基于单片机的温度检测系统设计

1、摘要科学的发展，往往是由于新的观测手段的发现而获得的。从今天进入信息时代来看，仪器仪表是实现信息的获取、转化、处理和揭示物质活动规律的必要工具。在现代化建设中仪器仪表的装备水平在很大程度上反映出一个国家的生产力发展的现代化水平和科学技术的现代化水平。本文介绍的是以AT89C52单片机系统和传统的温度测量元件热电偶相结合的温度检测系统。其中，热点偶是计量技术中最常用的温度传感器，它的应用在生产技术和测量学上曾引起跨时代的变革。热电偶结构简单、容易制造、价格便宜、准确度高、测量范围广。本系统测温原理简单，选用了精密的测量元器件和抗干扰的电子元件。本温度测量仪的特点是：使用简便，测量稳定、可靠，测温

2、范围大，使用对象广。本文介绍了温度测量仪的研制，包括温度传感器测温电路的设计、单片机系统电路的设计及软件算法的实现，其主要内容如下：1、根据实际测量要求制订出一次仪表传感器的选择，并且解决了热电偶测量过程中存在的冷端温度不为0的传统问题。2、设计了合适的信号调理电路，很好地解决了热电偶电势与温度之间非线性的问题。3、设计了单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、温度值的实时显示和控制。4、设计了能够实现温度测量与控制的软件系统。5、从原理上分析了该系统的测量误差。关键词：温度检测；热电偶；冷端补偿；单片机ABSTRACTThe development of science because th

3、at a new observed means was been acquired. Now, we have entered the age of information, instrument has become the necessary tool to acquire, convert and handle information. It has been a tool to open out the regulation of material moving. Instruments and meters' equipment level reflects a countr

4、y to a great extent in the modernization the productive forces development and the science and technology modernized level.The temperature measurement system introduced in the thesis was developed by combining an AT89C52 single chip microcomputer system and traditional temperature measuring element

5、thermo-element. And, the thermocouple is the most common appearance in the field of measure temperature. Its application has caused the changes of spanning centuries in the technique of product and measure science. Thermocouple is simple, easy been manufactured, cheap, high precise and wide scope of

6、 measuring. Temperature measurement principles on this system are very simple, the precise survey primary device and the antijamming electronic component has been used in the system. The instrument has the characteristics of simple operation, reliable performance, wide measurement range and various

7、application fields.In the thesis, the development of the temperature measuring set was introduced, with the design of temperature measurement circuit, the design of circuits in the single chip microcomputer system and the software algorithm realizes. The main content of the thesis is as follows:1. T

8、he plan was drawn up for selecting the temperature sensor according to the practical measurement demands. In addition, the problem that the temperatures of the reference end of the thermocouple is not 0 in measurement has been solved.2. Has designed the appropriate signal recuperation circuit, for s

9、olved well between the thermo-element electric potential and the temperature the misalignment question.3. A hardware system of single chip microcomputer was designed. It can realize data acquisition, timely displaying and controlling.4. Software system was able to realize the temperature survey and

10、the control has been designed in the thesis.5. By theory has analyzed this system's measuring error.Key words: temperature measurement; thermocouple; thermocouple cold-compensation;single chip microcomputer目录摘要IABSTRACTII目录IV第1章 绪论11.1 引言11.2 国内外测温主要方法11.2.1 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计11.2.2 利用热电效应技术制成的温度检

11、测元件21.2.3 利用热阻效应技术制成的温度计21.3 国内外仪器仪表发展状况31.4 正在研究的温度检测技术41.5 课题研究背景及本文主要内容5第2章 热电偶测温的基本原理62.1 方案的提出62.2 热电偶测温的基本原理62.3 热电偶闭合回路的总热电动势92.4 数据采集部分的设计102.4.1 热电偶的种类102.4.2 热电偶的选择112.4.3 补偿导线的选择122.4.4 绝缘物与保护管的选择132.5 热电偶的冷端补偿15第3章 温度测量仪硬件设计183.1 电路设计整体思路183.2 单片机介绍183.3 热电偶信号调理电路193.3.1 直流稳压电源193.3.2 热电

12、偶冷端温度补偿电路203.3.3 低通滤波和陷波电路213.3.4 放大模块223.4 A/D接口电路233.5 时钟及复位电路243.6 显示电路253.7 键盘输入电路263.8 温度控制电路263.9 控制部分完整电路图27第4章 系统软件实现284.1 A/D转换子程序284.2 数字滤波子程序294.3 温度标度变换294.4 显示子程序304.5 键盘处理子程序314.6 比较子程序314.7 控制子程序32第5章 误差分析345.1 热电偶带来的测量误差345.1.1 热电偶安装引起的测量误差345.1.2 热电偶固有特性引起的误差345.1.3 检定过程中引起的误差355.2

