基于热电偶的智能温度表软件设计机械力学毕业论文.docx
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基于热电偶的智能温度表软件设计机械力学毕业论文
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摘要
本次课题设计所选用的温度测量元件是热电偶,它以AT89C51单片机为核心组成部分,并通过AD590集成温度传感器的作用下进行测量,并以一端温度0℃为标准,即冷端温度T0,再对热量较高的另一端进行测量,即热端温度T。
本次设计所使用的是K型热电偶,它是目前使用量比较大的一种廉金属热电偶,它的工作原理是通过I/V转换,再结合线性放大,使其完成分时A/D转换,在转换完成后所输出的数字信号会传递给单片机,经由单片机进行计算,进而得到ROM地址,此时便可以进行二次查表,得出最终的温度值,该值会通过LED数码管来显示。
热电偶软件需要用到C语言、模块化设计来实现。
关键词:
热电偶冷端温度补偿89C51单片机线性化标度变换
Abstract
Thetemperaturemeasuringelementselectedforthisprojectdesignisathermocouple.ItusestheAT89C51single-chipmicrocomputerasthecorecomponentandmeasuresthroughtheAD590integratedtemperaturesensor.Thetemperatureatoneendis0°C,whichisthecoldendtemperatureT0Thenmeasuretheotherendwithhigherheat,namelythehotendtemperatureT.ThisdesignusesaK-typethermocouple,whichisacheapmetalthermocouplewithalargeamountofcurrentuse.ItsworkingprincipleisthroughI/Vconversion,combinedwithlinearamplificationtocompletetime-sharingA/Dconversion,aftertheconversioniscompleted,thedigitalsignaloutputwillbepassedtothesingle-chipmicrocomputer,andthencalculatedbythesingle-chipmicrocomputer,andthentheROMaddresscanbeobtained.Atthistime,asecondlookuptablecanbeperformedtoobtainthefinaltemperaturevalue,whichwillbepassedthroughtheLEDTubetodisplay.ThermocouplesoftwareneedstouseClanguage,modulardesigntoachieve.
Keywords:
Thermocouplecoldjunctiontemperaturecompensation89C51microcontrollerlinearscaletransformation
第一章绪论
1.1前言
温度作为一种常见的物理量,用来反映的是某物体的冷热程度。
而温度传感器的工作原理是自身特性会随着物体温度的变化而变化,进而反映出不同的温度测量值。
根据这一特性,可以发现生活中存在很多常见的适用于做温度传感器的材料,它们的特定也会随温度的改变而改变,如,水银温度计、气体温度计、电阻温度计、红外温度计、光学高温计、液体压力温度计、热电偶温度计等等。
在迈入21世纪以后,温度传感器正向着智能化的高科技方向发展,科研人员不断研究如何提高温度测量的安全性、准确性、标准化,另外,虚拟传感器以及网络传感器的开发也是一个重要的未来研究方向。
现阶段在接触式测温过程中,采用最多的热电式传感器是热电偶传感器,它在工业领域中应用也非常广泛。
它的优点是:
精准度高、测温范围广(-180℃-1800℃)、热惯性小、方便制造、信号输出方式还能进行远距离传输。
以下将要提到的是一个基于热电偶的温度测试系统的相关介绍。
核心设计部件是AT89C51单片机,工作原理是对冷端温度T0的测量采用集成温度传感器,而对热端温度T的测量则采用热电偶测温仪(镍铬-镍硅热电偶)。
该K型热电偶在接入电源时必须满足+12V和+5V的要求,具有LED显示功能。
该测温仪是经过一定的结构设计,并利用C语言编程的形式所写出的一个软件。
在实际运用当中,若是有时需要改动温度测量的范围,抑或是为检测出设备在开始测温前是否能正常工作,还可以将键盘加入到此设计中。
