基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

来的是很弱的难以测量和直接使用的模拟小信号。 当我们遇到冷端温度补偿这一必须要面对和解决的问题时 ,冰点补偿法和电桥补偿法这两种方法都存在大的缺陷，几乎不能实时实现温度的测量、成本高等一系列问题经常会随之产生。 因此对热电偶测量的电压信号进行基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计 2 放大调理、模拟和数字之间的转换等等一系列复杂的问题需要我们去很好的解决它。 在对动态温度进行实时测量记录时，仅仅显示 温度还是远远达不到我们想要的结果的。 这时候就需要时间和温度的同时出现在我们的眼界内才能完成我们想要的结果。 要想显示时间常用的方法有两种，一是利用单片机时钟进行控制。 二是利用专用的时钟芯片。 我的设计是用 K 型热电偶、复位电路、晶振电路、 MAX6675 与单片机及热电偶的连接电路、 LCD1602 液晶显示电路以及 4X4 矩阵键盘输入电路等相关元器件来设计出相应温度采集放大和转换电路、温度显示电路、键盘控制电路、实时时间显示电路等。 系统利用芯片 MAX6675 和 51 单片机作为主要设计电路，进行数据传输 ,并配合时钟芯片，实 现测量温度实时时间同时显示的目的，调用键盘可以控制查看实时测量温度记录等，一切都只是为了达到设计任务书中的所要求的各项技术指标，然后再仿真一下，可以实现对动态温度的测量、实时时间的显示等功能。 基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计 3 2 动态温度测量记录系统方案设计 我们都知道温度传感器都是有热惰性的，为了实现对动态温度的正确测量，需要研究温度传感器的热时间常数。 假设温度传感器自身温度均匀，没有损失热辐射能量，而且传感器的介入不会改变被测介质温度，热平衡方程 [13]可以表示为       tTtTdt tdTcm   （ 21） 其中，为比热容；为温度传感器质量；平均温度时间函数；被测介质温度函数；温度传感器耗散系数； t 为时间变量。 热时间常数用表示，上式可写为      tTtTdt tdT   （ 22） 因为0,所以， tTtT  ，这就是动态温度测量误差的根本。 当  TtT ，且tT|t=0 0解上式得     /0 teTTTtT  ， t0 （ 23）    TT TT  tlnt 0， t0 （ 24） 当时 t，    00 TTTtT  ，热时间常数可表达为：把传感器放入稳定介质，传感器温度由 0 变成和介质温度相同与传感器初始温度之差的 %用的时间。 每一种传感器都有自己的热时间常数，所以在测量动态温度时需要考虑用软 件设计以达到动态温度实时测量的准确性。 系统方案设计一 这种方案设计的基本思想是：模拟元器件组成冷端补偿转换以及放大电路 ,这种冷端补偿放大以及模拟和数字相互转换组成的电路不仅占用电路的体积比较大 ,而且使用起来也非常不方便。 除此之外，当不管是需要改变桥路电源还是要更换热电偶的类型时，都需要对电路的元器件值重新再做出调整。 该方案所涉及的主要组成电路部分包括热电偶及冷端补偿、放大及 A/D 转换电路、单片机最小系统和显示电路等。 如图 211 所展示的就是这个方案设计的系统框图。 基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计 4 图 211 系统框图 系统方案设计二 在这里我选择了自带热电偶冷端补偿和放大及模数转换器的专用芯片 MAX6675，MAX6675 芯片除了可以对冷端温度进行补偿外，还能对温度进行模数转换使其可以直接与 51 单片机进行数据传输。 它一方面将采集到的冷端温度数据使用芯片内部的温度敏感二极管转换成补偿电压，另一方面又将测量到的热电势和补偿电压利用模数转换器转换成相应数字量用来代表所测量的温度 , 然后实际温度数据（二者的电压的和）从输出引脚输出和单片机 P0 口连接，进行数据传输，最后在 LCD1602 液晶显示屏上将温度值显示出来。 