热电偶与热电阻检测装置的测量

1、 毕业设计（论文）多路热电偶（热电阻）检定装置设计学 院控制工程学院专业名称测控技术与仪器班级学号学生姓名指导教师2015 年 6 月月 20 日日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页多路热电偶（热电阻）检定装置设计摘 要本文设计了一种适用于大型工厂的多路热电偶热电阻温度检定装置，本套设备可以用来对使用一段时间的热电偶，热电阻进行检定，来满足工业生产过程中的需求，防止由于某一个热电偶的不精确而导致生产出大批劣质产品的事件的发生。本次设计主要是针对 K 型热电偶进行多路检测，设备一次可以检定十个 K 型热电偶，既提高了工作速度，又可以保证生产的质量，在本次设计中还设计了上位机界面，用

2、来对热电偶检定结果的相关数据进行显示，以及打印和保存。在本次设计中我们主要应用 MC9S12XS128 进行下位机的控制，这包括对 CD4067的控制来完成对不同热电偶检定的顺序控制，和对 AD7705 放大以及 AD 转换模块的控制以实现热电偶测温后的温度处理步骤。此装置通过上位机处理热电偶的检定和定级，下位机处理热电偶的测温过程，通过与标准热电偶的测温过程的比较，即可得出待测热电偶和标准热电偶在同一温度加热下，测量值的不同，进而确定待测热电偶的误差并将热电偶分成不同的等级。关键词：热电偶，检定装置，上位机 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页Multiple thermocou

3、ples (heat resistance) test device designAuthor：Zhou xiao ying Tutor：Qi shi qingAbstractIn this paper, we design a suitable for large factory multiplex heat resistance temperature thermocouple calibration device, this set of equipment can be used to use for a period of time of the thermocouple, heat

4、 resistance for verification, to meet the requirements in the process of industrial production, prevent due to the inaccurate of a thermocouple lead to produce defective products. This design mainly for K type thermocouple multiplex detection, ten thermocouple device can test at a time, can not only

5、 improve the working speed, and can guarantee the quality of production, in this design also designed the PC interface, used to display a thermocouple calibration results of relevant data, and print and save. We mainly in the design application MC9S12XS128 lower machine control, including the contro

6、l of the CD4067 to complete the order of different thermocouple calibration control, and the AD7705 and to enlarge the AD conversion module to realize the control of the temperature of the thermocouple temperature measurement after processing steps.This device by PC processing thermocouple calibrati

7、on and grading, lower machine processing of thermocouple temperature measurement process, comparing with the standard of thermocouple temperature measurement process, can be obtained for the thermocouples and standard thermocouples under the same temperature heating, the measured value is different,

8、 then determine the level of the thermocouple under test. Keywords: Thermocouple, Upper machine, Temperature detection 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页目 录1 绪 论 .11.1 课题背景 .11.2 课题设计背景.21.3 热电偶检定装置系统简介 .21.4 本文研究目的和意义.31.5 本章小结 .42 热电偶自动检定的理论基础 .52.1 热电偶工作原理.52.2 热电偶应用中的基本定律.72.3 热电偶的冷端温度补偿 .82.4 热电偶的检定.102

9、.4.1 热电偶的标准化.102.4.2 检定方法.123 系统硬件组成与实现 .133.1 系统的硬件组成及工作原理.133.2 各个硬件模块的功能介绍.143.2.1 检定炉.143.2.2 模拟开关装置.143.2.3 模拟转换 AD7705 .153.3 飞思卡尔单片机 MC9S12XS128 最小系统 .163.3.1 最小系统原理图.163.4 RS232 接口 .173.4.1 RS232 接口电路图.173.5 本章小结 .184 系统软件设计与编程 .204.1 系统各模块的流程图 .204.1.1 系统总体设计流程 .204.1.2 下位机处理模块编程 .214.1.3 数

10、字滤波 .224.1.3 下位机和上位机通信 .234.1.3 上位机的程序流程图 .244.2 本章小结.265 系统的整体调试.285.1 硬件调试 .28 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 IV 页5.2 上位机软件测试.28结 论 .30致 谢 .31参考文献 .32附 录 .33附录 A .33附录 B .34附录 C .41 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页1 绪 论1.1 课题背景在我们工业生产，民用甚至是军用领域，热电偶和热电阻都是必不可少的温度信息采集的传感器。各种传感器都会因为使用环境因素的各种影响，包括使用的场所，传感器长期所处的温度，以及传感器所处空

11、间的介质和温湿度的变化，相应的其热电特性会跟随这些因素的改变而产生波动，在相对比较恶略的环境条件下，例如，较高的酸碱度，较高的温湿度,这种不适合热电偶工作的条件下热电特性就会不符合平常的规律变化，从而导致测量结果的不准确。而且热电偶测温有其自己的适用范围，如果由于外界环境以及其他因素导致热电偶的热电特性变化超出适用范围以后，热电偶测量的温度就会偏离真实值，使得测温越来越不准确【1】。因此，为了确保热电偶检测温度的准确可靠，符合国际温标的规范和要求，我们必须定期对使用的热电偶进行检定。在工业发展初期我们使用的热电偶都是由有多年工作经验的工程师来确定和控制不同的温度检测点，在保证标志点的温度不变化

