热电偶线性化LED显示

内蒙古科技大学

智能仪表综合训练设计说明书

题目：热电偶线性化LED显示

学生姓名：x

学号：08x

专业：测控技术与仪器

班级：2008-1

指导教师：x

中文摘要

进入21世纪，自动化、智能化水平越来越高，人们的工作和生活水平明显提高。为了给现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施，智能仪器的研究就尤为显得重要。现代智能仪器的研究还主要处于对单片机软件开发的研究阶段。

本设计以STC89C52RC单片机为核心，由热电偶测量热端温度T，经过放大电路和ADC0832进行模数转换，再由单片机进行线性化处理，最后由4位LED显示器显示测量温度。该设计的软件由C51语言编写，采用模块化结构设计。

关键词：热电偶；A/D转换器；单片机；线性化；LED显示。

前言和概述

前言

热电偶是一种应用广泛的测温元件，工业生产中的许多仪器设备都要用热电偶测温、控温，在热加工中热电偶的应用更是必不可少，另外在汽车、家用电器中也经常使用热电偶。热电偶一般用来检测-200℃~1600℃的温度，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。

热电偶测温原理

A

B T T0

热端冷端

图1.1热电偶示意图

热电偶是一种将温度变化转换为热电势变化的温度检测元件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。将两种不同材料的导体或半导体A 和B 焊接起来，构成一个闭合回路。只要两个接点处的温度不同（设T>T0）时，则在该回路中就会产生电流，这种现象称为热电效应。与此相应的电动势称为热电动势。导体A,B 构成的闭合回路称为为热电偶，导体A,B 称为热电极。热电偶的两个接点中，温度为T 的一端称为热端，温度为T0的一端则称为冷端。

由于在同一金属导体中，温差电势极小，可忽略。因此在一个热电偶回路中起绝对作用的是接触电势。所以回路总的热电势可以近似宝石为：

E AB (T,T 0)=e AB (T)-e AB (T0) (1.1) 热电偶冷端温度补偿

热电偶测温时，冷端温度必须为0℃，否则将产生测量误差。当冷端温度波动较大时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个稳定的地方，然后再考虑将冷端处理为0℃，这称为热电偶的冷端温度补偿。

热电偶的补偿导线通常由补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层组成。冷端温度补偿方法有很多，如：冰点法、恒温迁移法、计算修正法、电桥补偿法、二极管补偿法、集成温度传感器补偿法、软件补偿法等。

由于电桥补偿法有结构简单、使用方便、硬件投资少等诸多优点,工业现场最长用的就是电桥补偿法。它是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度t0的变化对输出电势的影响，其原理图如图1.2所示

A

B

MV

U

+

-

R1R2

R3

Rcu

Uab

+a b

t0

E AB(t，t0)

t0

图1.2电桥补偿法原理图

在补偿导线末端放置一个同电阻Rcu，通过选择合适的补偿电桥参数（电桥设计在0℃时平衡），使电桥产生的输出电压U ab的大小正好补偿因冷端温度t0而引起的热电势E AB（t0，0），即

U=E AB（t，t0）+E AB（t0，0）=E AB（t，0）(1.2) 从而消除了冷端温度对测量结果的影响，实现了冷端补偿。

线性化简介

N x≥N i

-1

N x≥N2 N x≥N1Y Y Y

开始

取数字量Nx

T x=K1Nx T x=T i-1+K i(Nx-N i-1) T x=T2+K3(Nx-N2)

T x=T1+K2(Nx-N1)

N

N

N

结束

图1.3线性化线流程图

本设计采用分段直线拟合方法，既节省大量存储器，又有很高的测量精度，流程图如图1.3。

光进行线性化还不够，还要进行标度变换。在该热电偶测温仪表中，需要将测量的温度通过热电偶转换成0～+5V 的电压信号，再将对应的电压信号经A/D 转换，转换成对应的00～FFH 的数字量D X 。之后还需要将D X 值滤波，滤波后的码值为N X ，最后在程序进行过程中，将转换成实际测量温度的显示码值。在这个信号转换过程，就是标度变换。

线性化标度变换的前提是被测量参数值与A/D 转换结果为线性关系。线性表度变换公式（2）：

()0000X X M M N N A A A A N N -=-+- (1.3)

该式是线性化标度变换的通用公式。（1.3）式中：

A 0：一次测量仪表的下限；

A M ：一次测量仪表的上限；

A X ：实际测量值（工程量）；

N 0：仪表下限所对应的数字量；

N M ：仪表上限所对应的数字量；

N X ：测量时所对应的数字量。

其中，A M 、A 0、N M 、N 0对于某一固定的被测参数来说都是常数，不同的参数有着不同的值。为了使程序设计简单，一般把一次测量仪表的下限A 0所对应的A/D 转换值置为0，也即N 0=0，这样可以简写成：

()00X X M M N A A A A N =-+ (1.4)

在很多测量系统中，仪表下限值A 0一般都等于零，即A 0=0，此时，对应的N 0，下式可进一步化简：

X X M

M N A A N = (1.5)

或是

00X X M M A A N N A A -=- (1.6)

第二章总体方案设计

热电偶温度计因其具有结构简单、性能稳定、测温范围宽、测量精度高、动态性能好、使用方便及便于维护等优点，被广泛应用于各种大型工业领域。但由于热电偶的热电势与温度呈非线性关系，增加了显示与处理的复杂性；且随着工业发展、自动化的不断加强，对温度精度要求也越来越高。为了提高热电偶测量温度的精度，必须从硬件和软件两方面同时入手。硬件设计必须使用高精度A/D 器件，软件设计必须设计出合理的满足工业要求的线性化算法，从这两方面解决热电偶测试高温的精度问题。

如图2.1所示是热电偶线性化及LED显示的测温原理图。该系统硬件结构由热电偶、冷端温度补偿、放大器、A/D转换器、单片机和4位LED显示器组成。热电偶测温是产生的热电动势经冷端温度补偿后，输出mV信号，经过放大器放大后，在ADC0832做A/D转换并做线性化处理，得到数字信号在单片机内经过运算转换为温度信号，并送到LED显示所测得的温度。

热电偶冷端

温度

补偿

放

大

器

A/D

转换

器

单

片

机

LED

显示图 2.1 热电偶测温原理图

单片机采用STC89C52RC进行核心编程；用8位A/D转换器ADC0832实现0-5V 模拟电压到8位数字量的转换；J1_164LED显示器实现温度t以及A/D转换值的实时显示。