该方案所涉 及的主要组成电路部分包括 K 型热电偶、温度补偿转换电路、4X4 矩阵键盘电路及 LCD1602 显示电路等。 如图 212 就是这个方案设计的系统框图。 图 212 系统框图 系统方案的确定 现在对上述两种方案进行比较，由系统框图可以得出方案一所需电路比较复杂，而且测量出的温度值不精确，这样就可能会造成非常大的误差。 方案二是热电偶专用的芯基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计 5 片 MAX6675 芯片对采集到的温度数据在内部进行 AD 转换、冷端补偿、内部校正工作，还可以对测量到的温度进行数字化处理的问题。 除此之外，该方案所测温度精确度比较高，可以消 除由热电偶的非线性所造成的测量误差 ,该方案还实现了电路的优化设计。 故本系统设计最后决定用方案二的设计思想。 基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计 6 3 硬件电路设计 AT89S51 单片机的硬件组成 片内硬件组成结构 AT89S51 单片机的片内硬件组成结构如图示 : 图 311 片内硬件结构 AT89S51 具有的基本特点是 【 9】 ： CPU 是 8 位微处理器 128byte 片内数据存储器 4K 片内程序存储器 8 位可编程并行 I/O 口 4 个 全双工的异步串行口 1 个 16 位可编程定时计数器 2 个 看门狗定时器 1 个 中断系统有 5 个中断源，两个中断优先级 特殊功能寄存器 26 个 掉电模式下具有中断恢复模式。 除掉电模式之外，低功耗节电模式有还空闲模式 程序加密锁定位 3 个 基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计 7 比起 AT89C51 来说， AT89S51 拥有更加鲜明的特点，具体表现在 【 9】 ： 新增 In System Program（ ISP）功能，可灵活的在线编程，现场程序修改和调试更加方便 多加一个数据指针，方便对片外 RAM 访问 新增看门狗定时，系统抗干扰能力增强 增加掉点标志和掉点后恢复 5189SAT引脚功能 引脚（ DIP封装）如图 图 312 DIP封装引脚图 表 311 电源和时钟引脚及功能 表 312 控制引脚及功能 基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计 8 表 313 OI/端口引脚及功能 表 314 部分 I/O 口引脚的第二功能表 5189SAT存储器 使用存储器时应注意： （ 1）要区分程序存储器和数据存储器 【 9】 （ 2）位地址空间共有 2 个区域 （ 3）用指令来区别访问的是片内数据存储器还是片外数据存储器 【 9】 （ 4）片外数据存储器统一编址 RAM 和 I/O 端口 【 9】 基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计 9 （ 5）所有外围 I/O 端口的地址都会占用存储器单元 图 313 存储器空间分配图 程序存储器一般用作： （ 1）存放程序和表 格一类的固定常数 （ 2）系统程序启动地址 0000H 是程序存储器里的地址 （ 3）引脚 EA确定是访问片内还是片外程序存储器 程序存储器被固定用于各中断源的中断服务程序入口地址如下表所示 【 9】 ： 表 315 5 个中断源的中断入口地址 中断源 中断入口地址 外部中断 0 0003H 定时器 T0 000BH 外部中断 1 0013H 定时器 T1 001BH 串行口 0023H 由表可以看出，中断入口间隔只有 8 个单元，通常来说，是远 远不够用来存放中断服务子程序的，所以，我们经常习惯在这几个中断入口处写一条跳转指令调到对应的中断服务子程序 【 9】。 数据存储空间分为片内和片外数据存储。 由于本次设计未涉及片外扩展，所以，在基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计 10 这里只介绍一下片内 128 字节 RAM 的相关情况，具体内容在下面的表格里展现出来。 