13、单片机系统带来的误差36第6章 结论与展望376.1 结论376.2 展望37致谢38参考文献39附录40第1章 绪论1.1 引言温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等科学都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域，温度常常是表征对象和过程状态的重要的参数之一。随着工业的不断发展，对温度测量的要求就越来越高，而且测量的范围越来越广，对温度检测技术的要求也越来越高。因此，温度测量和温度控制技术的研究也是一个重要的研究课题1。“工欲善其事，必先利其器”，这是中国的一句古话，人们早就知道工具的重要性。随着以知识经济为特

14、征的信息时代的到来，人们对仪器仪表作用的认识愈加深入。作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高能新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。在工业生产和科学实验中都需要对温度进行测量和控制。尤其实在一些大型工业中，温度更是一个至关重要的参数。如果温度计选择不当，或者测试方法不适宜，均不能得到满意结果。1.2 国内外测温主要方法随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也不断地进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法。1.2.1 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计利用此原理制成的温度计大致分为三大类：(1) 玻璃温度计，它是利用玻璃感温包

15、内的温测物质（水银、酒精、甲苯、煤油等）受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的；(2) 双金属温度计，它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在一起制成的双金属片作为感温元件，当温度变化时，由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度；(3) 压力式温度计，它是有感温物质（氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等）随温度变化，压力发生相应变化，用弹簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度。1.2.2 利用热电效应技术制成的温度检测元件利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件

16、。它是用热电偶测得相应的热电动势，由仪表显示出温度的一种温度计。它是由热电偶、冷端补偿及测量仪表构成的，广泛用来测量-2001300范围内的温度。在特殊情况下，可测至2800的高温或4K的低温。热电偶具有结构简单、制作容易、测量范围宽、精度高、热惯性小、适于远距离测量与自动控制等特点。常见用的热电偶有以下几种：(1) 镍铬镍硅，型号为WRN，分度号为K测温范围0900，短期可测1200。(2) 镍铬康铜，型号为WRK，分度号为F，测温范围0600，短期可测800。(3) 铂铑铂，型号为WRP，分度号为S，在1300以下的温度可长期使用，短期可测1600。(4) 铂铑30铂铑6，型号为WRR，分

17、度号为B，测温范围3001600，短期可测1800。其它还有非常用的热电偶。1.2.3 利用热阻效应技术制成的温度计用此技术制成的温度计大致可分成以下几种：(1) 电阻测温元件，它是利用感温元件（导体）的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有铂热电阻（分度号为Pt100、Pt10两种）和铜热电阻（分度号为Cu50、Cu100两种）。(2) 导体测温元件，它与热电阻的温度特性刚好相反，即有很大副温度系数，也就是说温度升高时，其值降低。他们的关系为： (1.1)式中：在温度(K)时的电阻值()；在温度(K)时的电阻值()；e自然对数的底，等于2.7

18、81；B常数，其值与半导体材料的成分和制作方法有关2。还有利用热辐射原理制成的高温计，利用声学原理进行温度测量，利用红外测温技术，利用陶瓷热敏元件制成的测温计等，在此不多赘述。1.3 国内外仪器仪表发展状况科学的发展，往往是由于新的观测手段的发现而获得的。从今天进入信息时代来看，仪器仪表是实现信息的获得、转化、存取、处理和揭示物质活动规律的必要工具，是当今普遍称之为时代标志的信息科技的三大支柱（信息获得与处理，信息传输与通信，电子技术及计算机）的必要手段，也是新技术革命的一项重要内容。在现代化建设中，人们对仪器仪表因其对产品质量所起到的监测作用，在技术上有着高层次的要求，因而仪器仪表工业是促进

19、国民经济各部门技术进步，进行技术改造，提高劳动生产率和社会经济效益，开发与节约能源和材料的先导工业，仪器仪表的装备水平在很大程度上反映出一个国家的生产力的发展和科学技术的现代化水平。根据仪器仪表所采用的显示方式和功能，可以将仪器仪表分为三代产品，即模拟仪器仪表，数字式仪器仪表和智能化仪器仪表。(1) 模拟式仪器仪表这种仪器仪表至今仍在各种场合被广泛地使用着。这种仪器仪表显示部分地基本结构是利用电磁力相互作用原理，通过指针相对于标尺的位移来显示最终测量读数。(2) 数字式仪器仪表与模拟式仪器仪表相比数字式仪器仪表更高的测量精度与响应速度。这类仪器仪表的基本原理在于将代测的信号转化为数字信号进行测

