热电偶测温系统标准设计.doc

任务书

课程 传感器课程设计
题目 热电偶测温系统设计
关键内容：
本系统以单片机为关键，硬件设计使用高精度模/数转换器和高精度数/模转换器，分别实现对热电偶电动势采样、放大、AD 转换和对线性化处理数据转换，并在程序中采取修正后数据，实现热电偶线性化处理。
基础要求：
1、根据技术要求，提出自己设计方案（多个）并进行比较；
2、利用热电偶和单片机等设计一个热电偶测温系统电路。
3、说明所用传感器基础工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作原理、注明元器件选择参数、进行方案比较。
关键参考资料：
[1]崔志尚.温度计量和测试[M].北京：中国计量出版社，1998．
[2]赵茂泰.智能仪器原理及应用[M].北京: 电子工业出版社，.
[3]陈杰，黄鸿.传感器和检测技术[M].北京: 高等教育出版社，.
[4]刘华东.单片机原理和应用[M].北京: 电子工业出版社，.
完成期限
指导老师
专业责任人
5 月 7 日

摘 要
在现代化工业现场, 常见热电偶测试高温,测试结果送至主控机。热电偶是工程上应用最广泛温度传感器之一，它含有结构简单、使用方便、正确度、热惯性小、稳定性及复现性好、温度测量范围宽等优点，适适用于信号远传、自动纪录和集中控制，在温度测量中占相关键地位。但因为热电偶热电势和温度呈非线性关系, 所以必需对热电偶进行线性化处理以保持测试精度。该测温系统经过高精度模/数转换器AD7705对热电偶电动势进行采样、放大, 并在单片机内采取一定算法实现对热电偶线性化处理, 再经过数/模转换器AD421进行数/模转换产生4 mA~ 20mA电流, 送入主控中心。
关键词：热电偶；线性化；AD转换；DA转换；单片机

目 录
一、设计要求 1
二、设计方案及其特点 1
1、方案说明 1
2、方案论证 2
三、传感器工作原理 2
四、电路工作原理 3
五、单元电路设计、参数计算和器件选择 3
1、单元电路设计 4
2、参数计算 5
3、器件选择 6
六、总结 7
参考文件 8

热电偶测温系统设计
一、设计要求
以单片机为关键，进行对系统控制和线性化算法运算，使A/D 转换精度愈加好；在算法处理上，使用最好计算方法，使得线性化算法达成运算量小、处理速度快、占用内存小等要求，并使该系统能很好处理热电偶测试高温精度问题。
二、设计方案及其特点
本设计是基于STC89C52单片机硬件设计。对于系统可分为下面两种不一样设计方案：
1、方案说明
方案一：系统由Ｋ型热电偶和集成温度传感器AD590测量热端和冷端温度，采取USB采集卡实现信号采集并传输给计算机。依据热电偶中间温度定律[1]，编制软件采取查表和曲线拟合进行非线性校正及冷端赔偿。利用LabVIEW数据存放、读取、分析函数，实现温度趋势曲线和统计直方图绘制[2]。本系统将滤波、非线性和冷端赔偿等功效由软件实现，简化了电路设计，提升了系统稳定性和测量精度，但成本较高。
放大
放大
AD590
USB数据
采集卡
计
算
机
热电偶 赔偿导线
热端
冷端

图1 方案一原理框图
方案二：控制电路以单片机为中心，控制其它部分完成各自功效。其中模/数转换部分采取16位高精度AD转化器AD7705，采取自校准，提升其抗干扰能力和精度；数/模转换部分采取高精度DA转换器AD421，在电路设计上，采取光隔离，控制AD421 完成其功效，AD421为16位高精度数/模转换器，它未来自单片机线性化处理后数据进行DA转化，产生4mA-20mA电流，送控制中心[3]。这种方案确保成本，采取了良好线性化算法，编程又采取可节省内存汇编语言，使得测量速度快，测量结果能满足工业标准要求。

传感器
AD7705
A/D转换器
STC89C52
单片机
AD421
D/A转换器
去4mA-20mA测量电路

图2 方案二原理框图
2、方案论证
从正确度来看，方案一强于方案二，但方案二电路实现简单，占用内存较小，抗干扰能力强，成本较低。所以通常地说，需要稳定性好可选择方案一测量电路，若考虑便于和单片机接口连接，那么方案二测量电路就由其方便之处。所以本设计中选择方案二。
三、传感器工作原理
热电偶传感器工作原理：两种不一样成份导体两端接合成回路，当接合点温度不一样时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势[4]。热电偶就是利用这种原理进行温度测量，其中，直接用作测量介质温度一端叫做测量端，另一端叫做赔偿端；冷端和显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生热电势。图3所表示。

