 2 章讲述了热电偶测温的主要原理，说明了热电偶实际输出电压和温度之间的关系，以及如何求得总的热电动势。 第 3 章讲述了单片机系统硬件电路的设计 ，包括热电偶的 信号调理电路的设计 及单片机系统的设计。 整套仪器是由单片机系统控制的，包括 A/D 转换电路、时钟 和 复位电路、键盘和 LED 显示电路、温度控制电路 等。 利用热电偶测得温度对应的电压信号，经过必要的放大与 A/D 处理后，由单片机处理所得数据，最后把结果显示出来。 其中，信号调理 放大部 分电路的设计是整篇课题设计的难点，投入了 很 大的 精力。 第 4 章介绍了本仪器的软件设计，给出了软件流程图。 第 5 章进行了误差分析，分析了产生误差的各种因素，这将有助于今后对系统的改进，以进一步提高系统的测量精度。 第 6 章讲述了通过本仪器所得的结论并对未来的发展提出了新的展望。 兰州交通大学毕业设计（论文） 6 第 2 章 热电偶测温的基本原理 方案的提出 温度 测量 有许多方法，但考虑到实际应用于较广泛的工业领域就需要测温范围宽的测温元件，同时要将温度信号转 变成电信号来处理，因此采用热电偶 作为检测系统的一次仪表。 热电偶结构简单、容易制造、价格便 宜、准确度高、测温范围广，目前在大量的热工仪表中，热电偶作为温度传感器，已经得到了广泛的使用。 热电偶测温的基本原理 热电偶是热电温度计的敏感元件。 它的测温基本原理是基于金属导体的热电效应。 热电效应产生的电势可 由三 个 不同的效应 加以解释 ，即 ： 赛贝克 (Seebeck)效应、 珀 尔帖(Peltier)效应和汤姆逊 (Thomson)效应。 (1) 赛贝克效应 1821 年由赛贝克发现的热电现象。 两种不同的物体 A 和 B 连接在一起，构成一个闭合回路，当两个接点 1 和 2 的温度不同时 ， 如 图 所示。 如 0TT ，在回路中就会产生热电动势，此种现象称为热电效应。 该热电动势就是著名的“赛贝克温差电动势”，简称“热电动势”，计为 ABE。 导体 A、 B 称为热电极。 接点 1 通常是焊接在一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端。 接点 2 要求温 度恒定，称为参考端 （也被称为冷端）。 T T 0A AB1 2 图 塞贝克效应示意图 ( 0TT ) 热电偶就是通过测量 热电动势来实现温度测量的，即热电偶测温是基于热电转化现象 — 热 电 现象。 如果进一步分析，则可发现热电偶是一种换能器，它 能 将热能转化为电兰州交通大学毕业设计（论文） 7 能，用所产生的热电动势测量温度。 该电动势实际上是由接触电势（珀尔帖电势）与温差电势（ 汤姆 逊电势）所组成。 (2) 接触电势（珀尔 帖 电势） 导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体 A 与 B 相互接触时，就会发生自由电子扩散现象，自由电子从电子密度 高的导体流向电子密度低的导体。 电子扩散的速率与自由电子的密度及所处的温度成正比。 例如导体 A 和 B 的电子密度分别为 AN 、 BN 并且， AN BN ，则在单位时间内，导体 A 扩散到导体 B 的电子数比从 B 扩散到 A 的电子数多，导体 A 因失去电子而带正电， B 因获得电子而带负电，因此，在 A和 B 间形成了电位差如图 所示。 ∏AB 方 向A(T) B(T)NANB电 子 扩 散 方 向 图 接触电势 一旦电位差建立起来之后，将阻止电子继续由 A 向 B 扩散。 在某一温度下，经过一定的时间，电子扩散能力与上述电场阻力平衡，即在 A 与 B 接触处的自由电子扩散达到了动平衡， 那么 ，在其接触处形成的电动势，称为珀尔帖电势或接触电势，用符号AB(T) 表示。 由电子理论 AB(T) 可用下式表示： AABBNkT(T) lneN () 式中 ： k — 玻耳兹曼常数，等于 2310 J/K； e — 元电荷，等于 1910 C； AN 、 BN — 在温度为 T 时，导体 A 与 B 的电子密度； T — 接触处的温度（ K）。 