20、量。今天数字化仪表的增长速度己远远超过模拟式仪器仪表。(3) 智能化仪器仪表这类仪器仪表大致可以分为两类：一类内含微处理器，称为“微机化仪表”，另一类，仪器本身与微型机在硬件结构上是分开的，但仪器由微型机控制进行数据采集与处理，成为智能化仪器。智能仪器仪表以微电子器件代替常规电子线路，以微处理器为核心，具有信息采集，显示，处理，传输及优化控制等功能，甚至具有辅助专家进行推断分析与决策的能力。智能化仪器仪表一出现就显示了它的强大生命力，现已成为上个世纪80年代以来仪器仪表发展的一个主要方向。1.4 正在研究的温度检测技术近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已取得了重大进

21、展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。(1) 晶体管温度检测元件半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大12个数量级，二级管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。(2) 集成电路温度检测元件利用硅晶体管基极发射极间电压与温度关系（即半导体PN的温度特性）进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。目前，国内外也进行了生产。(3) 核磁共振温度检测器所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率

22、电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温度检测器。这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可作理想的标准温度计之用。(4) 光纤温度检测器在常规办法无法测量的场合，光纤测温得到较快发展。光纤温度检测器是目前光纤传感器中发展较快的一种，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。(5) 纯贵金属热电偶的研究由两种纯金属组成的热电偶，因其材料均匀性远优于合金材料，因而稳定性好的多。在铂锗合金热电偶（S、R型）的不确定度已很难提高之后，人们开始寻找

23、由纯贵金属组成的热电偶，以代替S和R型热电偶，作为传递的标准。(6) 信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表现代的工业过程自动化系统是现场总线控制系统，它是信息技术进入工业自动化后出现的新一代的自动控制系统。现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自控装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。所有的现场仪表（温度检仪表是其中一种）均接到现场总线上。在这样的系统中，通常不应使用各有不同输出的温度计，必须将输出转变成统一的电信号，这样“温度计”就变成了“温度变送器”。在现场总线控制系统中的温度变送器主要是热电偶变送器和热电阻变送器，也有辐射温度变送器2。还有一些例如热噪声温度检测器，

24、石英晶体温度检测器，激光温度检测器，微波温度检测器等温度检测器都有不同程度的发展。1.5 课题研究背景及本文主要内容温度在工业生产当中是一个至关重要的参数，对温度的测量和控制直接关系到生产效率和产品质量。因此，及时、准确、合理地测量工业环境中的温度成为了人们一直关注的问题。本设计的目的就是研究一种更快速，更准确，操作起来更加方便的温度测控系统。本文主要讲述了用热电偶测温的主要原理、实际硬件电路的设计、软件设计和误差分析。第1章介绍了温度检测现状和仪器仪表的发展现状。第2章讲述了热电偶测温的主要原理，说明了热电偶实际输出电压和温度之间的关系，以及如何求得总的热电动势。第3章讲述了单片机系统硬件电

25、路的设计，包括热电偶的信号调理电路的设计及单片机系统的设计。整套仪器是由单片机系统控制的，包括A/D转换电路、时钟和复位电路、键盘和LED显示电路、温度控制电路等。利用热电偶测得温度对应的电压信号，经过必要的放大与A/D处理后，由单片机处理所得数据，最后把结果显示出来。其中，信号调理放大部分电路的设计是整篇课题设计的难点，投入了很大的精力。第4章介绍了本仪器的软件设计，给出了软件流程图。第5章进行了误差分析，分析了产生误差的各种因素，这将有助于今后对系统的改进，以进一步提高系统的测量精度。第6章讲述了通过本仪器所得的结论并对未来的发展提出了新的展望。第2章 热电偶测温的基本原理2.1 方案的提

26、出温度测量有许多方法，但考虑到实际应用于较广泛的工业领域就需要测温范围宽的测温元件，同时要将温度信号转变成电信号来处理，因此采用热电偶作为检测系统的一次仪表。热电偶结构简单、容易制造、价格便宜、准确度高、测温范围广，目前在大量的热工仪表中，热电偶作为温度传感器，已经得到了广泛的使用。2.2 热电偶测温的基本原理热电偶是热电温度计的敏感元件。它的测温基本原理是基于金属导体的热电效应。热电效应产生的电势可由三个不同的效应加以解释，即：赛贝克(Seebeck)效应、珀尔帖(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应。(1) 赛贝克效应1821年由赛贝克发现的热电现象。两种不同的物体A和B连接