通常在工业领域的测量过程中,测量值往往会受到周围环境的影响,如噪音、电场、磁场等,使得实际测量值不准确。
因此,在设计软件时,可以针对这种情况,加入一组滤波程序的设计,即对采样信号经过多次测量并最终得到平滑加工过后的数据,以确保有用信号在采样过程中的相对准确性,尽量减少甚至是消除外界的干扰,保障系统能持续有效的工作。
分段直线拟合方法是本设计中运用到的一种有效测量方法,既能减少存储空间,还能提高测量的精度。
1.2国内外智能温度检测技术的发展
1.2.1国内外测温技术现状
随着社会的飞速发展,工业领域的温度检测技术也取得了很大进展,以下是目前最常采用的温度检测方法:
(1)利用物理学中的热胀冷缩原理,主要有以下三类温度计:
压力温度计、双金属温度计以及玻璃温度计。
(2)温度检测元件利用的是热电效应技术。
热电偶温度检测计就是根据这种技术制成的,它发展至今,已经成为一种最常用作温度检测的元件之一。
它还可以作为温度传感器的敏感元件,因其具备精度高、测量范围宽、制作简单以及热惯性小等优点。
(3)根据热阻效应技术所做成的温度计:
电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。
(4)高温计采用的热辐射原理,即不同性质的物体在吸收热辐射后,会产生反射、透射或是吸收的物理作用。
像这样常见的两种热辐射高温计是:
单色辐射高温计、全辐射高温计。
1.2.2温度检测技术在国内外的发展
现阶段工业生产技术得到了质的飞跃,生产效率也大大提升,机器自动化设备也越来越先进,在此背景下,对应用在工业领域里面的温度检测技术也提出了更高的要求,概括如下:
(1)提高温度检测范围。
-200℃到30000℃是目前工业上普遍采用的一个温度检测范围标准,要求未来实现对超高温与超低温的测量。
(2)拓展测温的广度。
要求未来的温度检测技术不应仅限于对点的测温上,还应延申在线、面以及对立体的测量上。
除开在工业领域有广泛应用外,应用领域还拓展到了家用电器、汽车工业以及航天工业等。
(3)开发新产品。
在老的检测技术前提下,再开发出新型产品,以满足不同场合、不同工业实际情况的发展需求。
另外,也应充分利用起新的检测技术以实现新产品的开发。
(4)测温器必须满足特殊环境的适应性。
由于测量场合的不同,会使得必须采用相对应的特殊温度检测器,如防爆、防震动等要求,另外还有测量高速旋转物体、火焰等的温度。
(5)数字化呈现方式。
将温度测量仪的测量值以数字化形式显示出来,方便人们更加直观地获得测量结果,另外又因其准确性高、分辨率好的特点,使得其具备很强的实用性。
(6)自动化标定技术。
在计算机技术的应用前提下,能够准确、快捷地自动标定出温度检测器。
1.3课题研究内容
本文介绍一个基于热电偶的温度测试系统,本设计是以AT89C51单片机为核心,由AD590集成温度传感器测量冷端温度T0,由热电偶测量热端温度T。
该热电偶采用K型热电偶(镍铬-镍硅热电偶)。
使用+12V和+5V电源。
采用4位共阴极LED显示。
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。
主要研究以下课题涉及内容:
(1)选用热电偶的结构、测温原理、冷端温度补偿
(2)单片机接口选用AT89C51、温度传感器接口选用AD590
(3)对整体电路进行系统性的设计
(4)C语言编写子程序:
A/D转换子程序、软件主程序、显示子程序等
(5)调试软件系统和硬件
第二章整体方案设计
2.1设计原则
单片机系统主要体现出以下几方面的特点:
可靠性高、操作维护方便、性价比高等。
(1)可靠性
在应用单片机系统时必须满足可靠性这一重要前提,它也是在系统设计中必须遵循的一个重要准则。
以下是为提高单片机系统的可靠性所提出的几点可行性方向:
增加系统自诊断功能、考虑高可靠性的元件、提高供电电源的抗干扰能力、采用输入与输出通道的抗干扰措施等等。
(2)操作维护
在设计硬件和软件系统时,需要从操作者以及维护的角度出发,以低操作性来满足对操作人的基本专业需求,也为更好推广此系统创造了有利前提。
所以在设计过程中,应不断简化操作方法与内置系统,减少人与机器交互的动机。
(3)价格性能
除了小尺寸和低能耗外,它还具有高性价比的优点,这也是单片机系统之所以能在工业中被广泛采用的一个重要原因。
因此,在对其进行设计时,既要保证单片机系统的高性能,还要尽可能地使成本降低。
比如,在保障系统功能性的前提下,对外围硬件电路进行简化,尽量采用软件以替代硬件的相关功能。
2.2整体设计思路
整体设计思路是:
先测量出热端的温度T,再用集成温度传感器测量出冷端温度T0,然后进行温度补偿操作,随后将从热端和冷端测出的温度值进行I/V转换和线性放大。
