基于单片机的热电偶温度测试仪程设计说明书.doc
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1、 西华大学课程设计说明书基于热电偶的温度测试仪设计摘 要:基于热电偶的温度测试仪,该仪器是以AT89C51单片机为核心,采用热电偶冷端补偿专用芯片max6675K对K型热电偶进行冷端补偿并对来自K型热电偶的T-和T+端的输入信号进行放大、AD转换以及数字化处理最后经过spi串口传送给单片机,经单片机运算处理,转换成ROM地址,再通过二次查表法计算出实际温度值并调用相关的程序将此温度值送给4位共阳极LED数码管显示或超量程报警。该热电偶测温仪的软件用C语言编写,采用模块化结构设计。关键词:热电偶,冷端温度补偿,89C51单片机,max6675,数码管显示Abstract:Based on the
2、rmocouple temperature measurement instrument, the instrument is AT89C51 SCM as the core, the compensation of thermocouple dedicated chip max6675K of K type thermocouple cold junction compensation and from the K type thermocouple of T- and T+ input signal amplification, AD conversion and digital proc
3、essing at last through the SPI serial transmitted to SCM the single chip computer, processing, conversion into ROM address, and then through a two look-up table method to calculate the actual temperature value and call procedures related to the temperature value to a total of 4 anode LED digital tub
4、e display or overrange alarm. The thermocouple temperature measurement instrument software using C language, uses the modular structure design.Key words: thermocouple cold end temperature compensation, single-chip computer, 89C51, MAX6675, digital tube display27毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业
5、设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保
6、存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的
7、全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价:一、撰写(设计)过程1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计
8、)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格三、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)指导教师: (签名) 单位: (盖章)年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价:一、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中
9、 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)评阅教师: (签名) 单位: (盖章)年 月 日教研室(或答辩小组)及教学系意见教研室(或答辩小组)评价:一、答辩过程1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理
10、解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格三、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)教研室主任(或答辩小组组长): (签名)年 月
11、 日教学系意见:系主任: (签名)年 月 日目录1 前言12 整体方案设计32.1 方案论证32.2 方案比较43单元模块设计53.1 单片机控制电路模块53.2 温度采集转换电路模块73.2.1 K型热电偶73.2.2 具有冷端补偿的数字温度转换芯片MAX667583.3 显示电路模块103.4 报警电路模块124软件设计134.1主程序设计135系统技术指标及精度和误差分析145.1系统仿真结果145.2 误差分析146 结论167 致谢178 参考文献18附录1电路原理图19附录2源程序代码201 前言 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
12、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,例如:在测量汽车发动机吸入空气的温度的时候,就要求热响应时间小于1s;航天飞机的主发动机的温度测量要求0.4s 内完成等。因此针对以上问题就有人提出温度快速测量的思想。通常用来测量温度的传感器有热电阻温度传感器、热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器等几种。这些常用温度传感器一般的温度测量中可以满足响应速度的问题。工业常用的精度较高的温度传感器有铂热电阻、半导体温度传感器等。铂热电阻具有温度温度测量时至少要几秒钟。所以用温度传感器一般都存在着对气体温度变化响应较慢的问题。在对温度实时性测量要求比较高的系统,