27、在一起，构成一个闭合回路，当两个接点1和2的温度不同时，如图2.1所示。如，在回路中就会产生热电动势，此种现象称为热电效应。该热电动势就是著名的“赛贝克温差电动势”，简称“热电动势”，计为。导体A、B称为热电极。接点1通常是焊接在一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端。接点2要求温度恒定，称为参考端（也被称为冷端）。图2.1 塞贝克效应示意图()热电偶就是通过测量热电动势来实现温度测量的，即热电偶测温是基于热电转化现象热电现象。如果进一步分析，则可发现热电偶是一种换能器，它能将热能转化为电能，用所产生的热电动势测量温度。该电动势实际上是由接触电势（珀尔帖电势）与温差电势（汤姆

28、逊电势）所组成。(2) 接触电势（珀尔帖电势）导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体A与B相互接触时，就会发生自由电子扩散现象，自由电子从电子密度高的导体流向电子密度低的导体。电子扩散的速率与自由电子的密度及所处的温度成正比。例如导体A和B的电子密度分别为、并且，>，则在单位时间内，导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数多，导体A因失去电子而带正电，B因获得电子而带负电，因此，在A和B间形成了电位差如图2.2所示。图2.2 接触电势一旦电位差建立起来之后，将阻止电子继续由A向B扩散。在某一温度下，经过一定的时间，电子扩散能力与上述电场阻力平衡，即在A与B接触处的自

29、由电子扩散达到了动平衡，那么，在其接触处形成的电动势，称为珀尔帖电势或接触电势，用符号表示。由电子理论可用下式表示： (2.1)式中：玻耳兹曼常数，等于1.380658×J/K；元电荷，等于1.60217733×C；、在温度为T时，导体A与B的电子密度；接触处的温度（K）。对于导体A，B组成的闭合回路如图2.3所示，两接点的温度分别为、时，则相对应的珀尔帖电势分别为： (2.2)图2.3 热电偶回路的珀尔帖电势而与的方向相反，所以，回路总的珀尔帖电势为： (2.3)由式(2.3)看出：热电偶回路的珀尔帖电势只与导体的性质和两接点的温度有关。温差越大，接触电势越大，两种导体电

30、子密度比值越大，接触电势也越大。(3) 温差电势（汤姆逊电势）由于导体两段温度不同而产生的电动势称温差电势。由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温（）端电子将向低温端（）扩散，致使高温端因失电子带正电，低温端恰好相反，因获电子带负电。因而，在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，最后使电子扩散建立一个动态平衡，此时所建立的电位差称温差电势或汤姆逊电势。它与温差有关，可用下式表示： (2.4)式中，为汤姆逊系数，它表示温差为1（或1K）时所产生的电动势值，它的大小与材料性质及两端温度有关。图2.4 热电偶回路的温差电势对于导体A、B组成的热电偶回路，当接点温度时，如图

31、2.4所示。回路中温差电动势则为导体A、B的温差电势的代数和，即： (2.5)上式表明，温差电势的大小，只与热电极的材料及两端的温度有关，而与热电极的几何尺寸和沿热电极的温度分布无关。2.3 热电偶闭合回路的总热电动势接触电动势是由于两种不同材质的导体接触时产生的电势，而温差电势则是对同一导体当其两端温度不同时产生的电势。在图2.1所示的闭合回路中，两个接触点有两个接触电势与，又因为>，在导体A和B中还各有一个温差电势如图2.5所示。图2.5 热电偶回路的总热电动势因此，闭合回路总电动势应为接触电势与温差电势的代数和，即： (2.6)所以： (2.7)各接点的分热电势等于相应的接触电势与

32、温差电势的代数和，可用下式表示： (2.8)在总电动势中，接触电势较温差电势大得多，因此，它的极性也就取决于接触电势的极性。当>时，与总热电动势的方向一致，而与总电动势方向相反。所以总热电动势可表示成如下形式： (2.9)由此可见，热电偶回路的总热电动势等于各接点分电动势的代数和。 (2.10)对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，为常数C，则总电动势就变成测量端温度的单值函数，即： (2.11)当恒定不变时，热电偶所产生的热电动势只随测量端温度的变化而变化，即一定的热电动势对应着一定的温度。在热电偶分度表中，参考端温度均为0。所以，测量热电动势的办法能够测温，这就是热电偶测温的基本原

