(完整版)热电偶测温系统设计
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任务书
课程传感器课程设计
题目热电偶测温系统设计
主要内容:
本系统以单片机为核心,硬件设计使用高精度模/数转换器和高精度数/模转换器,分别实现对热电偶电动势的采样、放大、AD 转换和对线性化处理的数据转换,并在程序中采用修正后的数据,实现热电偶的线性化处理。
基本要求:
1、按照技术要求,提出自己的设计方案(多种)并进行比较;
2、利用热电偶和单片机等设计一种热电偶测温系统电路。
3、说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作原理、注明元器件选取参数、进行方案比较。
主要参考资料:
[1]崔志尚.温度计量与测试[M].北京:中国计量出版社,1998.
[2]赵茂泰.智能仪器原理及应用[M].北京: 电子工业出版社,2007.
[3]陈杰,黄鸿.传感器与检测技术[M].北京: 高等教育出版社,2006.
[4]刘华东.单片机原理与应用[M].北京: 电子工业出版社,2006.
完成期限
指导教师
专业负责人
2016年5 月7 日
摘要
在现代化的工业现场, 常用热电偶测试高温,测试结果送至主控机。
热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器之一,它具有构造简单、使用方便、准确度、热惯性小、稳定性及复现性好、温度测量范围宽等优点,适用于信号的远传、自动纪录和集中控制,在温度测量中占有重要地位。
但由于热电偶的热电势与温度呈非线性关系, 所以必须对热电偶进行线性化处理以保持测试精度。
该测温系统通过高精度模/数转换器AD7705对热电偶电动势进行采样、放大, 并在单片机内采用一定算法实现对热电偶的线性化处理, 再通过数/模转换器AD421进行数/模转换产生4 mA~ 20mA的电流, 送入主控中心。
关键词:热电偶;线性化;AD转换;DA转换;单片机
目录
一、设计要求 (1)
二、设计方案及其特点 (1)
1、方案说明 (1)
2、方案论证 (2)
三、传感器工作原理 (2)
四、电路的工作原理 (3)
五、单元电路设计、参数计算和器件选择 (3)
1、单元电路设计 (4)
2、参数计算 (5)
3、器件选择 (6)
六、总结 ................................................................................... 错误!未定义书签。
参考文献 ................................................................................... 错误!未定义书签。
热电偶测温系统设计
一、设计要求
以单片机为核心,进行对系统控制和线性化算法的运算,使A/D 转换精度更好;在算法处理上,使用最佳计算方法,使得线性化算法达到运算量小、处理速度快、占用内存小等要求,并使该系统能很好的解决热电偶测试高温的精度问题。
二、设计方案及其特点
本设计是基于STC89C52单片机的硬件设计。
对于系统可分为下面两种不同的设计方案:
1、方案说明
方案一:系统由K型热电偶和集成温度传感器AD590测量热端和冷端温度,采用USB采集卡实现信号采集并传输给计算机。
根据热电偶中间温度定律[1],编制软件采用查表和曲线拟合进行非线性校正及冷端补偿。
利用LabVIEW的数据存储、读取、分析函数,实现温度趋势曲线和统计直方图的绘制[2]。
本系统将滤波、非线性和冷端补偿等功能由软件实现,简化了电路设计,提高了系统的稳定性和测量精度,但成本较高。
热电偶
图1 方案一原理框图
方案二:控制电路以单片机为中心,控制其他部分完成各自的功能。
其中模/数转换部分采用16位高精度AD转化器AD7705,采用自校准,提高其抗干扰能力和
精度;数/模转换部分采用高精度DA转换器AD421,在电路设计上,采用光隔离,控制AD421 完成其功能,AD421为16位高精度数/模转换器,它将来自单片机线性化处理后的数据进行DA转化,产生4mA-20mA电流,送控制中心[3]。
这种方案保证成本,采用了良好的线性化算法,编程又采用可节约内存的汇编语言,使得测量速度快,测量结果能满足工业标准的要求。
图2 方案二原理框图