表 316 片内数据存储空间分配 单片机通过特殊功能寄存器 SFR 控制片内各功能部件。 SFR 在片内 RAM 上映射区共26 个，对应地址是 80H~FFH。 具体情况如图 314。 阴影部分为新增的 5 个 SFR。 图 314 特殊功能寄存器的名 称及分布 基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计 11 热电偶简介 热电效应及微观解释 热电效应定义： 将两种不同材料的导体 A 和 B 串联成一个闭合回路，当两接点温度不通时，回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应 【 1】。 如图 321 所展现出来的就是热电偶工作原理。 图 321 热电偶工作原理 一八二一年，赛贝克做出来了一个非开放的闭合回路利用不同材质的金属，当他对其中一个点进行加热后，这时，他觉察到指南针竟然转动了一个角度。 当他再次同时加热两个结点时，他发现了放在回路中的指南针的偏转角不仅不增大，反而向回转。 由指南针的偏转可以得出了一个结论：当两个结点温度不相同时，回路中有电动势产生并伴随有电流的流动，电流大小和连接处的温度相关联 【 1】。 两接触点的电势公式可以写成： BtAtAB NNeKtte ln)(  （ 321） 00ln)( 00BtAtNNeKtt  （ 322） 热电偶电动势公式可以写成：          0000 , ttettetetettE BAABABAB  （ 323） 因为闭合回路的温差电动势太小，常常都是被忽略的，所以可以把公式写成：          000, tetetetett BAABABABAB  （ 324） 如果热电偶的型号选定了，冷端温度也已经明确了，那么 0teAB就可以用一个对应基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计 12 的固定的数值来表示，公式可以变为：     ctettE ABAB 0, （ 325） 当连接两种不同种类的金属 A 和 B 时，就可以推算出连接点处自由电子会发生蔓延的情况，这是因为不同种类的金属内部自由电子的密度是不一样的。 自由电子将会从密度大的金属 A 向密度小的金属 B 扩散，密度大的金属失去 e 从而带着正电，密度小的金属就会带有负电，这样就会形成热电势。 当他将另一种金属材料接入热电偶回路中时，但一定保持接入的第三种金属材料两个接点的温度是一模一样的，那么热电偶产生的热电势就会恒定不变，即第三种金属接入回路不会对热电偶所产生的热电势有所影响。 所以，在利用热电偶对温度进行测量时，测量仪表是被允许接入的，我们可以通过测得热电动势后得到被测介质的温度。 如果已经确定了热电偶的材料成份，那么热电势的大小就只与热电偶两端的温度差相关联了。 若再将热电偶冷端的温度保持在一个稳定不变的值时，热电偶的热电势就只和工作端温度呈现出单值函数的关系。 热电偶温度传感器的制作和使用是基于 这一原理 【 1】。 热电偶类别及冷端补偿 总的来说，热电偶温度传感器可以分为 【 1】 ：标准热电偶和 .非标准热电偶。 从字面上来讲，我们所说的标准就是符合国家对一些性能方面的统一标准规定，而这些规定往往会有配套的显示仪表可供测试或检测使用时选择。 非标准在某种程度上总是比不得标准化热电偶，而且，分度表也不统一，多数用于某些特殊场合。 一九八八年一月一日我国所有热电偶和热电阻都按国际标准统一设计。 标准化热电偶温度传感器类型分别是 S 型、 B 型、 E 型、 K 型、 R 型、 J 型、 T 型七种 【 1】。 用热电偶测量时，要保持冷 端的温度恒定不变，这样的话，热电偶热电势的大小就与测量的温度之间就能呈现出一定的函数关系。 实际上冷端的温度不会一直都是恒定的，而是时刻都在变化的。 因此要想得到真正想要的热电势就要解决有关补偿的问题。 如果不想办法消除因为冷端温度发生改变而影响到真实温度的测量就会造成比较大的测量误差。 该补偿电势随冷端温度变化的特性一定要和热电偶的热电特性相一致，这样才能获得最佳补偿效果 【 12】。 热。