33、理1。2.4 数据采集部分的设计温度作为被测物理量，必须经过测温元件检测。由于采用的不是现成的测温仪表，因此首先应将温度转变成单片机可以处理的信号。在此选择热电偶来完成温度向电压信号的转换。为了制成实用的热电偶，其热电极材料必须具备如下条件：(1) 良好的热电特性。热电动势及热电动式率（灵敏度）要足够大，并且，热电动势与温度的关系最好成线性。热电特性稳定，即使在高温或低温下使用，热电动势仍很稳定；而且，沿热电极长度方向其热电动势的均匀度高，同类热电偶互换性好，易于复现，便于制成统一的分度。(2) 良好的物理性能。如高的电导率，小的比热容与电阻温度系数，无相变，不发生再结晶等。(3) 稳定的化学

34、性能。抗氧化、还原性气氛或其他强腐蚀性介质，使用寿命长。(4) 良好的耐热性。用于高温的测试材料，具有良好的耐热性及高温机械强度。(5) 耐低温性能好。用于低温的测试材料，具有足够大的热的电动势与热电动势率，不易脆断，在磁场中工作时磁滞热电动势小。(6) 耐核辐照性能强。用于核场中的测试材料，中子俘获截面要尽可能小，以减少与中子发生核反应的几率。(7) 具有良好的力学性能与加工性能。自1821年赛贝克发现热电效应以来，已有300多种热电极材料构成不同的热电偶，其中广泛使用的有4050种热电偶。2.4.1 热电偶的种类热电偶的分类方法有很多，一般是按热电偶的材料、用途和结构形式进行分类。(1)

35、根据热电偶材料分类：廉金属热电偶：铜康铜热电偶、铁康铜热电偶、镍铬镍铝热电偶、镍铬镍铜热电偶；贵金属热电偶：铂铑系列热电偶、铱铑系列热电偶、铂铱系列热电偶、铱钌系列热电偶；难溶金属热电偶：钨铼系列热电偶、钨钼系列热电偶、铌钛系列热电偶、铌钨系列热电偶；非金属热电偶：石墨炭化铌热电偶、二硅化钨二硅化钼热电偶、硼化铌炭化错热电偶、铱钌系列热电偶。(2) 根据热电偶的用途分类：专用热电偶：多点式热电偶、表面热电偶、薄膜热电偶、快速微型热电偶、防暴热电偶；普通工业用热电偶：直形热电偶、角形热电偶、锥形热电偶。(3) 根据热电偶的结构形式分类：专用热电偶：普通型热电偶、铠装热电偶、密封式热电偶、高压固定

36、螺纹式热电偶等3。2.4.2 热电偶的选择热电偶根据使用的条件不同分为标准化和非标准化两种，在不同的测温条件下要采用不同的热电偶。常见的热电偶大多数是标准化的热电偶，其应用广泛，性能优良、稳定，加工工艺较成熟，产量很大。国际上对于标准化热电偶材料按分度号一般分为B、R、S、N、K、E、J、T等标准形式。此外，还有非标准化热电偶，它的使用范围和数量都较小，非标准化热电偶主要应用于标准化热电偶无法使用的高温、低温、超低温、真空、特殊介质等场合3。在实际的测温时，被测对象是很复杂的。应在熟悉被测对象，掌握各种热电偶特性的基础上，应根据使用气氛、温度的高低，正确地选择热电偶。使用温度t。当t<1

37、000时，多选用廉金属热电偶，如K型热电偶。它的特点是，使用温度宽，高温下性能较稳定。当t=-200300时，最好选用T型热电偶，它是廉金属中准确度最高的热电偶。也可选择E型热电偶，它是廉金属热电偶中热电动势率最大、灵敏度最高的热电偶。当t=10001400时，多选用R、S型热电偶。当t<1300时，可选用N或者K型热电偶。当t=14001800时，多选用B型热电偶。t<1600时，短期可用S或R型热电偶。当t<1800时，常选用钨铼热电偶。使用气氛。强氧化性气氛：当t<1000时，多选用廉价金属热电偶，如N或K型，它是廉金属热电偶中抗氧化性能最强的热电偶。当t>

38、1300时，选用铂铑系热电偶。真空、还原性气氛：当t<950时，可选用J型热电偶，它即可以在氧化性气氛下工作，又可以在还原气氛中使用。t>1600时，选用钨铼热电偶。减少或消除参考端温度地影响。当t<1000时，可选用镍钴-镍铝热电偶。参考端温度在0300范围内时，可忽略其影响，常用于飞机尾喷口排气温度的测量。当t>1000时，常选用B型热电偶。一般可以忽略参考端温度的影响。其它。在一些特殊场合下，应依据测量对象的要求选择。例如，核反应堆测温，应选低中子俘获截面的双铂钼热电偶等1。本温度测量系统本着实用性出发，采用K型热电偶。K型热电偶主要以镍铬镍硅热电偶为代表。镍铬镍

