传感器应用实例(共9页).docx

精选优质文档-倾情为你奉上电气12-5班 何纪飞 基于热电偶温度传感器的高速测温系统设计摘要 本文主要介绍了基于热电偶温度传感器的快速测温系统的设计。本文综合考虑到热电偶的热惰性时间常数问题，采用快速算法实现了温度快速测量的功能。快速算法思想是：在等时间间隔内快速采集三个温度数据，然后根据它们与热时间常数、初始温度以及稳定后的温度之间的关系，最后得出稳定后温度的数学计算公式，从而得到所测量的温度值。采用了带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675、K型热电偶、89C51单片机、数码管等元器件设计了相应温度采集电路、温度转换电路、温度控制电路、超量程报警电路、数码管显示电路。结合硬件电路给出了相应的软件设计，测温精度可达到0.25。本系统的工作流程是：首先热电偶采集温度，数据经过MAX6675内部电路的处理后送给单片机进行算法处理关键词温度传感器热电偶热时间常数冷端补偿引言 温度是反映物体冷热状态的物理参数，对温度的测量在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工、国防、科研等领域中有广泛地应用。在某些特殊的场合对温度的检测速度有很高的要求，因此针对以上问题就有人提出温度快速测量的思想。系统原理概述1.1快速测温的算法实现热电偶测温系统测温时，温度是一个缓慢上升的过程，且温度随时间的变化并不是一个线性的过程，因此要实现快速测温就要考虑热电偶的热惰性时间常数问题3，采用合理的软件算法。下面就从基本算法着手，其原理就是在等间隔的时间点t1、t2、t3连续采集三个温度值，然后根据采集温度值跟热时间常数17、初始温度、稳定后的温度之间的关系、最后得出的数学计算公式4，从而得到所测量温度值。测温时，时间随着温度变化如图2-1所示。图2-1时间随着温度变化曲线由温度与时间及时间常数关系式： （2-1）当t分别为t1、t2、t3时： （2-2） （2-3） （2-4）由式子（2-1）得 （2-5）当t分别为t1、t2、t3时，则有： （2-6） （2-7） （2-8）由式子（2-6）÷式子（2-7）得： （2-9）由式子（2-7）÷式子（2-8）得： （2-10）因为t1、t2、t3时间间隔相等，则t3-t2=t2-t1，可得： （2-11）整理式子（2-11）得： （2-12）由式(2-12)可知稳定后的温度只跟采集的三个温度值相关，此算法与时间常数等未知量都不相关。所以通过此算法只要在等间隔的时间内快速采集三个温度值，通过软件算法计算就可实现温度的快速测量。1.3热电偶测温基本原理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2，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（热端），温度较低的一端为自由端（冷端），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。热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1、热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；2、热电偶所产生的热电势的大小当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；3、当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关。若热电偶冷端的温度保持一定，这时热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。1.4硬件组成原理本系统硬件主要由热电偶温度采集电路、MAX6675温度处理电路、89C51单片机控制电路、超量程报警电路和数码管显示电路组成。热电偶采用分度号为K的热电偶，为了减少外界信号的干扰通过双绞线跟MAX6675芯片直接相连接。MAX6675芯片通过SPI串行接口传输数据，采用的89C51单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675进行控制。本系统设计还具有报警的特点，当所测量的温度低于零摄氏度或者高于400摄氏度时报警电路发出警报。显示电路由89C51单片机通过锁存器对四位共阳数码管控制，数码管工作需要较大的电流采用型号为8550的PNP三极管进行控制，当所测温度在规定范围内时就可以通过数码管快速显示出来。1.5硬件电路详细设计1.5.1温度采集电路热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点14。但是，热电偶的应用却存在着非线性、冷端补偿、数字化输出等几方面的问题。设计中采用的MAX6675是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，其电路如图3-14所示。K型热电偶的两端分别跟MAX6675芯片的T-跟T+相连，为了允许热电偶断路检测，T-引脚必须接地。MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声影响，在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1F陶瓷旁路电容。温度由热电偶采集，然后将数据直接送给冷端补偿芯片MAX6675芯片进行处理，处理后送给单片机控制电路，完成简单的温度采集过程。图3-14温度采集电路原理图1.5.2显示电路LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件，是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个或一个笔画发光，控制不同组合的二极管导通，这就能显示出不同字符。七段LED共有8个发光二极管，其中7个发光二极管七端字形“8”，一个发光二极管构成小数点。发光二极管阴极连在一起的称为共阴极显示器，如图3-15a所示。共阴极LED显示器的发光二极管阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，即逻辑电平“1”时，发光二极管点亮。发光二极管阳极接在一起的称为共阳极显示器，如图3-15b所示。