12、的前提之下，将我们要进行校正测量的被测传感器和我们已知的标准的传感器进行比较【2】。然后人工手动的切换标序的热电偶，从而完成多个热电偶的检定。然而，在测温的过程中很难保证温度能稳定在鉴定温度上下 5 度不变，而且手工操作误差比较大，时间较长，这样的工艺流程很难确保检定过程的精度标准【3】。近年来，科技的飞速发展带动了工业行业的又一次技术变革，整个工业领域形成了以计算机和各种数字式仪表为中心的科技创新体系，这将为我们的工业发展带来又一次春天。我们的科创人员应用计算机技术，对热电偶分度，热电偶检定自动化等问题进行了更深层次的挖掘和研究，并取得了可喜的成果。到目前为止我们已知的，已经通过各项技术制作

13、出了一些工业上使用的进行传感器校正的检测系统，已经可以解决大部分情况下的各种传感器准确性的检测【4】。但由于检定系统的大部分程序都是采用传统复杂的编程语言进行编写的，对并非从事程序编写的检测人员而言，根本无法 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页随时改动系统的程序，使其适用于不同的工业需求。我们希望达到的目标是:通过对 C语言基础的学习，掌握一定的 C 语言的基础之上，在原本已经研发的硬件的基础上。通过对系统软件控制的升级，将检测系统的准确性提升。让工程师不但可以对我们的测量系统进行使用，更为之后系统的升级和维护打下基础。1.2 课题设计背景众所周知热电偶温度传感器被普遍用于现代工业

14、现场之中，这就使得产品的质量与生产过程中不可缺少的热电偶密切相关，然而我们使用的温度检测传感器的热电特性会因为我们使用的工业环境的不同而发生相应的变化。而我们为了满足工业生产的需求必须使用精准的检测设备，因此我们必须定期的对热电偶进行鉴定，以确保其热电特性的稳定，进而保证产品质量。由于人工操作热电偶检定系统存在误差大，速度慢等缺陷，所以多年来国内外的计量部门都在研究热电偶的自动鉴定装置。并且近年已经成功研制出了多种检定装置，并在不断地完善各种功能，然而大部分的设备都是体积大，程序固定不能更改，无法适应多变的工业要求。我们将进对工业使用的热电偶和热电阻的检测装置自身的精度和可靠性进行进一步的提升

15、。使其能够满足高精度需求的场合。并且根据有关部门要求在检定合格的热电偶中分出各个等级。并将时间、毫伏电势、温度以表格的形式直观的在上位机界面显示出来。1.3 热电偶检定装置系统简介在现在的工业生产，军用和民用领域所使用到的热电偶精度的检测装置非常的多。但是所有的检测装置大体上是可以划分成两个类别，一种是一体化的装置，所有的设备都集成在一起是一个整体，另一种就是拆分式装置可以将各个模块进行拆卸搬运，典型结构如图 1.1 所示 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页图 1.1 可拆分的热电偶检定装置实物图从图中可以看出,不论是哪个厂家的工业热电偶自动检定系统,都必须具备提供均匀温场的恒温装

16、置,相关温度控制系统,扫描开关以及能够读取标准和被校热电偶毫伏输出值的高精度数字万用表。我们将要研发的热电偶检定装置是通过能够提供均匀温场的恒温装置对热电偶加热，热电偶有一个标准热电偶、九个被检热电偶组成，都放置在恒温装置中，用飞思卡尔单片机 MC9S12XS128，和 AD7705-16 位 AD 转换模块组成数据采集卡，采集多路热电偶的热电势，经过计算后在上位机上显示温度数值，并根据有关部门规定计算测量误差，以及待测热电偶与标准热电偶偏差，并根据偏差大小定级。图1.2工业热电偶自动检定系统典型结构1.4 本文研究目的和意义初期热电偶检定是由有工作经验的人员控制不同的温度检测点，然后尽量使温

17、度保持在设定温度点不变，将标准热电偶和被检热电偶测量的温度进行记录，然后手动的切换不同热电偶，从而完成多个热电偶的检定。然而，在这其间，温度难以保持恒定， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页并且人为操作记录误差比较大，耗时较长，这样很难保证检定过程的高精度要求【5】。随着科技的进步，技术的迅速发展，人们开始认识到科技就是第一生产力，开始将科学融入到生产中，但是任何的检测设备在长期的使用过程中都会暴露出越来愈多的问题，热电偶的检测装置也不例外。在现在的热电偶检定装置中，整个系统的设备比较复杂，比如需要购买各种的测量仪器。这些仪器大多都是不同的厂家研制生产的，在生产过程中的制作工艺，配

18、套研发的软件都拥有不同的标准。在拼装完成之后的系统的兼容性并不好。大多部分的工作都是需要大量的人工，自动化程度比较低。这个阶段就是半自动检测阶段。但是后期随着工业技术，计算机技术以及微电子嵌入式的发展，工业使用的热电偶的检测装置也得到了很大的发展。不再是部分的拼凑，而是整个的系统。整个的设备就是一个完善的系统，可以完成检测过程中的每部分工作。自动化程度非常高。操作人员可以直接在 PC 端完成，检测分析，检测结果打印的各项工作【6】。不过上面所讲述的高自动化的检测仪器，自身的研发周期比较长，对生产工艺有着较高的要求，同时软件的开发成本比较高。每个检测装置的制作都需要对硬件资源进行重新的采购，所以