39、硅热电偶是一种廉金属热电偶，金属丝直径范围大，工业应用一般为0.53mm。实验研究使用时，根据需要可以拉延至更细的直径。这种热电偶的特点是价格低廉，灵敏度高，复现性好，热电动势线性好，1000下抗氧化性能良好，在廉金属热电偶中稳定性更好。同贵金属热电偶相比时效变化大，是工业中和实验室里大量采用的一种热电偶。但不适用于还原性气氛，当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电动势发生变化。因此，多采用金属或金属陶瓷保护管3。2.4.3 补偿导线的选择在一定温度范围内（包括常温），具有与所匹配的热电偶热电动势标称值相同的一对带有绝缘层的导线称为补偿导线。其作用是将热电偶的参考端延长到远离热源或环境

40、温度较恒定的地方，以补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差。(1) 补偿导线的作用：(a) 改善热电偶测温线路的力学与物理性能。采用多股或小直径补偿导线可提高线路的挠性，接线方便，也可以遮蔽外界干扰。(b) 降低测量线路的成本。当热电偶与仪表的距离很远时，可用补偿导线代替贵金属热电偶。(c) 补偿导线质量的优劣，将直接影响温度测量的准确度。当前国内对补偿导线及线芯材料的研究较少，与相应热电偶匹配精度低，允差大；耐热等级偏低，仅200。国外补偿导线不仅品种齐全，而且使用温度可以超过800。(2) 补偿导线的原理：由热电偶测温原理可知，图2.6(a)所示的回路的总电动势为： (2.12)式中

41、为使用补偿导线后的温度。而图2.6(b)所示回路的总热电动势为： (2.13)图2.6 补偿导线原理图如果与能起到补偿热电动势的作用，即： (2.14)即： (2.15)因此，能满足式2.15要求的导线，就能起到补偿导线的作用。(3) 补偿导线的使用原则：各补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用。补偿导线与热电偶的温度不得超过规定的使用温度范围，通常接点温度在100以下，耐热用补偿导线可达200（对延伸型补偿导线不应严格限制）。由于补偿导线与电极材料并不完全相同（延伸型除外），所以，连接点处两接点温度必须相同，否则会引入误差。使用补偿导线时，切勿将极性接反4。2.4.4 绝缘物与保护管的选择在

42、用热电偶测温时，除测量端以外的各个部分之间均要求有良好的绝缘，否则热电偶会因热电极短路而引入误差，甚至无法测量。绝缘物的作用是使两根热电极丝相互电绝缘，并保持一定的机械强度。热电偶的绝缘材料很多，大体分为有机和无机绝缘材料两类。处于高温端的绝缘物必须采用无机物。通常在1000以下选用粘土质绝缘瓷管；在1300以下采用高铝质绝缘瓷管；在1600以下选用刚玉质绝缘瓷管。绝缘管的规格有单孔、双孔和四孔等，在此我们选用单孔，用于单支热电偶。为了使热电极不直接与被测介质接触，通常采用保护管。它不仅可以延长热电偶的使用寿命，还可以起到支撑和固定热电极、增加其强度的作用。因此热电偶保护管选择是否合适，将直接

43、影响热电偶的使用寿命和测量的准确度。作为热电偶保护管材料，主要有金属、非金属和金属陶瓷三类见表2.1。表2.1 保护管的材料分类及使用条件材质使用条件金属及合金铜及铜合金用于300以下无浸蚀性介质无缝钢管使用在600以下不锈钢长期使用温度为850高温不锈钢管可以用于1100铁基、镍基、钴基高温合金用于1300以下铂及铂铑合金用于1100或更高温度钼、钨等难熔金属非氧化性气氛下的高温领域非金属保护管氧化物保护管石英管多用于1000以下氮化物陶瓷保护管对金属有很强的抗腐蚀能力，用于12001300硼化物保护管宜在1650以下使用，抗氧化但抗腐蚀性较差碳化物保护管只用于双层管的外保护管石墨保护管可以

44、用于钢液、铁水测温二硅化钼保护管使用于氧化、还原气氛中，可用于1600金属陶瓷保护管金属陶瓷常用温度1600，适用于液态金属，不能用于氧化性气体金属陶瓷LT-1常用温度1300，适用于非金属熔体复合保护管双金属复合金属熔体测温，耐金属腐蚀性好，温度根据具体使用材料定复合陶瓷管金属熔体测温，耐金属腐蚀性好，温度根据具体使用材料定涂层用于高温熔体测温在本设计中，为了适应恶劣的工作环境，因此要求它耐高温、抗熔融、耐冲刷、抗震性好、测温灵敏度高。我们采用金属陶瓷保护管，采用MC93G型的金属陶瓷材料，壁厚3.5mm。如下是采用金属陶瓷热电偶保护管和铝碳质防护管、热电偶共同组合成分体组合式测温探头。其结

