电气工程创新设计与实践讲解

创新设计与实践

课程设计

题目: 设计K型热电偶测温电路

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摘要：K型热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用，可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

基于热电偶的温度测试仪，该仪器是以AT89C51单片机为核心，由AD590集成温

，由热电偶测量热端温度T，该热电偶采用K型热电偶（镍

度传感器测量冷端温度T

铬-镍硅热电偶）。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，再通过二次查

表法计算出实际温度值，此值送4位共阴极LED数码管显示。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。

关键词：热电偶，冷端温度补偿，89C51单片机，ADC0809，

1单元模块设计

为使该模块化热电偶测温系统具有更加方便和灵活性，我们对系统的硬件做了精心设计。硬件电路包括冷端采集和补偿电路模块、热端放大电路模块、单片机模块，A/D转换模块，LED显示模块等。

1.1冷端采集和补偿电路模块

冷端采集和补偿电路运用AD590温度传感器采集冷端温度，并连接补偿电路进行温度补偿，如图1.1

图1.1冷端采集和补偿电路

1.1.1 AD590介绍

AD590是美国模拟器件公司生产的恒流源式模拟集成温度传感器，它兼有集成恒流源和温度传感器的特点，具有测量温度误差小，动态阻抗高，响应速度快，传输距离远，体积小，微功耗等优点，适合远距离测温，控温，不需要线性校准的特点。

其性能特点：AD590属于采用激光修正的精密集成温度传感器。其内部电路见图3.1所示。芯片中的R1和R2是采用激光修正的校准电阻，它能使+25℃下的输出电流恰好微298.2uA。首先有晶体管VT8和VT11产生与热力学温度成正比的电压信号。，在通过R5,R6把电压信号转换微电流信号，为保证有良好的温度特性，R5,R6的电阻温度系数应非常小，这里采用激光修正的SiCr薄模电阻，其电阻温度系数低，VT10的集电极电流能够跟随VT9和VT11的集电极电流的变化，使总电流达到额定值。R5和R6也需要在25℃的标准温度

下校准。

AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗>10M Ω，能大大减小因电源电压波动而产生的测量误差，例如，当电源电压从5V 变化到10V 时，所引起的电流最大变化量仅为1uA ，等价于1℃的测温误差。

AD590的工作电压为+4～30V ，测温范围是-55～+150℃，对应于热力学温度T 每变化1K ，输出电流就变化1uA.其输出电流Io （uA ）与热力学温度T （K ）严格成正比。电流温度系数K1的表达式为：

K1=

qR

K T I 30=㏑8 （3.2）

图1.1 AD590内部电路

因此，输出电流的微安数就代表着被测量温度的热力学温度值。热力学温标（K ）与摄氏温标（℃）的换算关系如式3所示：

T(℃)=T(K)-273.15 （3.3）

1.1.2冷端采集和补偿电路分析

AD590只需单电源工作，抗干扰能力强，要求的功率很低。输出电流值是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA 输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。接着补偿电路进行工作。

1、AD590的输出电流I=（273+T ）μA （T 为摄氏温度），因此测量的电压V 为（273+T ）μA×10K=（2.73+T/100）V 。为了将电压测量出来又务须使输出电流I 不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V 。

2、由于一般电源供应教多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V 。

3、接下来我们使用差动放大器其输出Vo 为（100K/10K ）×（V2-V1）=T/10， 如果现在为摄氏28℃，输出电压为2.8V ，输出电压接AD 转换器，那么AD 转换 输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。 注意事项：

1、Vo 的值为Io 乘上10K ，以室温25℃而言，输出值为10K×298μA=2.98V

2、测量Vo 时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。

1.2 热端放大电路模块

图1.2 热端放大调理电路

热电偶的热端放大电路如图1.2所示。热电偶的热端接入到INP口，然后进行一系列的调试放大。

本系统应用K型热电偶，导热系数测定过程中通常温度范围小于100℃，为保证测量精度，热电偶线性化软件我们每隔5℃分一段，并且精确到小数点后两位。硬件调理电路截取K型热电偶100℃的热电势4.095mv作为输入满量程，放大到5V，提供给AD转换器，要求调理电路放大倍数达1200多倍，为此我们选取高精度运算放大器MC33078，构成两级运算放大器，每级放大倍数小于40倍，。MC33078除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外，还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点，利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移，所以常被应用于热电偶、电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的电路中。

1.3 A/D转换器ADC0809

ADC0809是一种8路模拟输入逐次比较型A/D转换器，由于价格适中，与单片机的接口、软件操作均比较简单，目前在8位单片机系统中有着广泛的使用。片内由8路模拟多路开关、地址锁存器与译码器、8为A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成。如图3.3是本设计中ADC0809的部分连接图。