基于单片机的热电偶测温系统的设计与研究

基于单片机的热电偶测温系统的设计与研究内容摘要：

，要使冷锻温度保持在 0 ℃ 是比较困难的，所以，要根据不同的使用条件及要求的测量精度，对热电偶冷端温度采用一些不同的处理方法。 常用的方法有： (1)补偿导线法 由于热电偶接线盒与监测点之间的长度有限，一般为 150mm左右（除铠装热电偶以外），这样热电偶的冷端距离被测对象较近，冷端会受到被测对象温度及环境温度影响，使其温度发生变化。 如果把热电极做得很长，使冷端延伸到温度恒定的地方，一方面对于贵重金属热电偶很不经济，另一方面热电极线路不便于敷设且易受干扰影响，显示是不可行的。 解决这一问题的方法是 使用补偿导线。 补偿导线是由两种不同性质的廉价金属材料制成的，在一定温度范围内（ 0100176。 c）与所配接的热电偶具有相同的热电特性的特殊导线。 补偿导线分为延伸型（ x）补偿导线和补偿型（ c）补偿导线。 延伸型补偿导线选用 .的金属材料与热电极材料相同；补偿型补偿导线所选金属材料与热电极材料不同。 必须指出，补偿导线本身不能消除新冷端温度变化对回路热电势的影响，应使新冷端温度恒定。 (2) 冰点法 冰点法是将补偿导线末端放入冰水混合物或零度恒温器中 , 这样 , 热电偶冷端的温度就是0 ℃ , 可直接测出热端温度。 该方法 原理简单 , 测量误差小 , 一般情况下误差可忽略不计 , 但冰水混合物制作、维护麻烦 , 而零度恒温器容量又小 , 所以 , 这种方法多用于实验室。 (3)热电势修正法 该方法是基于中间温度定律。 通过估计或实测冷端温度 T0 , 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端温度T。 此法测量精确但工作繁琐 , 冷端温度变化频率较高时 , 测量效率难以保证实时性要求 , 故 第 9 页 共 47页 少用于工业现场 , 可应用于实验室测温 或对带冷端补偿的二次表进行校验等。 (4) 电桥补偿法 电桥补偿法是现场最常用的冷端补偿法之一 , 它是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度 T0 的变化对输出电势的影响。 在补偿导线末端放置一个电阻温度传感器Rt , 通过选择合适的补偿电桥参数 , 使电桥输出电压的大小正好补偿因冷端温度 T0而引起的热电势 EAB (T0 ,0) , 这样就得到 EAB ( T , 0) , 从而消除了冷端温度对测量结果的影响 , 实现了冷端补偿。 这种方法结构简单、使用方便、硬件投资少 , 但因热电偶是非线性的 , 而补偿电桥则是线 性的 , 因而难以实现完全补偿 , 常出现欠补偿或过补偿现象 , 另外 , 还存在与分度号匹配问题 , 补偿电桥与热电偶的分度号必须是一一对应的 , 通用性差。 (5)二极管补偿法 由 PN 结理论可知 , 在室温附近 , 当流经 PN 结的电流恒定时 , PN 结温度每升高 1 ℃ , 其正向电压将减小 2～ 215mV (具体数值由 PN 结参数确定 ) ,据此特性 , 可设计相应热电偶冷端温度补偿电路。 这种方法结构简单、使用方便 , 补偿精度可达 ℃ , 补偿范围为 25 ℃ ～ 80 ℃。 (6)集成温度传感器补偿法 这种方法是利用 高性能半导体温度传感器实现测温和补偿的 , 其原理是由集成温度传感器测得冷端温度 , 再与热电偶所测温差叠加而得到热端温度。 该补偿法方法简单、精度高、线性好。 目前 , 可用器件有电流输出型器件 AD590 和电压输出型器件 LM135 、 LM235 、LM335 等 , 其中 AD590 应用广泛 , 其输出电流与绝对温度成正比 ,如将 AD590 的输出电流通过 1k 电阻 , 即可获得 1mV/ K的输出电压 , 信号处理方便。 (7)软件补偿法 在智能温度测控系统中 , 常用软件方法实现冷端温度补偿 , 如图 4 所示 , 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 , 并经多路模拟开关和 A/ D 转换后 , 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 ,对于不同分度号的热电偶 , 只要改变机内数据转换表即可 , 系统的适应性大大增强 , 使用方便。 热电偶温度信号的线性化 在理想的情况下热电偶的热电势才是被测温度的单值函数。 实际上，热电偶温度信号非性是比较大的，温度从 0℃ 升高到 1800℃ ，热电势从 0mv变化到 ，每 100℃ 热电势增加最大值约为最小值的 8倍。 热电偶温度信号的线 性化主要有如下几种方法 [6]。 （ 1）单反馈法。 利用负反馈，可以改善其线性，但是很有限。 几种非线性稍小的热电偶，在温区要求不宽的情况下，可以采用这种方法。 有时，由于在某一温区有精度 要求，那么就在该温区对信号进行调理，达到要求的目标；在没有精度要求温区可以放宽，只作监视用。 （ 2）折线近似法。 这是一种对非线性较大信号处理的较好方法，处理得好可以达到较高的精度。 它普遍适用于各种热电偶的整个正信号温区。 第 10 页 共 47页 2 系统硬件设计 硬件电路构成 硬件电路由县好处理单元 、 AD转换电路、放大电路、显示电路、串行输出电路 、电源电路组成。 系统组成框图如下图 21 所示： 图 21 硬件组成原理方框图 微型计算机的选择 本系统选用单片机 A T89C51 为主机。 AT89C51是 ATMEL公司生产的低电压，高性能COMS 8位单片机， 有 4 K 的 FLA SH 工艺的程序存储器 , 256 字节的数 据存储器以及 32 个 I/O 口。 利用 89C51串行输出工作方式，使 89C51的利用率大大提高，外部电路得以简化。 89C51可 直接与键盘进行扫描读数，可直接用串 /并行转换模块 74LS164驱动 LED显示温度值。 AT89C51的引脚 与 8031相同， 不需要扩展即能满足要求 [7， 8]。 其主要功能特性有 [9]： 1) 与 MCS51 产品指令系统兼容 2) 片内有 4K 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 3) 寿命： 1000 写 /擦循环 4) 存储数据保存时间为 10 年 5) 宽工作电压范围： Vcc 可为 ～ 6V 6) 全静态工作：可从 0Hz 至 24MHz 数码显示模数转换AD 574输出单元数据采集单元信号处理单元多路开关K 热电偶及冷端温度补偿单片计算机恒流源多路开关 AD 590放大单元多路开关量程调整串行输出 第 11 页 共 47页 7) 程序存储器具有 3 级加密保护 8) 1288 字节内部 RAM 9) 32 个可编程 I/O 口线 10) 2 个 16 位定时器 /计数器 11) 6 个中断源 12) 可编程串行 UART 通道 13) 低功耗空闲和掉电模式 14) 片内振荡器和时钟电路 热电偶 的选择 热电偶是测量传感器 ,。 热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽 (通常从 50～ + 1600 ℃ )及反应快速的优点。 对它的选择将直接影响检测误差大小。 目前多选用 K 型 (镍铬 —镍硅 )或 S 型 (铂铑 —铂 ) 热电偶。 两者相比 , K 型有较好的温度 —热电势的线性度 , 但它不适宜于长时间在高温区使用 ； S 型有高的精度 , 但温度 —热电势的线性度较差。 使用热电偶传感器应注意采取冷端补偿。 即当热电偶冷端温度不为 0 ℃ 时 , 热电偶的输出电势将偏离冷端温度为0 ℃ 时的数值 , 为了提高测温精度 , 需要采取冷端补偿措施 ，如图 22所示。 本设计采用 K型热电偶 ——镍络 镍硅，其特点是使用温度范围宽 ,线性度较好 , 热电势与温度关系近似线性 ,热电势较大 ,灵敏度较高 ,稳定性和复现性较好 ,抗氧化性强 ,价格便宜，短期使用温度为 1300℃ , 长期使用温度为 1000℃ ，测温范围为270～ +1327℃ [10， 11]。 