19、在整个的过程中会造成资源的较大浪费。我们的系统希望达到的目标是：在已经有的硬件基础上，加以更新改造，并且能够在上位机上显示在某一时间各个热电偶测量的温度，输出的 MV 热电势，绘制温度和热电势的函数图像，方便与标准热电偶进行对比，并且根据计算，为各个热电偶定级。1.5 本章小结本章节主要是针对热电偶检测装置的简单介绍。并对现在国内技术的发展，国外技术的发展做了简单的介绍。下面对本论文进行简单介绍。第一章：绪论是针对本次毕业设计所制作的热电偶热电阻的检测装置的发展情况做一个简单的概述。第二章：主要是针对本次设计的热电偶检测装置的原理进行介绍，并且对对系统的整体方案进行分析说明。第三章：主要是针对

20、本次设计中所涉及到的硬件电路模块的原理和设计方案进行介绍。对硬件器件的选取进行说明。第四章：主要是对设计中所使用的软件模块的编写原理，实现方案进行分析说明。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页对上位机模块的程序编写进行介绍。第五章：主要是针对该毕业设计的硬件和软件部分先进行模块的调试，然后机型硬件和软件结合的整体测试，以及上位机和下位机之间的通信测试。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页2 热电偶自动检定的理论基础2.1 热电偶工作原理在现在的工业生产生活中，我们需要对生产流程中的各项参数进行准确的采集处理，以便于对整个生产流程工艺进行监控和调节。随着现在工业要求的不断

21、提升，为了实现控制过程的准确控制，对生产流程中的参数需要准确的测量和分析。本文涉及到的工业生产中的参数就是温度。而对温度的测量主要是通过热电偶和热电阻对不同生产流程中的各个环节进行监控。而对于我们经常使用的温度测量传感器的原理如图中表示：图中的 A 和 B 表示的是由不同的材料通过特殊的工业生产制作成的一个可以导电的导体，将这两个导体连接形成一个可以导电的回路。在两个节点的位置因为外界的温度发生变化的时候就会形成一个温度的差值，这样就是在 A 和 B 之间的电路中产生一个电动势，这个电动势我们称之为热电势。而且这个热电势的大小是和外界的温度差值成正比例关系的。当外界的温度差值不断的增大，那么回

22、路中的电动势也会不断地增加。这种现象就是我们传感器的工作原理，称之为温差热电效应。下图中表示的传感器就是热电偶【7】。图2.1 热电偶工作原理图随着现在科技的发展，特别是微电子，材料学和嵌入式技术的发展。热电偶的种类和测量温差范围都在不断的增多变大。于此同时，决定传感器品质的测量精度也在不断的变大。同时由于其原理和材料的特性决定，传感器的滞后效应比较小，这样就保证了信息传输的实时性，保证了流程控制的有效性【8】。所以在现在的工业控制领域 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页中，热电偶和热电阻作为生产流程中的温度采集传感器有着非常广泛的使用。下面我们就针对从温差到电势差的计算原理进行简

23、单的介绍。就和图中所显示的，如果在 A,B 两个导体之间存在一个温度差，而两个温度分别是 T 和 T0.那么导体的两端就会因为这个温度差值的存在而形成热电势。热电势的数值不仅是收到了)T(T,E 0ab两端接口的温度差值的影响，同样也会因为导体的长度的变化而产生相应的变化【9】。具体的计算表达式如下所示： )T(T,E-)(TE-)T(T,E+(T)E=)T(T,E 0a0ab0bab0ab（2.1）在物理学学习中，在电磁学中我们接触过珀尔贴效应。根据该原理我们知道，如果 AB 两个导体因为内部可以拥有自由移动的电子所以形成电流，但是由于内部的单位面积的电子可能是不一样的。所以如果我们和上图中

24、将 AB 两个导体连接到一起的时候，在两个导体中就会因为单位面积的电子的数目的不同而形成电子的定向移动。当最后电子的数目达到一致的时候，停止移动。这样的话就会是 A,B 两个导体因为电子密度的不同而分别带上正电荷和负电荷，从而形成电势差值。这个差值不仅仅是我们选择的导体的材料有关联，同样也会因为外界的温度数值的不同而形成不同的电势差值【10】。具体的表达式如下所示： （2.2）)()(ln)(TNTNeKTTeBAAB （2.3）)()(ln)(0000TNTNekTTeBAAB为什么一个固定的导体因为两端的温度不相同还会形成一个电视差值。这是因为，导体中因为自身特性的原因会拥有众多的自由移动

25、的电子，而当两边有一定的温度的差值的时候。因为温度的不同，所以分布在不同地方的自由移动的电子就具有了不同的动能。这样由于电子的动能不同就会在导体内部差生电子的定向移动，这样就会在导体的两边形成一定的温度差值【11】。如上边讲述的原理的，电势差值是和导体材料自身的单位面积的电子数量和导体两边的温度差值相关联的。我们将上面的算式进行一个相应的整合，那么就会得到一个完整的计算公式。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页图 2.2 热电偶闭合回路电势分布图上边的计算公式就是一个热电偶传感器的自身特性的表现，是衡量热电偶自身性能的重要数值。其数值的变化是由热电偶传感器所选择的两个导体的性质所决