45、构示意图如图2.7所示1。1铝碳质防护管 2测温热电偶 3金属陶瓷保护管图2.7 测温探头结构示意图2.5 热电偶的冷端补偿由热电偶测温原理可知热电偶的输出电压： (2.16)即，热电偶因温度变化产生的热电动势是测量端温度与参考端温度的函数差。那么，热电动势就变成测量端温度的单值函数。我们经常使用的分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端温度为0为先决条件的。如果参考端温度是变化的，引入的测量误差也是变量。由此可见，参考端温度的变化直接影响测量的准确度。但在实际测温时，因热电偶的长度受到被测介质与环境温度的影响，不仅其参考端温度难以保持0，而且往往是波动的，无法进行参考端温度的修正。因此，要把变化

46、很大的参考端温度所带来的误差，通过采取一定措施予以补偿1。常用的补偿方法有冰浴法、恒温箱法、铜电阻补偿法、集成温度传感器法等。冰浴法是将热电偶通过补偿导线把参考端置于冰水混合物中，使其处于0状态。这样，热电偶输出的热电势与分度表一致，达到了参考端温度补偿的目的。冰浴法简单易行、补偿精度高，适宜于在实验室、计量室或仪表生产厂校验热电偶时应用5。恒温箱法将热电偶的参考端置于恒温箱(或恒温室)中，参考端温度保持恒定温度，另由一个电子补偿线路叠加一个恒定电势。这样得到的便是参考端补偿后的热电偶对应的热电势。这种方法较多的应用于工业现场测试。也有通过补偿导线将参考端埋于地下l米深处，使参考端的温度保持恒

47、定，随后通过导线将参考端连接到显示仪表上，并调整显示仪表的零点，达到参考端温度补偿的目的。这种方法精度虽不太高，但应用较为方便，因此被工厂普遍采用6。铜电阻补偿法也是一种常用的参考端补偿器法。补偿器为一不平衡电桥，其内部结构如图2.7所示。它的输出端与热电偶串接，电桥的三个桥臂其中R1、R2、R3为温度系数很小的精密电阻。另一个桥臂则是一个用铜线绕制的电阻温度系数很大的参考端补偿电阻RCu，当因参考端变化而引起电桥输出电压的变化量与热电偶的变化量相等时，即达到了热电偶参考端温度的完全补偿7。因此，在使用此种补偿器时，必须把显示仪表的起始点调到合适的温度才是完全补偿而在其他温度点只是近似补偿。图

48、2.7 铜电阻补偿器RCu参考端温度补偿电阻 R1、R2、R3锰铜电阻 G显示仪表RS特性电阻 E直流电源 T热电偶上面介绍的电路补偿法在环境温度变化较大时，便会产生较大的误差，采用集成温度传感器法，这一问题就可以顺利得到解决。在使用中，只需将热电偶的冷端与集成温度传感器置于同一环境中，不论环境温度如何变化，均可在电路的输出端得到正比于热电偶工作端温度的电压值。随着集成电路和微电子技术的飞速发展，各种半导体集成温度传感器被大量开发，有电流输出型（如AD590）和电压输出型（如LM134，LM135，LM235，LM335）等系列。它们不仅可用于温度测量，而且也用于热电偶的冷端温度补偿。并且大多

49、数集成传感器的输出电信号随温度变化具有良好的线性特性8。利用集成温度传感器AD590对热电偶进行冷端温度补偿是一种既简单经济又补偿效果好的实用方法。AD590是绝对温度电流传感器，它直接将温度转换成输出电流，且具有标准化的线性输出。由于AD590输出的是电流，在用长线传输信号时，不会因为电压降或感应的噪声电压而产生误差，抑制干扰的能力也很强，因此可用于较远距离的温度测量。AD590相当于一个高阻抗(10M)的电流源，对激励电压变化不敏感，同时功耗低，最大时仅13mW。以上这些特点使它极易与热电偶配合，做高精度的温度测量。综合考虑各种补偿电路的优缺点，本设计采用集成温度传感器AD590对热电偶进