共阳极LED显示器的阳极接在+5V电压源上，当某个发光二极管的阴极为低电平，即逻辑“0”时，发光二极管点亮。共阴极显示器 b共阳极显示器图3-15七段LED显示器内部结构图点亮显示器有静态和动态两种方式。所谓静态显示就是显示器在显示某个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。这种显示方式每个显示器都需要一个8位输出口控制，需要硬件多，适用于显示位数较少的场合。当显示位数较多时采用动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各位显示器，对于每位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的点亮和点亮时的导通电流有关，还与点亮时间和间隔时间有关，调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。本设计使用的是一个四位共阳数码管，当89C51单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接74LS245等总线驱动器。本文温度显示电路设计是由一个4位共阳数码管通过三态双向总线收发器芯片74LS245跟单片机相连接，其电路如图3-16所示。其中74LS245的片选跟三态控制引脚接地，数据由单片机向数码管传输。数码管的位的选择通过8550三级管进行控制，三级管基极通过限流电阻跟单片机的I/O口相连接，当端口为高电平时，三极管截止，当给端口为低电平时三极管导通，数码管相应的位被选中。这样可方便地对数码管每一位进行单独控制。R3-R10为限流电阻。三极管饱和开通时，集电极发射极之间电压取0.5V，数码管的压降取2V，数码管的工作电流取5mA15mA。则限流电阻可这样计算获得： （3-9）把数据带入式子（3-9）得可取值170500现取。为保证三极管可靠开通关断，且要求数码管的亮度适量较高，基极电阻 R11-R14 可适量取小值，本设计取基极电阻为470。图3-16数码管显示电路1.5.3报警电路蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。超量程报警电路如图3-17所示。蜂鸣器的正极接到VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极e，三极管的基级b经过限流电阻R17后由单片机的P2.0引脚控制，当P2.0输出高电平时，三极管Q6截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P2.0输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P2.0引脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。三级管基极电流ib为1mA-5mA时就足够进入开关状态了，三极管导通时蜂鸣器跟三极管分压很小，电阻R17两端分压约为5V，三级管放大倍数为100左右，流过三级管CE的电流ic约为500mA左右这足够三极管饱和导通的条件，所以R17的阻值选用1K比较合理。图3-17报警电路原理图1.5.4单片机控制电路本文控制电路选用AT89C51对其外围电路进行控制，其接口电路如图3-18。由于AT89C51不具备SPI总线接口,设计中采用模拟SPI总线的方法实现与MAX6675的接口。其中P1.0 模拟SPI的数据输入端与SO相连,P1.1模拟SPI的串行时钟信号与SCK相连,P1.2 模拟SPI 的从机选择端与CS相连,电路中主机为AT89C51,从机为MAX6675。单片机的P2.0用来控制系统的超量程报警。单片机的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7和P0口分别通过相应的电路对数码管的位码和段码惊醒控制。系统通过AT89C51的P1.1 给MAX6675 发送串行时钟，P1.0 用来接收MAX6675输出的串行温度数据,P1.2输出的低电平将MAX6675的置零,用于选通MAX6675 工作。系统配有4位数码管显示,小数点设在十位后边,可测温度为0400,分辨率达到0.25。图3-18单片机与其它电路接口图结论 主要介绍了基于热电偶温度传感器的快速测温系统。该系统综合考虑到热电偶的热惰性时间常数问题，采用快速测温算法实现了温度快速测量的功能。本文主要采用K型热电偶、K型热电偶专用数字转换芯片MAX6675、AT89C51单片机进行了相关设计。MAX6675将热电偶测温应用时复杂的线性化、冷端补偿及数字化输出等问题集中在一个芯片上解决，简化了将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域时复杂的软硬件设计，因而该器件是将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域的理想选择。根据快速算法的原理通过AT89C51单片机软件编程可实现温度的快速测量。所学的专业课程与实际的实践紧密联系起来，加深了我们对理论知识的理解和掌握，开阔了我们的视野，最重要的是锻炼了我们勤于思考问题的能力，熟练使用电脑办公软件的能力，独立查阅资料的能力，分析问题与解决问题的能力，以及操作专业软件的能力，让我们基本具备了一个工程技术人员应有的基本素养。参考文献 1 程德福，王君，凌振宝，等.传感器原理及应用M.北京：机械工业出版社，2007.103143.2 河道清.传感器与传感器技术M.北京：科学出版社，2004.188201.3 路立平,冯建勤,鹿晓力.温度传感器的热时间常数及其测试方法J.仪器仪表传感器，2005：17-184 丁来玲,王磊.动态温度测量加速方法研究J.测控技术，1998，6：42-44.5 虞致国,徐健军.MAX6675的原理及应用J.国外电子元器件，2002,(12)：41-43.6 沙占友.集成化智能传感器原理与应用M.北京：电子工业出版社，2004.7096.7 马天艳，马天虹.热电偶测温及其冷端温度补偿J.工业计量,2005,15(6):31-32.8 王霄实现热电偶电势非线性补偿的软件方法J耐火材料，1998，32(2)：36-38 9 韩玉杰.基于MAX6675的烘炉温度追踪仪的研究及设计J.自动化仪表,2006, 27( 5):59- 61.专心-专注-专业