26、定的。因此如果在工业生产中我们将 A，B 两个导体的自身材料已经确定，那么这个参数就已经确定了。剩下的就是两个导体之间的温度差值。根据不同的温度差值我们会在热电偶两端得到不同的热电动势。如果再将传感器的一端的温度确定下来，那么用来直接测量另一端的温度的话，这样根据计算公式我们就可以确定一个被测量的温度和测量出来的热电动势之间的比例关系【12】。具体的数学表达式如下所示：)()(),(0tCtfttEAB （2.4）根据这样的比例关系我们就可以确定热电偶测量温度的原理。只要是将热电偶传感器自身所产生的电势差值检测端，那么根据我们推导出来的公式逆向运算就会得到我们需要的被测温度数值。我们可以把这个

27、关系用函数曲线进行表示，也可以逆向整理成一个新的数学方程式。2.2 热电偶应用中的基本定律(l)热电偶材料均匀介质如果我们在制作热电偶传感器的时候。A，B 两导体都是使用一个相同的材料制作成的。那么不管我们怎样改变热电偶的长度，被测温度，在热电偶中都不会产生我们所需要的热电动势。但是根据我们这里所讲述的均匀介质，我们制作热电偶的两个导体一定是两个介质非常均匀不同的材料。那么在实际的测量中，导体两端就会因为所处的温度的不同，使得内部的电子形成不同方向的移动进而形成不同的热电势数值【13】。（2)中间导体定律 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页如果我们在制作热电偶的时候不仅仅是使用了

28、A 和 B 两个导体，而是加入了第三种导体材料的话。如果我们使用的第三种导体材料自身两端的温度是相同的，没有形成温度差，那么这个外加的第三导体就不会对热电偶测量产生的电动势产生什么影响。所以我们在对热电偶的实际使用过程中，可以在回路中自己添加任何的传感器和仪器，这样方便了热电偶在工业生产中的应用。 (3)中间温度定律在热电偶的生产制作过程中我们不管是选用什么样的导体材料。只要是在热电偶的测量端和自身设定的温度端口可以产生一个温度差值。那么这个温度差值所对应产生的热电动势都是和热电偶传感器在工作的过程中设置温度和被测温度分别形成的热电势的数值之和是相等的【14】。具体的数学表示计算式如下所示。)

29、,(),(),(233121ttttttABABAB （2.5）2.3 热电偶的冷端温度补偿根据我们上边讲述的热电偶的测量原理我们知道，对于传感器自身而言，最重要是保证传感器自身设置的冷端值不发生变化，这样根据外界温度产生的温度差值才是可靠有效的数值。对应的形成的热电动势才是真正的数值，可以真实地反映出温度的实际变化。但是我们热电偶实际的生产制造的过程中由于各种因素的作用，以及热电偶传感器在实际的使用过程中，不能很好的保证这个温度是一直不发生改变的。所以我们采用另一种方式来达到这个目标。现在厂家最多使用的就是对冷端这边进行一定的温度补偿，这样就可以保证测量的准确性。根据我们之前介绍的中间温度的

30、定力，我们可以得到这样一个计算公式： )0 ,(),()0 ,(00ttttEEE （2.6）根据数据公式我们可以推论得知。当传感器制作中将热端的温度设置为恒定的时候，那么如果我们的冷端产生了变化，那么对应的热电动势也会发生一定的变化。因此如果我们要得到一个准确的被测温度和实际的热电动势之间的关系曲线的话，那么我们就要保证冷端温度是一个准确的数值【16】。所以我们必须要对实际的冷端进行一定的温度补偿。厂家在实际的工业生产中，我们经常采用的冷端的补偿方法分别是：冷端恒温法、 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页补偿导线法、冷端温度校正法、电桥补偿法、二极管补偿法、集成温度电路补偿法等

31、 (l)冷端恒温法把热电偶传感器的冷端放置在标准的 0 摄氏度的温度下，我们选用的是一个冰水混合液体。然后将传感器的冷端放入，这样就保证了，电动势)0 ,(0tE是一个恒等于 0 的数值。那么这时候使用传感器测量被测温度，就能实现被测量温度和传感器所产生的热电动势数值是一一对应的。通过这样的补偿方法会使得系统自身的系统误差在0.001左右。而且该补偿方法在被测温度的计算过程也很容易。不过实际的 0 摄氏度的温度我们是无法长期保持的，所以该种补偿方法只是局限在实验室中。在工业生产生活中是无法实现的。 (2)补偿导线法我们温度补偿的目的就是为了让被测温度和产生的热电动势具有一个很好的比例关系。所以

32、我们要保证冷端的实际温度是一个恒定的数值。我们把热电偶传感器的冷端通过导线连接，延长出来并放入一个温度恒定的环境中。这样的补偿方法也有一个局限性，那就是要保证这个用作延伸的导线在一定的温度范围之中和热电偶传感器有一样的热电效应，只有这样才能保证我们外加的导体不会对传感器的测量数值产生影响。(3)冷端温度校正法如果在 t0值已经确定的前提之下。我们可以使用热电效应和传感器一样的导线将冷端延伸连接到 t0处。这样我们可以通过热电偶的分度数值表查看实际的 E（t0,0） ，然后测出热电偶回路的热电势 E（t，t0）,最后通过计算然后得到最终的被测量温度的数值。 (4)电桥补偿法电桥补偿，顾名思义就是