再采用A/D的形式将这两端信号分时进行转换,最后再输送到单片机进行处理,通过系统运算之后,得出热电偶测得的实际温度值,再显示在LED数码管上。
2.3整体设计框图
冷端温度T0经由AD590集成温度传感器测量得出,热端温度T则由热电偶测量得出。
然后再对两者进行转换和放大后,进入分时模数转换系统,经过A/D转换后的信号再输送到单片机模块,再进行运用处理,得到ROM地址,从而得出测量的实际温度值,最终显示再显示在4位共阴极的LED数码管上。
见图1
图2-1整体设计框图
第三章系统的硬件电路设计
该系统所应用到的硬件电路模块涵盖了核心组成部分单片机、冷端补偿以及热端电路等模块。
3.1单片机模块
本次课题所用的AT89C51单片机,其主要性能标准如下所示:
·能够与MCS-51系列单片机兼容
·是一种自带4k字节的能够进行编程的FLASH存储器
·寿命:
1000写/擦循环
·数据存储的时间能够保留至少10年
·全静态操作模式下工作频率范围在0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·16位的可编程定时器有两个
·5个中断源
·可编程串行通道
·闲置模式下功率消耗较低
·片内振荡器和时钟电路
如下图2及表1所示,为AD89C51单片机的封装及管脚详细参数说明:
图2AD89C51单片机DIP封装及管脚图
名称
管脚
类型
功能
Vss
20
I
地
Vcc
40
I
电源:
提供掉电空闲正常工作电压
P0.0-0.7
39-32
I/O
P0口:
P0口是开漏双向口,可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入。
P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节,在访问外部数据存储器时作数据总线,此时通过内部强上拉输出1。
P1.0-1.7
1-8
I/O
P1口:
P1口是能够带动内部实现向上拉的一个双向I/O口,当在该口写入1,便会带动接口向上拉,是高电平输入口。
而当期用作输入脚,P1口则会产生输出电流。
P1口第2功能:
T2(P1.0):
定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出。
T2EX(P1.1):
定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制。
P2.0-2.7
21-28
I/O
P2口:
P2口是带内部上拉的双向I/O口,向P2口写入1时,P2口被内部上拉为高电平,可用作输入口。
当作为输入脚时,被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性)。
在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址(MOVX@DPTR),此时通过内部强上拉传送1。
当使用8位寻址方式(MOV@Ri)访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。
P3.0-3.7
10-17
I/O
P3口:
P3口是带内部上拉的双向I/O口,向P3口写入1时,P3口被内部上拉为高电平,可用作输入口。
当作为输入脚时,被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性)。
P3口还具有以下特殊功能:
RxD(p3.0):
串行输入口
TxD(P3.1):
串行输出口
INT0(P3.2):
外部中断0
INT1(P3.3):
外部中断
T0(P3.4):
定时器0外部输入
T1(P3.5):
定时器1外部输入
WR(P3.6):
外部数据存储器写信号
RD(P3.7):
外部数据存储器读信号
RST
9
I
复位:
当晶振在运行中,只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位,内部有扩散电阻连接到Vss,仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。
PSEN
29
O
程序存储使能:
当执行外部程序存储器代码时,PSEN每个机器周期被激活两次,在访问外部数据存储器时PSEN无效,访问内部程序存储器时PSEN无效。
XTAL1
19
I
晶体1:
反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入
XTAL2
18
O
晶体2:
反相振荡放大器输出
EA/Vpp
31
I
外部寻址使能/编程电压:
在访问整个外部程序存储器时,EA必须外部置低。