赔偿端　　测量端

　　Ｔ０ Ａ电极
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Ｔ１
Ｔ０ Ｂ电极
图3 热电偶工作原理图
热电偶测温基础原理是两种不一样成份材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流经过，此时两端之间就存在热电动势，这就是所谓塞贝克效应。两种不一样成份均质导体为热电极，温度较高一端为工作端，温度较低一端为自由端，自由端通常处于某个恒定温度下。依据热电动势和温度函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时条件下得到，不一样热电偶含有不一样分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点温度相同，热电偶所产生热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中影响。所以，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质温度。
四、电路工作原理
电路工作原理图图4所表示。

图4 总原理图
测温系统经过高精度模/数转换器AD7705对热电偶电动势进行采样、放大, 并在单片机内采取一定算法实现对热电偶线性化处理, 再经过数/模转换器AD421进行数/模转换产生4 mA~ 20mA电流, 送入主控中心并显示。
五、单元电路设计、参数计算和器件选择
1、单元电路设计
模/数转换部分电路图5所表示。

图5 A/D转化电路原理图
采取16位、双通道、高精度模/数转换功效AD7705。AD7705能直接对来自传感器微弱信号进行A/D转换[5]。使用时经过单片机控制其单双极性、增益倍数、选择通道输入和工作模式选择等；用AD584基准芯片为AD7705采集模块提供基准电压，使AD7705能够正常且稳定工作[6]。
数/模转换部分电路图6所表示。

图6 D/A转化电路原理图
采取16位高精度数/模转换器AD421[7]。AD421由电流环路供电，16位数字信号以串行方法输入，4-20mA电流输出，可实现低成本远程智能工业控制。AD421内部含有电压调整器可提供+5V，+3.3V或+3V输出电压，还含有+1.25V，+2.5V 基准电源，均可为其本身或其它电路选择[8]。AD421 采取Σ-ΔDAC结构，确保16位分辩率和单调性，其积分线性误差为±0.001%，失调误差为±0.1%，增益误差为±0.2%，其标准三线串行接口可在10Mbps下运行，便于和通用微处理器或微控制器相连。
2、参数计算
软件是算法和功效实现关键。该部分关键完成任务是： A/D 转换器配置、开启和数据读取。对信号线性化处理。D/A 转换器配置和数据读取。其中线性化算法关键参考“最好非等距线性插值算法在热敏电阻测温中应用”，提出一个“最好非等距离分段算法”，依据标度转换，在不一样分段上推导出y = kx+ b线性化算法。
整体设计和调试，以K分度热电偶为例。经过调整滑动变阻器，模拟赔偿后K分度热电偶热电势，送入AD7705完成模/数转换,转换后数据送入单片机进行线性化处理，使处理后单片机输出数据和温度展现线性关系；最终再将线性化后数据，送至AD421经数/模转换，输出电流值[9]。本系统采取误差修正公式来消除系统误差，从输出端引反馈量到输入端来改善系统稳定。
在无误差理想情况下, 有ε = 0，i = 0，K是常数, 于是存在关系
(1)
在有误差情况下, 则有
(2) (3)
由此能够推出
(4)
可改写成下简明形式
(5)
式中：x——热电偶产生电压；
y——带误差输出到D/A转换器电压；
Ε——影响量（比如零点漂移或干扰）；
i——偏差量（比如直流放大器偏置电流）；
K——影响特征（比如放大器增益）。
把热电偶分度表各温度时电压值x经过运算求出各温度时对应y值，y值通常包含小数，因为A/D转换器离散性和分辨率限制，所以只保留整数部分，保留到单片机ROM中，在每次测量完温度数据后直接由y值查表，运算求对应温度。
3、器件选择
表1 元器件清单表格上下边线加粗

标号
元器件类型
元器件规格
数量
C1,C2
电容
33p
各1
C3,C4
电容
103
各1
C5，C7，C9,C19
电解电容
10μ
各1
C6,C8,C12,C18
电容
0.1μ
各1
C10,C11
电解电容
4.7μ
各1
C13,C14,C16
电容
0.011μ
各1
C15
电容
0.0033μ
1
C17
电容
1000 p
1
C20
电容
100 p
1
C21
电容
0.1 p
1
C22
电解电容
30μ
1
R1,R2,R5,R6
电阻
1K
各1
R3
电阻
100K
1
R4
电阻
51K
1
R7
电阻丝
1K
1
NPN
三极管

1
MOS
场效应管

1
CRYSTAL
晶振
2.4576MHz
1
CRYSTAL1
晶振
12MHz
1