33、将测量系统中链接上一个不平衡电桥。利用我们外加上的电桥会在热电偶传感器的冷端的温度数值发生变化的时候产生一个变化的电压数值。后期将热电偶传感器的冷端偏离之前测量的数值进行分析运算，这样就可以保证传感器的检测精度。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页图 2.3 电桥补偿电路上面显示的就是要在传感器中添加的一个不平衡桥。下面就针对这个不平衡桥进行相应的介绍。 上图中的电阻 R1、R2、R3 都是一个精密电阻，并且该电阻自身的温度系数非常的准确。R5 是一个限流电阻，R5 的电阻数值是根据热电偶传感器的分度号码以及其进行温度补偿的范围来决定。数学表达式如下所示： （2.7）abVtEt

34、tEV)0 ,(),(000根据上式中我们可以知道，如果选择对了精密电阻 R1，R2，R3 的数值，那么就会使得)0 ,(0tE与 Vab的数值相等，从而抵消相互之间的影响。这样就可以尽量的减少冷端温度的自身变化对热电偶传感器最终输出的热电势差的影响。不过这个补偿方案也有自身的局限性，补偿的温度范围只能是 0 摄氏度到 50 设置度之间，而且只有在 20 摄氏度的时候才能够实现全补偿。在其他温度下只能进行欠补偿或者是过补偿。这样的话就达不到想要的补偿效果。2.4 热电偶的检定热电偶的检定主要是针对热电偶的工作性能进行检测，包括传感器自身的热电特性是否满足要求。实际的操作步骤就是先对传感器的外观

35、进行相应的检测，确认没有问题，然后在测量范围内选择一个固定的温度点进行测量，然后查看传感器的热电动势的数值是否是稳定，是否符合传感器的设计要求。像这种工业使用传感器的检定都是需要根据国家规定的检测流程进行的。2.4.1 热电偶的标准化根据有关部门所公布的资料显示，到现在为止，科研工作者已经对三百多种的热 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页电偶传感器的制作材料进行的研究和分析。技术人员在其中选择了其中七种性能和材质都非常实用的热电偶材料进行研制。生产出来的传感器在工业生产领域得到了广泛的应用。现在我国的国标规定热电偶传感器的材料有九种【17】。正在制定的专业标准有三种。在国标中所指

36、的标准热电偶指的就是国家规定的在一定的允许误差的范围之内，同时传感器产生的热电势和被测温度具有线性关系，并且具有统一的分布表的热电偶传感器。对应的非标准的热电偶传感器，在测量的温度范围和数量级别上没有固定的数值，也没有统一的分度表。这样的传感器主要是作为某些工业控制的特殊环节进行使用【18】。下图表示的就是国家规定的各种热点偶传感器的名称，对应的分度号码，等级以及对应的测量温度范围和系统自身的误差范围。表表 2.1 工作用热电偶测温范围及允差工作用热电偶测温范围及允差热电偶名称分度号等级测温范围允差-4011001.5或0.4t镍铬-镍硅(铝)K-4013002.5或0.75t-4011001

37、.5或0.4t镍铬硅-镍硅N-4013002.5或0.75t-408001.5或0.4t镍铬-铜镍E-409002.5或0.75t-407501.5或0.4t铁-铜镍J-407502.5或0.75t016001或1+（t-1100）*0.003铂铑 10-铂S016001.5或0.25t016001或1+（t-1100）*0.003铂铑 13-铂R016001.5或0.25t60017000.25t铂铑 30-铂铑 6B60017004或0.5t 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页图 2.4 双极法热电偶检定原理图2.4.2 检定方法在热电偶传感器的检定方法中，我们经常使用的就是

38、双极比较法。这是最基本的一种检测方法，适用范围很广。下面将对该检测方法的原理进行相应的介绍和分析。将待检测的传感器和标准的传感器一起放到我们事先已经设定好温度的检定炉中。将两个传感器的冷端都通过热点特性相同的传感器延伸到冰水混合物中。然后等检定炉中的温度上升到我们设定好的温度之后，将检测系统稳定放置几分钟，让传感器的测量端到达一个平衡状态。这样检定炉自身的温度和设定温度之间的差值应该不会大于正负五摄氏度。这时候就进行下一步的检测，测量顺序如下所示：标准检测 1检测 2检测 n标准检测 1检测 2检测 n之后再进行传感器数值的读取的时候需要非常的迅速，这样可以保证数据采样的时间比较相近。测量的时

39、候炉子中的温度变化也不会很大。在外界环境较为理想的情况下，就可以求出热电偶传感器的平均电动势。然后经过公示转换成对应的温度数值。最后处理就可以得到每个被检测的热电偶和标准的热电偶在检测温度上的测量差值。从而判断热电偶传感器性能的好坏。2.5 本章小结本章主要介绍了一些关于热电偶的基本原理知识，热电偶的基本定律包括中间温度定律、中间导体定律、热电偶材料均匀介质。热电偶的冷端温度补偿方法包括冷端恒 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页温法、补偿导线法、冷端温度矫正法、电桥补偿法。热电偶在检定过程中使用的双极性法的基本介绍，热电偶的标准化的简单阐述。3 系统硬件组成与实现3.1 系统的硬