对于导体 A， B 组成的闭合回路如图 所示 ，两接点的温度分别为 T 、 0T 时，则相对应的珀尔帖电势分别为： AABBNkT(T) lneN 0AAB 0BkT N(T ) lneN () 兰州交通大学毕业设计（论文） 8 T0TABAB∏A B( T ) ∏A B( T0) 图 热电偶回路的珀尔帖电势 而 AB(T) 与 AB 0(T) 的方向相反，所以，回路总的珀尔帖电势为： AA B A B 0 0BNk( T ) ( T ) ( T T ) l neN     () 由式 ()看出：热电偶回路的珀尔帖电势只与导体的性质和两接点的温度有关。 温差越大，接触电势越大，两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。 (3) 温差电势（ 汤姆逊 电势） 由于导体两段温度不同而产生的电动势称温差电势。 由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温（ T ）端电子将向低温端（ 0T ）扩散，致使高温端因失电子 带正电，低温端恰好相反，因获电子带负电。 因而，在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，最后使电子扩散建立一个动态平衡，此时所建立的电位差称温差电势或汤姆逊电势。 它与温差有关，可用下式表示： 0TTσdT () 式中， σ为汤姆逊系数，它表示温差为 1℃ （或 1K）时所产生的电动势值，它的大小与材料性质及两 端 温度有关。 T T0ABT T0AB 图 热电偶回路的温差电势 对于导体 A、 B 组成的热电偶回路，当接点温度 0TT 时， 如图 所示。 回路中温差电动势则为导体 A、 B 的温差电势的代数和，即： 0T ABT(σ σ )dT () 上式表明，温差电势的大小，只与热电极的材料及两端的温度有关，而与热电极的几何兰州交通大学毕业设计（论文） 9 尺寸和沿热电极的温度分布无关。 热电偶闭合回路的总热电动势 接触电动势是由于 两种不同材质的导体接触时产生的电势，而温差电势则是对同一导体当其两端温度不同时产生的电势。 在图 所示的闭合回路中，两个接触点有两个接触电势 AB(T) 与 AB 0(T) ，又因为 T 0T ，在导体 A 和 B 中还各有一个温差电势 如图 所示。 T0TAB0TAT σ dT0TBT σ dTAB∏ (T) AB 0∏ (T ) 图 热电偶回路的总热电动势 因此 ， 闭合回路总电动势 AB 0( , )E T T 应为接触电势与温差电势的代数和，即 ： 0TA B A B A B 0 A BT( ) ( ) ( ) ( σ σ )T    0E T, T T T d () 所以 ： 0A B A B A B A B 0 A B00( ) ( ) d ( )( ) ( )               TT0E T ,T T T T d T    () 各接点的分热电势 e 等于相应的接触电势与温差电势的代数和 ，可用下式表示： A B A B A B0( ) ( ) ( )  Te T T d T 0A B 0 A B 0 A B0( ) ( )()    Te T T d T () 在总电动势中，接触电势较温差电势大得多，因此，它的极性也就取决于接触电势的极性。 当 T 0T 时， AB()eT与总热电动势的方向一致，而 AB 0()eT与总电动势方向相反。 所以总热电动势可表示成如下形式 ： A B 0 A B A B 0 A B B A 0( , ) ( ) ( ) ( ) ( )   E T T e T e T e T e T () 由 此可见，热电偶回路的总热电动势等于各接点分电动势的代数和。 ()E e T () 兰州交通大学毕业设计（论文） 10 对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时， AB 0()eT为常数 C，则总电动势就变成测量端温度 T 的单值函数 ，即 ： A B 0 A B( , ) ( ) C ( )  E T T e T f T () 当 0T 恒定不变时，热电偶所产生的热电动势只随测量端温度的变化而变化，即一定的热。