热电偶测温仪

热电偶测温仪设计

一、 热电偶测温技术

1.1 热电偶特点

热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，在工业用温度传感器中占有及其重要的地位。它结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传。该热电偶测温仪的软件用C 语言编写，采用模块化结构设计。

1.2 热电偶工作原理

热电偶是利用物理学中的赛贝克效应制成的温敏传感器。当两种不同的导体A 和B 组成闭合回路时，就构成了一个热电偶。如图1.1。

图1.1

温度T 端为感温部分，成为热端；温度T 0为连接仪表部分，称为冷端。当热端温度T 和冷端温度T 0不同时，在回路中就产生热电势E AB （T, T 0 ）,这种显现称为热电效应，这个电动势通常称为热电势。热电式的大小与T 和T 0之差（称为温差）的大小有关。由热电偶回路热电势的分布理论可知，热电偶的热电势仅仅是热电偶两端温度T 和T 0的函数之差，即：

E AB (T, T 0)= E AB （T ）- E AB （T 0） 式（1.1）

也就是说，热电偶的热电势等于热端与冷端温度T 和T 0所引起的电势差。

1.3 二次查表和冷端温度补偿

实际测温中，冷端所对应的热电势要随冷端温度（环境温度）的变化而变化。要保证冷端温度恒定是十分困难的，在一定程度上，测量精度取决于冷端温度的影响。只有当热电偶冷端温度保持不变，热电动势才是被测温度的但只函数。标准中规定结点的热电动势为0℃时的热电动势。

由式（1.1）可知，如果当T=0时可得：

E AB （T 0） = E AB （0）- E AB (0, T 0) 式（1.2）

又当T 0=0时可得：

E AB （T ） = E AB （T,0）- E AB (0) 式（1.3）

把式（1.2）和式（1.3）带入式（1.1）式得：

E AB （T ，0）= E AB （T,T 0）+E AB (T 0,0) 式（1.4）

在式（1.4）中，E AB （T ，0）是冷端温度为0℃，热端温度为T 时的热电势，此值就是成品热电偶给定的分度表值；E AB （T,T 0）是热端温度为T ，冷端温度为T 0时的热电势，也就是实际测量到的热电势值；E AB (T 0,0)是假定冷端温度为0℃，和实际冷端温度为T 0时得到的热电势，在实测中，用集成测温传感器AD590测量T 0，然后从对应热电偶的分度表中自动查出所对应的热电势E AB (T 0,0)，这是第一次查表求出的值，也就是冷端温度补偿所对应的热电势值。通过单片机把实测到的E AB （T,T 0）值与冷端温度补偿E AB (T 0,0)值代数相加，就可得到冷端温度为0℃，热端温度为T 时的热电势E AB (T 0,0)值，再从分度表中自动查得对应于E AB (T 0,0)的温度值，这既是第二次查表求出的值，这个值就是热锻偶热端所得的实际温度。

在实际生产中，热电偶热端（测量端）与冷端相距很远，冷端又暴露于空气

当中，易受环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此需要把冷端延伸并进行温度补偿。

本设计使用AD590温度传感器测冷端结点温度，对其提供0--12V 电压，连接成温度补偿电路。

二、 电路设计

该测温仪是以AT89C51单片机为核心，由AD590集成温度传感器测量冷端温度T 0，由热电偶测量热端温度T 。它们分别经过I/V 转换和线性放大，分时进行A/D 转换，转换后的数字信号送入AT89C51单片机，经单片机运算处理，转换成ROM 地址，在通过以上介绍的二次查表法计算出实际温度值。此值送4位共阴极LED 数码管显示。另外还采用X25045作为看门狗芯片。在运算处理上，除了需要对采集到的信号进行A/D 转换外，还需要在AT89C51单片机里对信号进行线性化标度变换。这一过程通过软件实现。软件部分将在后面介绍。

2.1 硬件结构特点

指标及特点：该热电偶采用S 型铂铑—铂热电偶。测温仪的测量范围在800—1600℃之间。使用＋12V 和＋5V 电源。采用4位共阴极LED 显示。

A T 89C 51

S 型铂铑—铂热电偶

AD590放大

I/V A/D

转换ADC 0809

4×LED

报警

t

t 074LS164

＋5V 电源+12V 电源

MAX705

键盘

图2.1 微机化仪表框图

核心部分：CPU 采用内带4K 电擦写EEPROM 的89C51单片机，它是一种低功耗、高性能的8位CMOS 微处理芯片，是目前单片机中性能价格比较优良的控

制芯片，而且与使用最广泛的51系列完全兼容，工作范围宽，具有加密功能。

数码显示电路：在显示电路中采用4位共阴极LED静态显示，LED驱动器为74LS164。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。缺点是使用元件多，线路比较复杂。共阴极LED 数码管显示如图2.2和图2.3。X脚是共阴极，当在它的a、b、c、d、e、f、g、DP 加上正向电压时，各段发光二极管就点亮。

图2.2 共阴极显示原理图图2.3 管脚分布

抗干扰电路：应MAX705搭构该测温仪表的看门狗电路。看门狗电路实际是一个可重触发单稳态电路，当程序正常运行时，每隔一段时间将单稳电路触发一次，使其经常处于非稳定状态。当由于外界干扰或其它不正常状态使用程序进入死循环或飞逸时，则监控程序不再触发单稳，单稳“翻转”，于是产生一个正脉冲加到抚慰短使系统复位。起到了断电保护和提高了仪表的抗干扰能力。

振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

硬件看门狗电路：硬件看门狗是指集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路，它实际上是一个特殊的定时器，当定时时间到，发出溢出脉冲。从实现角度上看，该方式是一种软件与片外专用电路相结合的技术，硬件电路连接好以后，在程序中适当地插入一些看门狗复位的指令，保证程序正常运行时看门狗不溢出；而当程序运行异常时，看门狗超时发出溢出脉冲，通过单片机的RESET引脚使单