13、运用常用温度测量方法很难测量范围大、重复性好、精度高等特点,但是响应不是很快,特别是在对气体做到对温度的快速测量,对系统的精度影响就很大。在工业过程控制与生产制造领域普遍使用具有较高测温精度及测温范围的热电偶做测温元件。在工业标准热电偶中,K型(镍铬-镍硅)热电偶由于具有价格低廉、输出热电势值较大、热电势与温度的线性关系好、化学稳定性好、复制性好、可在1000下长期使用等特点,因而是工业生产制造部门应用最广泛的热电偶元件。但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时,却存在着以下几方面的问题2。非线性:热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系,因此在应用时必须进行线性化处理。冷端补偿:热
14、电偶输出的热电势为冷端保持为0时与测量端的电势差值,而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的,故需进行冷端补偿。数字化输出:与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口,而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求。在许多热工实验中,往往面临热电偶冷端温度问题,不管是采用恒温补偿法(冰点补偿法)还是电桥补偿法,都会带来实验费用较高、实际的检测系统较复杂.难以达到实时测量、接口转换电路复杂等问题,而随着计算机测控技术在工业生产制造领域的普遍应用,温度参数的微机化测量与控制已成为必然趋势。因此我们必须解决对热电偶测量信号的放大调理、非线性校正、冷端补偿、模数转换、数字输出接口
15、等一系列复杂的问题,以及解决模拟与数字电路硬件设计过程和建表、查表、插值运算等复杂的软件编制过程,以达到使电路简化,成本减少,增加系统可靠性的目的。鉴于上面的分析,本论文主要任务是设计一种基于高精度K型热电偶传感器的快速测温系统。采用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出相应温度采集电路、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。系统用单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675进行控制,要达到任务书中的技术指标,并对系统进行protuse的调试和仿真试验,使其具有良好的实用性能,能够实现对固提表面、液体和气体温度的高
16、精度快速测量。2 整体方案设计热电偶测量温度时要求其冷端(测量端为热端,通过引线与测量电路连接的端称为冷端)的温度保持不变,其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时,冷端的(环境)温度变化,将影响测量的准确性。在冷端采取一定措施进行补偿以消冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。2.1 方案论证设计中采用了两个方案,具体的方案见方案一和方案二。方案一:分立元气件冷端补偿方案该方案的热电偶冷端温度补偿器件是由分立元件构成的,其体积大,使用不够方便,而且在改变桥路电源或热电偶类型时需要重新调整电路的元件值。主要包括温度采集电路、信号放大电路、A/D转换电路、热电偶冷端补偿电路、数码管
17、显示电路等。其系统框图如图2.1。AD590冷端补偿电路模块单片机模块热电偶转换和放大电路模块分时模数转换LED显示模块热端冷端图2.1分立元气件冷端补偿方案二:集成电路温度补偿方案采用热电偶冷端补偿专用芯片max6675,max6675温度转换芯片具有冷端温度补偿及对温度进行数字化测量这两项功能5。一方面利用内置温度敏感二极管将环境温度转换成补偿电压,另一方面又通过模数转换器将热电势和补偿电压转换为代表温度的数字量, 将二者相加后从串行接口输出测量结果,即为实际温度数据。主要包括温度采集电路、max6675温度转换电路、数码管显示电路等。其系统框图如图2.2。热电偶MAX6675单片机LED
18、数码显示图2.2 集成电路温度补偿2.2 方案比较综合对比以上两种方案,方案一电路复杂,且测量不精确照成误差较大,方案二采用集成温度转换芯片不仅能很好的解决冷端温度补偿及温度数值化问题,并消除由热电偶非线性而造成的测量误差,且精确度高,可实现电路的优化设计。故最后采用方案二。3单元模块设计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
19、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。3.1单片机控制电路模块MCU是整个系统的控制核心,由于温度测量系统的接口方便,综合考虑整个系统,选用美国ATMEL公司生产的AT89C51型单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片
20、中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,其外观引脚如图3-1所示:图3-1AT89C51外观引脚图AT89C51提供以下标准功能12:4k字节的flash闪速存储器,可以反复擦除100次,128字节内部RAM,4个8位并行I/O口,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C51可降至0hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式、空闲方式停止CPU工作,但允许RAM,定时/技术器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个硬件复位。AT89C51共
21、有4个双向的8位并行I/O端口,分别为P0P3,共有32根口线,端口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。P0P3的端口寄存器属于特殊功能寄存器系列。这四个端口除了可以按字节寻址外还可以位寻址。其中P0口为漏极开路作为输出使用时应外加上拉电阻,P3口既可以做为普通I/O口使用,还可以作为特定的功能引脚。虽然51单片机只有一个串口接口,但其I/O口既可以用字节寻址也可以位寻址,这样在实际应用中,我们就可以通过模拟不同总线的时序特征来实现各种数据的传输。AT89C51单片机内部有一个功能强大的全双工的一部通信串口。其串行口有四种工作方式:分别为同步通信方式、8位异步收发、9位异步收发(
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- 基于 单片机 热电偶 温度 测试仪 设计 说明书
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