2、方案论证
从精确度来看,方案一强于方案二,但方案二电路实现简单,占用内存较小,抗干扰能力强,成本较低。
所以一般地说,需要稳定性好可选用方案一测量电路,若考虑便于与单片机接口连接,那么方案二测量电路就由其方便之处。
因此本设计中选用方案二。
三、传感器工作原理
热电偶传感器的工作原理:两种不同成份的导体两端接合成回路,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[4]。
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测量端,另一端叫做补偿端;冷端与显示仪表或配套仪表连
热电偶测温的基本原理是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热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。
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。
四、电路的工作原理
电路的工作原理图如图4所示。
图4 总原理图
测温系统通过高精度模/数转换器AD7705对热电偶电动势进行采样、放大, 并在单片机内采用一定算法实现对热电偶的线性化处理, 再通过数/模转换器AD421进行数/模转换产生4 mA~ 20mA的电流, 送入主控中心并显示。
五、单元电路设计、参数计算和器件选择
1、单元电路设计
模/数转换部分电路如图5所示。
图5 A/D转化电路原理图
采用16位、双通道、高精度模/数转换功能的AD7705。
AD7705能直接对来自传感器的微弱信号进行A/D转换[5]。
使用时通过单片机控制其单双极性、增益倍数、选择通道的输入和工作模式的选择等;用AD584基准芯片为AD7705采集模块提供基准电压,使AD7705可以正常且稳定的工作[6]。
数/模转换部分电路如图6所示。
图6 D/A转化电路原理图
采用16位高精度数/模转换器AD421[7]。
AD421由电流环路供电,16位数字信号以串行方式输入,4-20mA 电流输出,可实现低成本的远程智能工业控制。
AD421内部含有电压调整器可提供+5V ,+3.3V 或+3V 输出电压,还含有+1.25V ,+2.5V 基准电源,均可为其自身或其它电路选用[8]。
AD421 采用Σ-ΔDAC 结构,保证16位的分辩率和单调性,其积分线性误差为±0.001%,失调误差为±0.1%,增益误差为±0.2%,其标准的三线串行接口可在10Mbps 下运行,便于与通用微处理器或微控制器相连。
2、参数计算
软件是算法和功能实现的关键。
该部分主要完成的任务是: A/D 转换器的配置、启动和数据读取。
对信号的线性化处理。
D/A 转换器配置和数据读取。
其中线性化算法主要参考“最佳非等距线性插值算法在热敏电阻测温中的应用”,提出一种“最佳非等距离分段算法”,根据标度转换,在不同分段上推导出y = kx+ b 的线性化算法。
整体设计和调试,以K 分度热电偶为例。
通过调节滑动变阻器,模拟补偿后的K 分度热电偶的热电势,送入AD7705完成模/数转换,转换后的数据送入单片机进行线性化处理,使处理后单片机输出的数据与温度呈现线性关系;最后再将线性化后的数据,送至AD421经数/模转换,输出电流值[9]。
本系统采用误差修正公式来消除系统误差,从输出端引反馈量到输入端来改善系统的稳定。
在无误差的理想情况下, 有ε = 0,i = 0,K 是常数, 于是存在关系
Kx y = (1)
在有误差的情况下, 则有
()y x K y '++=ε (2)
2
'
1'R y i R y y =
+- (3) 由此可以推出
1b y b x += (4)
可改写成下简明形式
()01
1
b x b y -=
(5) 式中:x ——热电偶产生的电压;
y——带误差的输出到D/A转换器的电压;
Ε——影响量(例如零点漂移或干扰);
i——偏差量(例如直流放大器的偏置电流);
K——影响特性(例如放大器增益)。
把热电偶分度表各温度时电压值x经过运算求出各温度时对应的y值,y值一般包含小数,由于A/D转换器的离散性和分辨率的限制,所以只保留整数部分,保存到单片机ROM中,在每次测量完温度数据后直接由y值查表,运算求相应温度。
3、器件选择
表1 元器件清单。