50、行冷端温度补偿。该电路的设计见第三章热电偶信号调理电路。第3章 温度测量仪硬件设计3.1 电路设计整体思路在温度测量控制系统中，实际温度由热电偶采集得到的是一个很小的电压值。所以必须经过信号调理放大电路将这个电压值放大到A/D转换器所能接收的大小。调理放大电路的输出电压经过ADC0808转换后将信号（数字信号）送入单片机AT89C52；对采样数据进行标度变换处理后，由3位7段数码管显示。输入的设定值则由4位的独立式键盘电路进行调整，可分别对设定值的十位和个位进行加1减1操作，送入单片机AT89C52后，由另一个3位7段数码管显示，数码管段码由74LS05进行驱动，而位码由三极管2N2222A进

51、行驱动。为了使两组数码管实时显示，对两组数码管显示器进行动态扫描9,10。本系统的控制由单片机AT89C52的程序来实现。首先由温度采样值与设定值之差求出温度误差，然后由定时子程序处理，发出控制信号，控制加热丝及风扇工作。加热丝及风扇的控制电路采用晶体管驱动的直流电磁继电器，通过输出可以改变占空比的PWM波信号，就可以改变固态继电器的通断时间，从而达到调节温度的目的。若系统温度偏高，则控制风扇电路工作。从而实现自动控制温度的目的。整体电路框图如图3.1所示。图3.1 整体电路框图3.2 单片机介绍温控仪控制核心采用AT89C52单片机，它是一个低电压，高性能的CMOS 8位单片机，片内含8k

52、bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，可以暂存故障及超温上限温度值11。3.3 热电偶信号调理电路由于热电偶的响应仅为mV级，必须经过信号放大以适合A/D转换器的输入范围。当放大器的输出与A/D转换器的输入范围相匹

53、配，这时系统的精度最高，否则，如果放大器的输出范围大于A/D转换器的输入，就会使系统的测量范围减小，如果放大器的输出范围小于A/D转换器的输入，则会使系统测量精度降低，一般A/D转换所需要的电压值为05V。另一方面为了减小外界因素对测试系统的干扰，提高测温度，测试系统中加入了冷端补偿电路及调理器。信号调理电路由直流稳压电源、热电偶冷端温度补偿器、低通滤波和陷波以及三级放大四个模块组成811。3.3.1 直流稳压电源由于电路中采用直流电压供电，所以应该设计一个直流稳压电源。如图3.2所示。图3.2 12V电源电路原理图稳压电源由交流电网供电，再经过整流、滤波和稳压三个主要环节组成。变压器将电网电

54、压转换成整流电路输入端所要求的交流电压值。桥式二极管整流电路将输入的交流电压变换成所需的单项脉动电压，然后由滤波电路滤除脉动电压中的交流部分，输出脉动很小的直流电压。其中7812和7912是为了在电网电压波动或者负载变动时仍能够提供稳定的直流电压输出9。3.3.2 热电偶冷端温度补偿电路利用热电偶测温，测得是被测温度与冷端温度的差值信号，当冷端温度变化时，热电偶的输出就会产生显著误差。目前解决这个问题的方法有：0恒温法、热电势修正法、温度修正法、热电偶补偿导线法、集成温度传感器法、桥路法。本电路采用集成温度传感器AD59012,13对热电偶进行冷端温度补偿，该方法具有精度高、成本低、体积小、调

55、试简单、使用灵活、冷端温度补偿范围大(-55150)等优点。在使用中，只需将热电偶的冷端与集成温度传感器AD590置于同一环境中，不论环境温度如何变化，均可在电路的输出端得到正比于热电偶工作端温度的电压值。冷端补偿电路原理图如图3.3所示8。图3.3 冷端补偿电路原理图由热电偶的基本原理可知：。为热电偶的测量端温度为T，参考端温度为0时的热电势；为热电偶的测量端温度为T参考端温度为T0时的热电势，也就是热电偶两端实际的热电势值；为热电偶的参考端温度为T0时所应加的校正值（或冷端处理值）。冷端补偿电路的设计原理就是在热电偶的冷端串入一个受温度控制的电压源使。本电路采用AD590作为测温元件。AD590是一种集成型温度电流传感器。其电源电压为330V，测温范围为-55150，输出电流与温度成正比关系，即： (3.1)其中，=1A/K为AD590的温度系数，为被测环境摄氏温度，为被测环境绝对温度。其中，用AD590来感受冷端环境温度，并按比例关系输出信号，即：A。通过R1所形成的电压V1，即为与绝对温度相对应的冷端补偿电压。为了使其转化为以摄氏温度相对应的补偿电压电路引入偏置电压回路，通过调整R3使=273A。电路中，选取R1=R2（R1在数值上等于热电偶的Seebeck系数），这样与对应于摄氏温度的冷端补偿电压为，实现了热电偶冷端的补偿。由于不同分度号的热电偶Seebec