40、件组成及工作原理我们本次设计的热电偶的检测系统的主要的硬件结构如下。该系统主要是使用单片机系统，传感器部分，16 位的一个 AD 转换的模块，信号放大模块，串口通信部分，以及最终进行数据收集的上位机部分。整体的机构图如下所示：检定炉十六选一模拟开关A/D转换控制芯片RS232上位机打印机图 3.1 系统硬件结构 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 15 页图 3.2 系统的硬件电路原理图3.2 各个硬件模块的功能介绍整个的系统包括放置各个传感器的检定炉。传感器部分以及信号处理部分，主控部分，通信部分以及上位机打印部分。下面我们就针对各个模块进行一个详细的原理说明和功能介绍。3.2.1 检定

41、炉我们将被测的传感器放置在一个受热比较均匀的物体中，我们称之为检定炉。在这个装置中我们自己设定几个档位的温度作为标识温度。这几个温度分别是 20 摄氏度，40 摄氏度，50 摄氏度以及 70 摄氏度。这几个设定的温度将作为被测的传感器和标准的传感器检测的一个相对的温度。在实际的设置中我们选择的是一个热水杯来模拟整个检定炉。这样既可以满足系统的检测需求，更使制作过程更加的简单便捷。3.2.2 模拟开关装置在针对多个热电偶传感器进行选择控制的时候，使用专用的芯片进行选择功能。芯片主要的功能就是开关的控制。芯片自身不但可以用作系统部分之间信号的传输，同时可以进行不同时刻处理数据，而且还可以实现对系统

42、中多个控制回路信号的巡回检 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 16 页测。芯片的电路图：图 3.3 CD4067 原理图CD4067 芯片一共是有 24 个引脚。这款芯片为控制系统提供了 16 个的通道的开关。而且如图中看到的，芯片自身有四个的可以进行二进制数据输入的端口。除了剩下的电源接口和一个控制接口 C 以外，芯片剩下的接口都是输入输出通道接口和普通的 IO接口。芯片自身对电压的要求是 3 伏到 15 伏。在该系统中我们对芯片的供电电压是5v。芯片的控制逻辑如图所示。芯片的作用就像是一个单刀十六至开关一样的。至于芯片控制的哪个通道导通是通过芯片的 ABCD 的地址码决定的。芯片在使

43、用的时候，输入端分别连接到多个的热电偶传感器，同时将芯片的输入控制端口连接到芯片的三个不同的 I/O 端口。通过芯片的三个控制端口，来实现对多个热电偶的选择通断。在通道选择之后，就针对热电偶的传感器进行转换处理。表表 3.13.1 CD4067I/OCD4067I/O 口对照表口对照表输入输入输入输入输入导通CA3A2A1A0LLLLLI0O/ILLLLHI1O/ILLLHLI2O/ILLLHHI3O/ILLHLLI4O/ILLHLHI5O/ILLHHLI6O/I 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 17 页LLHHHI7O/ILLHHLI8O/I3.2.3 模拟转换 AD7705当针对热

44、电偶的传感器通道选择完成之后，就对热电偶产生的热电势的模拟量传感器进行转换。该转换芯片使用 AD7705 实现。AD7705 芯片主要是进行模拟信息转换成数字信息然后输出给控制芯片。在本系统中，我们使用 AD7705 把传感器传输回来的低电平的信息，经过芯片自身的处理之后，输出一个对应的数字量的信息。同时该芯片在进行自身的信息处理的时候，可以进行数字滤波。这样就保证了信息的准确性。主要是通过串行接口实现对芯片的通信的控制的。此串行通信主要是有三个端口与外部进行接线。通信的过程中芯片自身会进行一点的自我校验，用来减少在通信过程中产生的误差。AD7705 在工作的时候可以使用两个 ADC 的通道进

45、行数据的处理转换。使用的是3V 到 5V 的电源给芯片供电。共有 16 个引脚。其中包括电源和地线的接口，以及芯片的选择控制端口 CS，芯片自身的复位引脚 RESET，芯片的时钟输入引脚 SCLK 以及芯片的输入输出引脚。芯片的诸多特性决定了它较为广泛的用途。芯片的接口电路如下所示：图 3.4 AD7705 电路原理图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 18 页我们将通过选择开关选中的信号接入到 AD7705 的模拟量输入引脚。经过芯片自身的信息处理，将对应的数字量信息传输给控制芯片。然后控制芯片在进行相应的处理。该硬件部分是这个系统的信号输入端口。该部分的信息处理的成败关系到整个系统的

46、准确性。所以 AD7705 这部分的硬件必须保证一定的精度。根据系统示意图，在进行完模数转换之后，数字量的信息就会传输给控制芯片。3.3 飞思卡尔单片机 MC9S12XS128 最小系统3.3.1 最小系统原理图图 3.5 最小系统原理图针对模数转化之后的数字信号进行处理的芯片就是 xs128。下面就针对该控制芯片进行相应的介绍说明。MC9S12XS128 是飞思卡尔的一个 16 位的控制芯片。该芯片具有锁相环功能，可以将芯片的速度提升到 80Mhz。这样就提升了系统的整体反应能力，信息的传输的实时性和数据处理的速度都得到了快速的提升。由 16 位中央处理单元CPU12X、128KB 程序 F