如果EA为高时,将执行内部程序,除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址。
该引脚在对FLASH编程时接5V/12V编程电压(Vpp)。
如果保密位1已编程,EA在复位时由内部锁存。
ALE
30
O
地址锁存使能:
在访问外部存储器时,输出脉冲锁存地址的低字节,在正常情况下,ALE输出信号恒定为1/6振荡频率。
并可用作外部时钟或定时,注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略。
ALE可以通过置位SFR的auxlilary.0禁止,置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。
表1AD89C51单片机管脚说明
A/D转换器采用的是极少使用的BCD码输出方式,其中2-1~2-8口并未采用总线控制方式。
所以,该单片机在与其连接时,只能通过I/O口或是其扩展接口来达到连接目的。
如图3所示
图3A/D芯片与单片机连接图
EOC代表的是在转换完成后的一种输出信号。
通过89C51可以对转换结果进行读取,其读取方式有两种,一种是中断方式读取,通过将EOC端与89C51外部输入端
或
相连;另一种是查询方式读取,此时可以将EOC端直接与任何一条I/O口进行连接。
3.2冷端采集和补偿电路模块
冷端补偿主要是通过AD590温度传感器来进行温度采集,并与补偿电路相连从而获得温度补偿,如图4
图4冷端采集和补偿电路
3.2.1AD590介绍
AD590是由美国ANALOGDEVICES公司开发的一种温度传感器,它所产生的电流是与绝度温度之间能够构成比例关系。
当电压满足4~30V时,该传感器便可以看作成电阻值比较大、电流恒稳的一种调节器。
所以此时它有两方面特性,既有温度传感器自身有的特点,同时也有恒流源的主要特性,用它来进行温度测量,误差范围比较小,而且响应速度非常快,能够实现远距离传输,功率消耗比较低,自身体积也非常小等等,所以该器件比较适合距离较远的温度测量。
其重要特性包括:
(1)该器件温度下的电流(单位为μA)与当前环境中其热力学温度的关系如下:
(1)
上述表达式中,Ir则代表该器件所经过的电流;T则代表热力学温度,单位用K来表示。
(2)AD590温度测量范围在-55℃~+150℃之间;
(3)AD590所处电压环境应该控制在4~30V内,这样才能达到正、反向电压所需的电压标准,以防器件在反接是发生损害;
(4)其电阻输出值710mΩ;
(5)其测温精准度非常高,仅有±0.3℃左右的误差。
功能特性包括:
AD590用到了非常精密的激光集成修正,内部电路设计结构可参考3.1。
该结构中,所使用的芯片R1、R2电阻便是应用到了激光修正校准,在该方法下,能够使得+25℃环境下的所能够输出的电流刚好是298.2uA。
在晶体管VT8和VT11电路中能够使其电压与热力学温度达到正比例关系。
然后再借助R5,R6电阻便可以将产生的电压信号向微电流方向实现转换。
同时,为了使得温度有一个比较好的保持效果,也将使用到激光修正,使R5和R6电阻所构成的温度系数达到最小。
与此同时,R5,R6电阻需要在温度为+25℃条件下完成校准。
AD590相当于是一个电阻值非常大的恒流源,等效于一个高阻抗的恒流源,它的阻抗输出值大于10M,这样有利于降低因电源电压不稳定而造成的误差。
例如,当电压值从5V上升至10V时,这时电流变化率也仅在1uA左右,实际温度测量误差则仅为1℃。
综上所述,本次电流温度系数K1其表达关系式如下所示:
K1=㏑8
(2)
图5AD590内部电路
从上述可以看出,所输出的电流值便等效于被测温值。
经过热力学温标(K)与摄氏温标(℃)之间进行换算,可以得到公式(3):
(3)
综上探讨,由于AD590测量精度比较大,而且成本低廉,体积小,无需借助辅助电源等优良特性,使其实际适用范围较广。
外部存储器
电路
JTAG接口
GPIO接口
CAN总线接口
电源电路
RS232串口
RTL8019AS以太网接口电路
LPC2290
(ARM7TDMI-S)
I2C总线
矩阵键盘电路
彩色液晶屏
外部存储器
电路
JTAG接口
GPIO接口
CAN总线接口
电源电路
RS232串口
RTL8019AS以太网接口电路
LPC2290
(ARM7TDMI-S)
I2C总线
矩阵键盘电路
彩色液晶屏
3.2.2冷端采集和补偿电路分析
单片集成两端感温电流源在工作中,具备很好的抗干扰性,对于功率的要求也不多。
其输出电流从绝对温度开始,若提高一摄氏度,就能够增多一微毫安的输出值,因而能够保持在室温为二十五摄氏度时候,它的输出电流可以达到298μA。
然后可以由补偿电路完成剩下的工作。
1、该单片集成两端感温电流源的输出端电流值按照(273+当前摄氏温度数)μA单位来工作,因而测试中的电压大小即为(2.73+当前摄氏温度数/100)伏的工作量来工作。
