热电偶课程设计

东北石油大学

课程设计

2011年月日

任务书

课程传感器课程设计

题目热电偶应用电路设计

专业姓名学号

主要内容：

以热电偶传感器为基础的测温系统，经过单芯片来完成信号的放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，大大简化了该系统的设计，它的输出温度范围为0—1024℃，单片机得到温度后，通过四位独立数码管显示出来。

基本要求：

在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误大小依赖MAX6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高MAX6675温度测量精度。

主要参考资料：

[1]刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录[M].北京：高等教育出版社，1957.15-18.

[2] 刘润华,刘立山.模拟电子技术[J].山东:石油大学出版社,2003.

[3] 河道清，张禾，谌海云，传感器与传感器技术.科学出版社.2008年 6月

[4]张毅刚，彭喜元.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2003, 10-21.

[5]康华光，电子技术基础（模拟部分），高教出版社，2003

[6]康华光，电子技术基础（模拟部分），高教出版社，2003

完成期限

指导教师

专业负责人

2011年月日

摘要

温度测量是测量领域最重要的功能之一，频繁应用于气象观测、环境研究实验室以及其他各种生产过程。在特定条件下的产品制造与工业质量保持稳定方面温度测量是基础且十分重要。因此，本文将描述工业领域温度测量中广泛使用的温度传感器热电偶及其冷端补偿等相关知识。

本设计是以热电偶传感器为基础的测温系统，经过单芯片来完成信号的放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，大大简化了该系统的设计，它的输出温度范围为0—1024℃，单片机得到温度后，通过四位独立数码管显示出来。

关键词：单片机；热电偶；MAX6675；温度

目录

热电偶测温系统的设计 (1)

一、设计要求 (1)

1、功能与用途 (1)

2、课题意义及产品发展现状 (1)

３、国内外发展现状 (1)

二、方案设计 (2)

1、方案说明 (2)

2、方案论证 (3)

三、传感器工作原理 (4)

四、电路的工作原理 (4)

五、单元电路设计、参数计算和器件选择 (5)

1、单元电路设计 (5)

2、参数计算 (7)

3、器件选择 (8)

4、热电偶传感器选型 (9)

5、元器件清单 (9)

六、总结 (10)

参考文献 (11)

热电偶测温系统的设计

一、设计要求

1、功能与用途

热电偶采用K型镍铬-镍硅热电偶，测量范围在0—800℃之间。使用＋5V电源。采用4位共阴极LED数码管显示。并利用键盘设定温度上下限，这样当所测温度超越了可测温度范围，报警器鸣镝，报警灯亮，以便通知工程人员做相应处理。在工业测量中，被测对象常存在电场、磁场、噪声等恶劣环境中，这样采样值可能偏离真实值。所以，在软件设计中，还需要一组滤波程序，以提高信噪比，减少乃至消除各种干扰及噪音，提高测量精度。

2、课题意义及产品发展现状

粮食是人类赖以生存的基本物质，是关系国民生计的重要物资，也是军需民食的特殊商品。中国有句老话：“常将有日思无日，莫待无时想有时”，居安思危，未雨绸缪，永远不会过时。随着粮食流通体制改革的不断深化、粮食市场全面放开已成定局,随着人民生活水平的提高，全社会对粮食质量问题提出了新的要求；加入世界贸易组织后粮食贸易的全球化，客观上也要求粮食质量工作与国际接轨。面对新形势，如何加强储粮工作，发挥粮食部门在粮食储存方面的优势，是摆在粮食储备工作面前的一个重要课题。目前我国地方各大型粮库都存在着不同程度的粮食储存变质的问题。大部分粮库还采取人工测量温度的方法，不仅增大了粮库工作人员的工作量，而且工作效率底，尤其是大型粮库的温度测量不能及时而彻底的完成，导致大面积坏粮的情况时有发生。据统计，我国每年因粮食储存不当而发霉变质的粮食就达上亿斤，造成无法估量的的经济损失。

粮食的温度是影响粮食储藏的重要参数，两者之间是相互关联的，粮食在正常储藏条件下（即安全条件下），含水量一般在12％以下，不会使粮食温度发生突变，一旦粮食受潮含水量增加，超过20％以上时，就满足了粮粒发芽的条件，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮温升高，必然引起粮食发热和霉变，且极易产生连锁反应，从而造成难以挽回的损失因此，粮食温度监控技术在农业上的应用是十分重要的。

３、国内外发展现状

随着计算机科学和自动化水平的不断提高，在各种应用领域都大量采用自动控制系统。自动控制系统在现代化的进程中有着极其重要和广泛的应用。自动控

制技术的采用使各种被控对象成生明显令人惊羡的结果：减轻人的劳动强度，提高生产效率，改进了产品质量，改善了工作环境，减少了能量的损耗，增加了资源材料的利用率。特别是20世80年代以来，控制理论的进一步发展和计算机在控制系统中的应用，使自动控制取得了辉煌成果。单片机的应用，使嵌入式自动控制系统成为一种崭新的形式，大大扩大了自动控制的应用领域，使自动控制成为无处不在的一种技术。

