2022年热电偶测温系统设计 .pdf

《2022年热电偶测温系统设计 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年热电偶测温系统设计 .pdf（11页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、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，19982赵茂泰.智能仪器原理及应用 M.北京:电子工业

2、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2013.7.122013.7.16 指导教师专业负责人2013年 7 月 12 日名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 11 页 -传感器课程设计摘 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

3、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；单片机名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 11 页 -传感器课程设计目 录一、设计要求 .1二、设计方案及其特点 .11、方案说明 .12、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.

4、31、单元电路设计 .42、参数计算 .53、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 11 页 -传感器课程设计1 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：系统由型热电偶和集成

5、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。热电偶补偿导线热端冷端图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放大放大AD590 USB数据采集卡计算机名师资料

6、总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 11 页 -传感器课程设计2 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。去4mA-20mA 测量电路图 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

7、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接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。如图3 所示。电极电极图 3 热电偶工作原理图补偿端测量端传感器AD7705 A/D 转换器STC89C52 单片机AD421 D/A

8、 转换器名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 11 页 -传感器课程设计3 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

9、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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 11 页 -传感器课程设计4 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

10、、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 转化电路原理图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 11 页 -传感器课程设计5 采用16位高精度数/模转换器 AD4217。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

11、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-DAC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

12、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 =0，i=0，K是常数,于是存在关系Kxy(1)在有误差的情况下,则有yxKy(2)21RyiRyy(3)由此可以推出01bybx(4)可改写成下简明形式011bxby

13、(5)式中：x热电偶产生的电压；名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 11 页 -传感器课程设计6 y带误差的输出到 D/A 转换器的电压；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 元器件清单标号元器件类型元器件规格数量C1,C2 电容33p 各 1 C3,C4 电容103 各

14、 1 C5，C7，C9,C19 电解电容10各 1 C6,C8,C12,C18 电容0.1 各 1 C10,C11 电解电容4.7 各 1 C13,C14,C16 电容0.011 各 1 C15 电容0.0033 1 C17 电容1000 p 1 C20 电容100 p 1 C21 电容0.1 p 1 C22 电解电容301 R1,R2,R5,R6 电阻1K 各 1 R3 电阻100K 1 R4 电阻51K 1 R7 电阻丝1K 1 NPN 三极管1 MOS 场效应管1 CRYSTAL 晶振2.4576MHz 1 CRYSTAL1 晶振12MHz 1 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 11 页 -传感器课程设计7 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 11 页 -名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 11 页 -