在整个工作中可以使用电压跟随器来实现输出电压值同输入电压值一致的电压,这样设置既能够保证电压的测试,同时还能够使得电流不被分流。
2、因为电源供应器件需要做个限定,否则供应太多会带来很多杂波,由此可以借用稳压元件解决这类问题,然后使用可变电阻实现分压效果,这样一来就能将输出电压调整到2.73伏。
3、紧接着的工作就是运用差动放大器,然后使得输出电压变为(当前摄氏温度数)/10,若目前的温度测量为28摄氏度,那么输出电压即为2.8伏,接着转接AD转换器,进行转换后,可得输出的电压数字与摄氏温度数值呈现出线性关系。
需要注意的事项:
1、电压值应该以当前输入电流值乘以10K,若室内温度为25摄氏度,那么输出电压即为2.98伏;
2、若需要测量电压之时,不能让电流分流,不然测试结果不准确。
3.3热端放大电路模块
测温仪的工作端,整体电路图按照放大效果可用图6来表示。
工作端将连接到INP接口处,接着会被电路对其进行放大。
图6热端放大调理电路
这套系统中的温度传感器,其热导能力一般情况下均为在一百摄氏度以内进行不同的测试,而且在确保一定的测量精度条件下,能够实现对于温度传感软件在每五摄氏度分一个阶段,同时能够实现对小数点后2位的温度管理。
硬件调理电路将会择取K型热电偶,将其置于一百摄氏度下,产生4.095mv热电势,通过放大设备处理后,实现5伏的电压电势后,转输给模数转换器装置。
这里的转输需要将电势放大一千二百多倍,因此在放大器的选择上,可以考虑MC33078,由于其高精度特性,还能够实现较好的两极放大效果,因此是个不错的选择。
该放大器不仅具有普通放大器的特性,还能够实现高增益性,同时兼具失调小等多项优点。
主要是因为其很好的运用了动态校零技术,以此减少了失调或者位移,因而很多时候会被使用到热电偶这样的弱信号电路环境下。
3.3.1K型热电偶介绍
通常所说的K型热电偶,主要用途为温度传感器。
往往要结合显示仪表、记录仪表及电子调节器一起来使用。
该类热电偶能够在生产中,直接对环境中的零摄氏度到一千三百摄氏度之间的蒸汽、固体等表面温度进行测试。
它是现今使用数量最大的热电偶,其使用数量比其他各类电偶数量的总和还多,其直径通常在1.2mm~4.0mm之间。
测温原理
电热偶需要具备电热偶、链接导线、显示仪基础结构。
下面即为简洁形式下的电热偶结构图。
图-7热电偶测温原理图
根据上图所示,若热电偶的热端对其不断加热,以此使得冷端及热端出现明显不一样的温度,那么热电偶整体系统中就有明显的热电势,也就是通常所谓的热电效应。
以此能够在回路中发展出温差及接触电势两个结构。
所谓接触电势,主要出现在不同电子密度的导体作用下产生的热电势。
若不一样的导体有A、B,当它们相互接触后,若两类导体的电子密度计数为Na、Nb,同时具有Na>Nb,那么它们的接触面上就会出现两个不同方向上的扩散效果。
若A上扩散到B上的电子数要更多一些,那么A会出现带正电的效果,B则出现负电性。
由此,这种接触面会成为一种静电场,以此能够逐渐减少扩散的继续,而且还会继续加快电子向两类不同方向运动的效果,最后B的电子逐渐运往A上,以至于最终能够实现平衡。
这个期间,会使得A、B间具备电位差,也就是接触电势。
此类电势仅仅同两类导体接触点温效有关,若导体材料确定,接触电势的高低仅仅取决于此点的温度高低。
若此点温度较高,那么会使得到体内的电子活跃度较高,使得A扩散到B的机会就会更多,接触面上会形成较为大的电势差。
特征:
①精确度高。
主要是因为其能够很好避免外界干扰,直接与被测物体关联。
②范围广。
用到的电热偶测试范围较大,通常的范围之外,对于特殊的最低点或者最高点材料测试范围都能触及(如钨-铼)。
③结构简洁。
一般可以运用两类不一样的金属材质来组合,不需要考虑各种范围的限制,使用起来较为便捷。
3.4A/D转换模块
该芯片转置本质为一类八路模拟输入的,同时需要多次比较输出的模数转换器,因为价格不算太高,同时还能够使得单片的借口、操作实现起来比较容易,现如今在8位系统中适用率较高。
片内具备八路模拟开关、地址锁存、译码器等基本结构,详细结构见图-8。
图-8ADC0809引脚接口
以上的引脚线具有如下特点:
1、2-8—2-1主要完成数据的三态输出端口,所对应的边为模拟输入端口;
2、A1-A3作为地址译码信息输入的端口,能够运用八路模拟量来模拟输入信息;
3、运用5根准换逻辑线以此控制输入信息:
START:
主要是模数转换进行输入的起始点,能够对信号进行选择;
EOC:
对应于起始端,此处为结束端口,能够实现对信息的截断操作;
ALE:
是地址存储端,能够实现多路开关的切换操作;
O.E:
能够进行信号输出,以此启动三态
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