47、lash、8KB 数据 Flash 组成片内存储器。同时还包括两个异步串行通讯接口（SCI）一个串行外设接口（SPI） 、一个 8 通道输入捕捉输出比较定时器模块（TIM）16 通道 12 位 AD 转换器（ADC）和一个 8 通道脉冲宽度调制模块（PWM） ，91 个独立的数字 I/O 口，其中某些数字 I/O 口都具有中断和唤醒功能，1个 CAN 2.0 A/B 标准兼容模块（MSCAN） 。控制芯片针对数字量进行处理之后，就会将所有的数字信息经过串口通信模块传 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 19 页输给上位机进行显示。3.4 RS232 接口3.4.1 RS232 接口电路图图

48、 3.6 MAX 202 接口电路图现在经常使用的通信方式有 RS232 和 RS485 通信。下面就针对这两个通信的特点进行介绍分析。当模块与模块之间的通信距离在十几米到几千米的距离的时候，我们采用的是 RS485 总线进行通信。RS485 在信息发送的时候使用的是平衡发送，而总线在进行数据接收的时候使用的是差分接收的方式。这种信息的传输方式决定了 RS485可以抑制共模干扰的影响，可以确保通信的信息的准确性。RS485 在通信的时候采用的是半双工的工作方式，这样就可以使得通信过程中任何时候都只有一个位置是发送信息的状态。所以，在进行通信的时候需要给发送信息的电路输入一个高电平，作为使能信号

49、进行控制。RS485 在工业领域有非常广泛的应用，因为在通信过程中存在多个节点，可以进行多点之间的通信。在工业控制中组织形成网络控制。由于我们的通信距离较短，所以选用的就是 RS232 的通信方式进行通信。RS232 采用的是三线制进行通信的。分别是发送端口，接收端口和 GND 端口。在进行通信的时候 RS232 的电平是正负电平之间不断的转变的。其中 RS232 的高电平范围是正的 5 伏到正的 15 伏。而负电平是负的 5 到 15 负之间。在进行数据发送的时候，发送端口的驱动器输出的正电平 5V 到 15V。当通信没有信息发送的时候，总线上的电平就是普通的 TTL 电平。通信总线上从数据

50、传输的开始到数据发送结束，总线上的电平在 TTL 电平和 RS232 电平之间不断地变换，最后恢复到 TTL 电平。该串口通信的波特率有 50 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 20 页到 19200 不等。总线的信息传输速度可以满足本次设计对通信速度的要求。表表 3.23.2 MAX202MAX202 接口标准接口标准9 针端口号25 针端口号名称方向功能32TXD输出发送数据(transmit data)23RXD输入接收数据(receive data)74RTS（低）输出请求发送(request to send )85CTS（低）输入允许发送(clear to send)66DSR

51、（低）输入数据设备准备好(data set ready)57GND-信号地(signal ground)18DCD（低）输入载波检测(carrier detect)420DTR（低）输出数据终端准备(data term read)922RI输入振铃指示(ring indicator)3.5 本章小结本章节主要是针对下位机的硬件的各个模块进行相应的介绍和分析。下位机主要是将信息进行采集，并进行简单的分析，然后将数据上传到上位机上。下位机的最前端就是可选择的四个通道所对应的传感器。将被测传感器和标准的传感器同时放到设定好温度的炉子中。然后将传感器返回的信息进行转换和分析，最后通过 MAX202 的

52、通信模块将信息上传到上位机中。硬件部分在实际的制作中先通过面包板将元器件连接进行测试，测试没有问题之后在使用洞洞板进行焊接。然后针对各个模块在进行测试。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 21 页4 系统软件程序设计与编程4.1 系统的各个模块的流程图4.1.1 系统的总体设计流程 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 22 页图 4.1 系统总体流程图系统总体流程图如图 4.1 所示。主要分为两个部分，分别是下位机和 PC 上位机端口。系统整体的工作流程和上图的流程图所表示的是一样的。下面再进行简要的说明。系统在工作的时候，我们需要先把传感器放置在预先设置好的炉子之中，然后将温度设定

53、好。通过上位机来控制选择测量哪个传感器。然后被测热电偶传感器和标准的热电偶传感器将检测的热电动势的信号传输给我们系统的模数转换芯片。将电压的 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 23 页模拟量信号转换成对应的数字量信息。然后将数字量的温度信息传输给主控芯片。控制芯片将数字信息进行一定的数字信号处理之后，通过 max202 总线和 PC 端口的上位机连接。将经过一定的软件算法处理的温度信息传输给上位机。上位机端接收到数据之后再进行一定的计算处理，显示出被测热电偶传感器和标准的热电偶传感器之间的数据差别。将信息处理完毕，在上位机进行实际的显示，然后可以将最后的结果进行打印。4.1.2 下位机处

