基于单片机的热电偶测温系统

基于单片机的热电偶测温系统

一设计简述

本文设计了基于单片机的热电偶测温系统，介绍了热电偶的测温原理，热电偶冷端补偿方法，简单设计了硬件电路，信号放大电路采用放大器LTC2053将热电偶的输出mv型号放大，再经过ICL7109转换器转换为12位的数字信号，输入给单片机，驱动数码管显示电路显示4位温度值。扩展部分有键盘电路和报警电路。软件部分设计了转换器和键盘及显示电路。

关键字：热电偶；LTC2053放大器；ICL7109转换器；数码管

二设计内容

随着人们生活水平的提高，人们对家用电子产品的智能化、多功能化提出了更高的要求，而电子技术的飞速发展使得单片机在各种家用电子产品领域中的应用越来越广泛。

把以单片机为核心，开发出来的各种测量及控制系统作为家用电子产品的一个组成部分嵌入其中，使其更具智能化、拥有更多功能、便于人们操作和使用，更具时代感，这是家用电子产品的发展方向和趋势所在。有的家用电器领域要求增加显示、报警和自动诊断等功能。这就要求我们的生产具有自动控制系统，自动控制主要是由计算机的离线控制和在线控制来实现的，离线应用包括利用计算机实现对控制系统总体的分析、设计、仿真及建模等工作；在线应用就是以计算机代替常规的模拟或数字控制电路使控制系统“软化”，使计算机位于其中，并成为控制系统、测试系统及信号处理系统的一个组成部分，这类控制由于计算机要身处其中，因此对计算机有体积小、功耗低、价格廉以及控制功能强有很高的要求，为满足这些要求，应当使用单片机。

2热电偶测温原理

1.1热电效应

将两种不同成分的导体组成一闭合回路，如图1所示。

图1

当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，该电势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，这种现象称为“热电效应”。

1.2接触电势

A和B两种不同材料的导体接触时，由于电子的扩散运动，A与B两导体的接触处产生了电位差，称为接触电势。接触电势的大小与导体材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。

对于温度分别为t和t0的两接点，可得下列接触电势公式：（温度为t时的接触电势，温度为t0时的接触电势）

e AB(T0)=U At0 - U Bt0

1.3温差电动势

将某一导体两端分别置于不同的温度场t、t0中，在导体内部，热端自由电子具有较大的动能，向冷端移动，这样，导体两端便产生了电势，这个电势称为温差电势。

导体A、B在两端温度分别为t和t0时形成的电势

e A(t,t0)=U At–U At0

e B(t,t0)=U Bt–U Bt0

1.4热电偶的电势

将由A和B组成的热电偶的两接点分别放在t和t0中，热电耦的电势为：

E AB(t,t0)=e AB(t)-e AB(t0)-e A(t,t0)- e B(t,t0)

由于接触电势比温差电势大的多，可将温差电势忽略掉，则热电偶的电势为

E AB(t,t0)= e AB(T)- e AB(T0)

(AB的顺序表示电势的方向；当改变脚注的顺序时，电势前面的符号（正、负号）也应随之改变)

综上所述，可以得出以下结论：

热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两接点电势差。

1.5热电偶的基本定律

1. 均质导体定律

如果热电偶中的两个热电极材料相同，无论接点的温度如何，热电势为零。

2. 中间导体定律

在热电偶中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则热电偶的热电势不变。

图2

在热电偶中接入第三种导体C ，设导体A 与B 接点处的温度为t ，A 与C 、B 与C 两接点处的温度为t0,则回路中的热电势为：

热电偶的这种性质可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面测量。

3. 标准电极定律

如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电势也就已知。

图3

如图所示，导体A 、B 分别与标准电极C 组成热电偶，若它们所产生的热电势也就已知，即

000()()()()ABC AB AB BC t t t t t E e e e ‚=--0()()

AB AB t t e e =-00()()()

AC Ac Ac t t t t E e e =-‚00()()()BC BC AC t t t t E e e =-

‚

那么，导体A 与B 组成的热电偶的热电势为：

4. 中间温度定律

热电偶在两接点温度分别为t 、t0时的热电势等于该热电偶在接点温度为t 、tn 和tn 、t0相应热电势的代数和；即

中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据，其等效示意图如图所示。

图4

2 冷端补偿与放大电路

图6是热电偶放大电路。电路中，LTC2053是仪用放大器，它为低功率仪器产品提供了一个极好的平台，例如，电池供电的热电偶放大电路等。由于采用了与开关电容的组合以及零漂移运算放大器的工艺，因此，LTC2053的输入偏移电压最大为10μV ，共模抑制比CMRR 和电源抑制比PSRR 达到116dB 。最理想的工作电源采用低电压2.7V 到11V 的单电源或±5V 的双电源，另外，由于消耗电流非常低，典型值为85μpA ，因此，应用于电池供电的放大器非常理想。调节R1、RP1和R2可方便对电路增益进行编程。

作为热电偶放大器必须满足一些特殊要求，通常采用的K 型热电偶的灵敏度为40.6μ℃，而电路的输出一般要求为10mV ／℃，因此，要选用额定增益为246的精密放大器。另外，热电偶一般容易受到工业环境中电子噪声的影晌，因此，仪用放大器允许输入不同的电压有助于消除由于共模噪声引起的误差。为了避免出故障，采取的保护措施是不能让热电偶无意识地接触到瞬变电源或高电压，但保护措施不能兼顾到精度。LTC2053有满足这些要求的补偿特性，它在任何引脚上都可以承受10mA 的故障电流，因此，在不损坏集成芯片的情况下，10kΩ（R4和R5）保护电阻允许承受±100V 故障电压。

00()()()

AB AC n AB n t t t t t t E E E ‚‚‚=-000()()()

AB AC BC t t t t t t E E E =-‚‚‚