(完整版)热电偶测温系统设计

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。