测量原理及电路图 由图 23 可知 ,设 S S St、 S3分别为 U0U0 Et、 +U0 U03 的采样值 ,K1(t)为采样 U01时 ,IC IC IC U3和 AD574 组成的放大转换通道的等效转换系数 ,K2(t)为采 样 U0 Et、 +U0U03时 ,IC IC IC U3和 AD574 组成的放大转换通道的等效转换系数。 设热电偶冷端温度为0℃ ,热电偶的热电势为 Et。 当多路模拟开关 U1和 U2的 IN0 导通 ,U3通道 IN0 导通时 ， 有 : 01 1U I R (1) 100001000020200300004000050000600000 270 0 270 540 810 1080 13501020304050600 100 ～ 1372 ℃的拟合曲线热电偶特性相邻温度点差值曲线温度 / ℃热电势 （ 礦 ）图 2 2 K 分度热电偶特性图AD 59069101116378131415INHCBAVDDVEEVSSCOM30 V+5VEtR 1CD40516 9 10 111637813141512VDDVEEI NH C B ACO M+ 5 VCD 4051VSSR 2R 3R 4R 5OU TP 1 . 1P 1 . 2P 1 . 0P 1 . 3图 2 3 测量原理图 第 12 页 共 47页 1 1 0 1 1( ) ( )tS K t U K t I R     (2) 在使用环境温度 050℃ 内 ,AD590M 输 出电流的最大值为 ,AD574采用 10 V输入方式 ,电路中 K1(t)=10 V/(1 kΩ)=,可见由 IC IC IC U3和 AD574 组成的放大转换通道的等效转换系数倍数不高 ,且 IC IC2采用斩波稳零型运放 ICL7650,IC3采用OP07,因此可以获得稳定的性能 ,忽略 K1(t)温度漂移等因素的影响。 由此可得 :  111 1 1 1SSI K t R K R (3) 由此得到电流 I 和冷端 温度 t0 的准确值。 当多路模拟开关 U1 和 U2 的 IN1 导通 ,U3 的 IN1导通时 ,有 : 120 2 211SRU I R KR       2 1 22 2 0 2 11K t S RS K t U KR    U02是标准毫伏电压信号 ,用于对第二路放大器和采样通路进行校准 ,由上式可得 :   2 1 12 12S K RKt SR  (4) 对于 Et,当多路模拟开关 U1和 U2的 IN2 导通 ,U3的 IN1 导通时 ,有 :    2 03ttS K t E U   所以 :   1203 2 2 1 1ttt S S S REU K t S K R    由式 (2)可得 : 1 1 2 2032 1 1 2ttt S K I R R S RE U IS K R S       (5) 用同样的方法可以求出 U03的值为 : 32032SRUIS (6) 由式 (5)~(6)即可得到冷端温度为 0℃ 时的热电势 ,即 :  322 3 212032 2 2 2ttt S S RS R S RSRE I U I I IS S S S      (7) 如果冷端温度不是 0℃ ,可由式 (3)求得冷端温度值 ,查分度表得到对应的热电势 Et0,加到由式 (7)求出的热电势值上 ,再查分度表得到温度值即可。 因为采用了自校准的方法 ,得到了装置计算热电势 Et 的表达式 (7),由式 (7)可知 ,热电势的测量值与 AD590M 的输出电流 I、标准电阻 R热电势的采样值 St、标准毫伏信号的采样值 S2和 U03的采样值 S3有关 ,大大减 第 13 页 共 47页 小了放大器的零点漂移和非线性的影响 ,因此 ,提高了测量精度。 其精度主要取决于 AD 的分辨率 [12]。 在电路中 ,R3=,R5=, 当 环 境 温 度为 50℃ 时 ,I=, 此时U03=,Et(1 372℃ ,50℃ )=52 845μV,则 Et(1372℃ ,50℃ ) +U03=60 ,由此可得K2(t)=10 V/60 =。 当环境温度为 50℃ 时。