基于单片机的温度检测

引言

为了让我们更加深刻的了解并掌握老师课堂上所讲述的知识，提高动手动脑的能力，拓展视野，进行了本次热工仪表课程设计。我们所选的课题是温度检测，温度是一种基本的环境参数。在现代的工业生产和人们的日常生活中，温度，压力，物位，流量都是很重要的影响因素，而对温度的检测及对其的控制的精确高低在很大程度上影响了产品的稳定性和人们的生活。在流量，压力，等物理量的测量中，温度也是一个十分重要的影响量。因此，实现准确的温度测量，具有十分重要的意义。此次任务是完成加热炉的温度保持在1200℃左右，最大误差不超过±1℃。将此项任务进行工业化，可以实现智能温度检测及控制，节省大量时间、人力、物力，并能实现高精度控制。

摘要

本系统以STM32F103单片机为主控制器，以铂铑热电偶温度传感器测出加热炉的温度并通过补偿导线送到温度变送器，温度变送器将温度传给单片机系统，单片机通过与设定温度1200℃比较，产生PWM波控制可控硅电路实现闭环控制,使加热炉的温度保持在1200℃左右。本系统实现了精确控制、低成本、低功耗的功能。

关键词：温度传感器温度变送器STM32F103单片机精确控制

一方案与论证

1.1系统总体框图与设置

图一系统总框图

通过铂铑热电偶温度传感器测出加热炉的温度并通过补偿导线送到PPM113温度变送器，温度变送器通过A/D转换将采集到的温度送入STM32F103单片机系统，STM32F103通过与设定温度1200℃进行比较，产生PWM波进而控制可控硅电路来实现闭环控制加热炉内的温度保持在1200℃左右。

1.2温度传感器方案

方案一：一般而言，比较常用的热电阻为铂热电阻，型号为Pt100，其他如Cu50等使用量小一些。常见的为三线接法，有正负端分别，一根线为正端，另一端补偿端两根线随便接。常见测温范围在-50到+300之间。

方案二：铂铑10－铂热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好（±0.25%t），测温温区宽（0－1600℃），使用寿命长，测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中。

基于我们测温1200℃，所以选择铂铑10－铂热电偶传感器。

1.3温度变送器方案

方案一：PPM115温度信变送器是将热电偶或热电阻温度传感器信号，经全隔离放大转换成标准输出4-20mA、0-5V等直流信号，实现对被测信号的精确测量。只能使用24V直流电源供电，工作环境温度为—10℃到70℃。

方案二：PPM113只能温度隔离变送器是基于高性能单片机，高级别的万能输入信号，允许热电阻,热电偶,电阻,电流，电压信号输入,可输出二线制电流电压多种信号,支持HART 协议通过PC编程在线调整, 国际通用尺寸，导轨安装结构紧凑。既可以使用24V直流电源，又可以使用220V交流电源供电，并可以通过LCD，工作环境温度为—40℃到80℃，工作环境温度范围宽，负载影响为<=0.02%/100Ω。

综上所述，选用PPM113作为温度变送器。

1.4加热炉控制器方案

方案一：MCS-51为8位单片机，价格低，技术成熟，但I/O少，RAM、ROM容量小，需要外接A/D,运算速度低，功耗高。

方案二：采用STM32F103单片机，内部有非常丰富的资源，运算速度快，具有强大的PWM 输出功能，低电压供电，超低损耗，可以实现更高的性价比要求，可以满足PWM的控制要求。综上所述，选用方案二STM32F103作为主控芯片。

1.5显示方案

方案一：选用1602，但1602界面简单，只能显示字母和阿拉伯数字。

方案二：选用12864，12864除了现实字母与阿拉伯数字外，还可以显示汉字，人机界面比较好。

综上所述选用方案二用12864作为显示。

1.5补偿导线方案

方案一：选用铂铑30—铂铑6所对应的补偿导线，正极为BC，补偿导线合金丝负极为铜，绝缘层为铜的补偿导线

方案二：选用铂铑10－铂所对应的补偿导线，正极为SC，补偿导线合金丝负极为SPC（铜），绝缘层为SNC（铜镍0.6）。

基于不同的热电偶配用不同的补偿导线，我们选择方案二。

二理论分析与计算

2.1铂铑热电偶温度传感器模块

两种导体（或半导体）A和B的两端分别焊接在一起，形成一个闭合的回路，若两个节点处于不同的温度，回路中就会产生电动势，因而在回路中形成电流，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶回路的总热电动势：

E AB(T,T0)=(K/e)(T-T0)㏑(N A/N B)+∫(δA -δB)dT

K—玻尔兹曼常数

T—接触处的热力学温度

q—电子电荷量

N A,N B—分别为金属A,B的自由电子密度

δA ,δB分别为导体A,B的温差系数

热电偶产生的热电势与两个电极的材料及两个节点的温度有关。

2.2温度变送器模块

因为感温元件品种繁多，其信号输出类型也多。为了便于自动化检测，所以对各种温度传感器的信号输出做了统一的规定，也就是为统一的4～20mA信号。为了使各种温度传感器的输出能统一为4~20MA的信号，所以用了温度变送器。利用温度变送器来使输入的各种电阻和电势信号，变成了统一的4~20MA的电流信号，这就是温度变送器的由来。

温度变送器完成测量信号的采集后转化成统一的4~20MA电流信号输出。同时还起隔离作用。

2.3补偿导线模块

工业测温时，被测点与指示仪表之间往往有很长的距离，同时为了避免冷端温度受被测点温度变化的影响，也需使热电偶的冷端远离工作端。补偿导线需注意的地方包括不同的热电偶配用不同的补偿导线；补偿导线与热电偶的两个节点的温度必须相同，且不得超过规定的范围（一般为0—100℃）；补偿导线的正负极以其绝缘层的颜色来区分。