早期粮情监测主要采用温度计测量法，它是将温度计放入特制的插杆中，根据经验插在粮堆的多个测温点，管理人员定期拔出读数，确定粮温的高、低，决定是否倒粮。这种方法对储粮有一定的作用，但由于温度计精度、人工读数的人为因素等原因，温度检测不仅速度慢，而且精度低，抽样不彻底，局部粮温过高不易被及时发现，导致因局部粮食发霉变质引起大面积坏粮的情况时有发生。

二、方案设计

1、方案说明

作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一——热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中-40～1800℃范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。

本课题采用的是以8051系列的AT89C2051单片机为核心开发热电偶测温的系统。系统硬件原理框图如图1：

图1系统框图

系统框图如图1所示，热电偶传感器采集到温度信号传送给信号处理模块，信号处理由Max6675单芯片构成，它是Maxim 公司新近推出的一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D 转换器及SPI 串口的热电偶放大器与数字转换器。它与单片机通信读出温度值，经过线性化处理后发给显示电路显示，显示电路是由四位独立数码管组成。

2、方案论证

PN 结在一100％～+100％范围内，其端电压与温度有比较理想的线性关系，温度系数约为2mV ／℃；采用二极管作玲端补偿时，精度可达0．3℃～0．8℃；采用三极管时，则将基极和集电极连接起来使用，补偿精度可达0．05℃～0．20℃．PN 结构成的热电偶冷端温度补偿电路．以“K 型”热电偶为例的补偿过程：由于环境温度从0℃上升到300C 导致热电偶电势F 降1．203 mV ．故要给热电偶正端叠加上1.203 mY (或负端去1.203mV )．半导体理论和实验证明,在- 50 ℃～ + 150 ℃ 的范围内,当发射结正偏时,不管集电结反偏还是零偏,在一定的集电极电流形式下,NPN 硅晶体管的基极-发射极正向电压UBE 随温度T 的增加而减小。并有良好的线性关系,其电压温度系数约-2.1mv/ ℃,如图2 所示。

图2论证图

因此,晶体管3DG6 不但可以作为通常的电子器件使用,而且也是一种价格低廉,取材方便,性能良好的温度传感器。于是,当前热电偶冷端温度值T0 ,便可按式3 由线性插值计算得出。

()b f b

f

T T N N N

N

T -?--≡

（1） 式中:N 为测量输出, T 0 是晶体管测出的当前热电偶冷端温度值,N f 对应本地水在沸点T f 时的输出电压,N b 则对应本地水在冰点T b 时的输出电压。

三、传感器工作原理

热电偶工作原理就是将两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路，当接合点的温度不同时，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。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)，另一端叫做冷端(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。

四、电路的工作原理

将两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表：分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。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的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

图2电路原理图

五、单元电路设计、参数计算和器件选择

1、单元电路设计

1.1温度补偿电路的设计

若用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在0℃的环境中。若冷端温度不是0℃，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。

本设计的冷端补偿采用电桥补偿，如图3所示。

图3电桥补偿电路图

三极管基极与集电极相连，相当于一个负温度系数的PN结。三极管可选用9013，由于Multisim器件库中没有，选用三极管2N2222代替。

电桥中R3的值应和R4的值相等，调节滑动变阻器使上面的左右两桥臂的总电阻值也相等，才能使电桥平衡。调整电桥上下两臂的电阻的比值，可调节输出电压的大小，即补偿电压的大小，合理选择这个比值，可使补偿电路的电压正好等于热电偶自由端温度上升而降低的电压值，从而起到电压补偿的作用。

注意：电桥调零时，应使三极管2N2222的参数测量温度为0摄氏度，即此时自由端温度为0摄氏度，不用进行温度补偿。

补偿电路的输出端接HB/SC连接器，将该电路全部选中，鼠标右键点击该电

路然后选择用子电路替换，将该子电路的名称设为K，子电路模块的两输出端分别为补偿电路的正负输出端。

1.2放大电路设计

放大电路部分与金属应变片放大电路相似，由仪用放大和比例放大环节组成，如图4所示，其中RW1可调节仪用放大器的放大倍数，RW2用于电路调零。电路设计好后，要进行电桥、比例放大的调零和增益的调整。

应变片放大电路相似，由仪用放大和比例放大环节组成，其中RW1可调节仪用放大器的放大倍数，RW2用于电路调零。电路设计好后，要进行电桥、比例放大的调零和增益的调整。

图4放大电路图

1.3直流稳压源设计

电路中的供电电源都采用15V直流电源直接供电，实际应用中需要设计直流稳压电路来实现交-直流的转换，以及稳定供电电压。直流稳压电源电路如图5所示。

补偿电桥电路应首先调零，调零的方法是首先双击三极管，打开属性设置对

话框，单击“Edit Model ”按钮，可打开元件模型编辑窗口，将参数测量温度设为0℃，然后调节滑动变阻器RW ，使电桥两输出端12盒IO2之间的电压近似为0。当自由端温度（即环境温度）为25℃时，将模拟环境温度的V1的值设为25V ，将三极管的参数测量温度设为25℃，然后对电路进行参数扫描分析。