54、理模块编程图 4.2 温度模块处理流程图下位机模块编程是在温度的采集开始的。整个系统最开始的部分就是将温度信息转换成热电势。控制流程就和上图所显示的一样。我们通过对单片机进行编程，将具体的热电势和温度之间的表格信息存储在单片机中。其中热电偶分度表主要是有两种， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 24 页分别是精度达到 1 度的和分度为 10 的两个标准。为了防止在表格查找的时候存在太大的误差。我们通过软件处理将热电偶返回的电视差值和温度曲线进行一个线性化的处理，尽量的减少数据处理过程中存在的误差。在将热电偶传感器的输入热电势采集回来之后通过 AD 转换芯片将模拟量的信息转换成对应的数字量

55、。在进行模数转换的时候就需要对 AD7705 进行编程处理。下面就简单介绍一下该款模数转换芯片的具体软件编程实现。在主控芯片对 AD7705 进行操作的时候需要分别对状态寄存器，对应的转换的数据寄存器，以及和上位机进行通信的通信寄存器进行相应的设计。芯片自身有四个工作状态，通过设置状态寄存器就可以改变。分别是正常的工作状态，如果寄存器的 MD0和 MD1 都是 0 的时候该芯片就是在正常状态下运行。这个时候芯片可以直接进行模拟量到数字量之间的转换。当 MD0=1 并且 MD1=0 的时候芯片是工作在自校准的状态。顾名思义在这种工作状态下，芯片不会马上进行转换工作，需要对通道寄存器进行操作然后激

56、活校验，在自己校验完成之后芯片就会重新回归到正常的工作状态。第三种和第四种是我们不经常使用的，分别是零标度的一个校验和满标度的校验。对状态寄存器设置完成之后，需要对芯片的数据寄存器进行设置。本芯片的数据寄存器是一个十六位的只能读的寄存器，需要先对寄存器进行清除。不可以向本寄存器写任何的数据和命令。之后需要对芯片的通信寄存器进行操作。通信寄存器是一个支持读功能同时也支持写功能的八位的数据寄存器。如果芯片需要和外部的任何设备进行通信就必须对本寄存器进行设置。通过选择该寄存器可以对其他的时钟和数据寄存器进行相应的操作。在下位机进行模拟量和数字量之间进行转化之后。系统还需要对信号进行一下算法的处理。下

57、面就针对滤波算法进行相应的介绍。4.1.3 数字滤波控制芯片接收到 AD7705 上传的数字量的信息之后，就会对数字信息先进行一下数字滤波处理。下面就对控制芯片中使用的数字滤波算法进行检验要的说明。下位机的主要作用就是对传感器的信息进行采集并且将数据通过串口发送到上位机上。在任何的系统中不管是由于输入信号自身引起的，还是系统所处的环境因素引起的，系统中都会存在一些噪声和其他干扰。这样干扰对最后的数据的准确性会产生或大或 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 25 页小的影响。所以我们在系统设计中都会加入一些滤波部件，包括硬件滤波和软件上利用程序进行的滤波。硬件滤波的方法主要是加入电阻和电容组

58、成一些 RC 滤波电路，来实现对噪声干扰的滤除。在软件方面的滤波算法主要是有限制幅值的滤波算法，滑动平均值，算术平均值滤波中位值滤波等几种。其中滑动平均值算法主要是在有一定的固定的周期的系统中使用的，使用这样的滤波算法可以很好的抑制周期性的干扰。但是对应的该种滤波算法也有自己的缺陷那就是灵敏度比较低，如果是出现了很多的偶然性误差的话就会失去作用。中位值滤波虽然自身可以对偶然性的误差有很好的作用。对温度和液位这种缓慢变动的测试系统有很好的作用效果。在这个系统中我们使用的就是软件方面的滤波。经常使用的滤波算法有很多，这里我们使用的是将两种滤波算法相结合的一种滤波算法。程序中将算术平均滤波和幅值滤波

59、相结合。其中算术平均值主要是通过多次的采样，将多个的数字量信息进行采集之后，对这些数据进行数学运算。这样滤波方法可以较为有效的将系统的随机干扰所产生的误差处理掉，但是缺点在于由于采样数据较多，计算量较大，耗时比较长，所以在对实时性要求很高的系统中不建议使用。我们本次的设计对实时性的要求不高，所以采用该滤波方法。还有一个就是限制幅度的滤波，该种滤波的使用是因为我们事先已经设定好了炉子的温度，所以因为温度差值所产生的热电动势这个模拟量的幅值也是一个确定的范围之中。这种滤波的优势也是可以减少随机误差对系统的影响。4.1.3 下位机和上位机通信上位机和下位机之间的通信主要是通过串口进行的。在通信的过程

60、中主要是上位机给下位机发送指令，收到指令之后下位机开始控制采集不同通道的传感器信息。然后进行分析处理再通过 max202 传输给上位机。上位机收到信息之后会发送一个命令告诉下位机已经收到了准确的信息。为了保证下位机传输的有效性和准确性，根据 Modbus RTU 通信协议自己编写了一部分的通信协议。报文由起始符、首部、载荷（用户数据） 、结束符组成，起始符和结束符为固定字符。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 26 页表表 4.14.1 ModbusModbus RTURTU 通信协议通信协议首部域名称说 明起始符定义数据报文开始，1 个字节，固定为 0 x68设备码为与其它协议兼容，该