图5直流稳压源电路图

2、参数计算

对大量数据进行分析，可得热电偶的数学模型如下：

()()41OUT R AMR V V t t =μ/?-℃ （2） 式中：t R 表示测量温度；

t AMR 表示测温参考点。 电压调整率：

输入220V 交流电，变化范围为＋15%～－20%，所以电压波动范围为176V ～253V 。在额定输入电压下，当输出满载时，调整输出电阻，使电流约为最大输出电流，即0.1A ，得满载时电阻为138Ω。当输入电压为176V 、负载为138Ω时，输出电压U1为14.832V ；当输入电压为220V 、负载为138Ω时，输出电压U0为14.839V ；当输入电压为253V ，负载为138Ω时，输出电压U2为14.842V 。取U 为U1和U2中相对U0变化较大的值，则U=14.832，所以电压调整率：

U1

LM 7915CT

14.839

14.832

10014.839

V U U S U --=

?%=

?100%≈0.05%

（3）

电流调整率：

设输入信号为额定220V 交流电，当输出满载（138Ω）时，输出电压U0为14.839V ；当输出空载时，输出电压U 为15.26V ；当输出为50%满载时，输出电压U0为14.98所以电压调整率： 0

15.26

14.98

10010014.98

I U U S U --=?%=

?%≈1.9%

（4）

纹波电压：

在额定220V 输入电压下，输出满载，即负载电阻为138Ω时，在示波器中观察输出波形。因只选择了观察交流成分，所以所观察到的信号即纹波电压信号，其峰峰值为2.143nV 。

3、器件选择

电阻R4，R2，R3和Rt 构成惠斯通电桥，其中Rt 是作为温度补偿，补偿室温，使得在室温下有一定的输出，消除室温对测量结果的影响。2K 的电位器是用来补偿热电偶的零漂，和对电桥进行调零。

2个10K 的电阻是用来做为运放的输入电阻。该系统用了两级运放，第一级的运放可以放大50倍，第二级运放可以放大20倍，两级放大都是反向放大。整个系统的最大放大倍数为1000倍，通过调节500K 和200K 的电位器可以调节整个系统的放大倍数。

1M 的电阻起输入电流的作用。

ICL7107为三位半A/D 转换器芯片，可以直接把热电偶测得的模拟信号转换成数字信号，然后直接驱动数码管把温度显示出来。

0.22uf 、0.047uf 电容和470K 的电阻为7107内部放大器的阻容缓冲电路，保护芯片的。

5K 的电位器为7107芯片提供适当的基准电压。 C+和C -端节的0.1uf 电容为基准稳压电源内部滤波。

osc3,osc2,osc1之间接的101pf 电容和100K 电阻构成RC 振荡电路，为7107提供时钟源。

7107芯片的37脚是测试端，通过10K 的电阻接到5V 的 电源上，就可以是数码管显示1888，从而测试数码管的好坏。

LED1~LED4为共阳极的数码管，作为显示温度值用的。

100Ω为限流电阻，限制数码管的电流。LED2的dp 引脚通过360Ω的限流电

阻直接接地，直接显示小数点。

4、热电偶传感器选型

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

热电偶的种类有很多，在这选用的是K型热电偶，K型热电偶（镍铬-镍硅热电偶）是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-200~1300℃。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。

5、元器件清单

六、总结

本文设计应用中，主要进行了以下几方面的工作:

(1) 本文在前半部分详细系统比较了测温方法的优缺点及为何K型热电偶测温，这使我们更加了解本设计的设计目的及要求。

(2) 在了解测温技术实现原理和热电偶传感器工作原理的基础上研究和分析了系统设计方案，并对测温系统中遇到的不同的场景进行了分析；

(3) 完成测温系统的硬件选型和电路设计；

(4) 完成测温系统的软件流程图设计；

本文通过对热电偶测温系统的设计过程及分析得出如下结论:

热电偶测温系统对有限一定范围温度的测量具有较高的精度，最小分辨率为0.25摄氏度，其主要技术指标达到了系统设计的要求；

本文关于热电偶测温系统的设计，虽然可以满足一般工业的需求，也做了一些尝试性的探索工作，但是还存在很多不完善的地方，仍有许多方面有待进一步深入研究:

(1) 需对热电偶传感器和系统电路设计可靠性进行进一步的研究；

(2) 本文在系统的精度方面研究非常局限，并没有做到非常精确，这就要求以后在这方面还有更近一步研究。

(3) 就本课题而言，本文只测温进行了辅助决策，并末实现真正工业意义上的测温控制，今后还应在控制的实现上进一步深入的探讨，这类研究将对工业测温及家庭测温等测温场合有着深远的影响，是一个值得深入的方向。

参考文献

[1]刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录[M].北京：高等教育出版社，1957.15-18.

[2] 刘润华,刘立山.模拟电子技术[J].山东:石油大学出版社,2003.

[3] 河道清，张禾，谌海云，传感器与传感器技术.科学出版社.2008年6月

[4]张毅刚，彭喜元.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2003, 10-21.

[5]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,1993,29-33.

[6]康华光，电子技术基础（模拟部分），高教出版社，2003