热电偶测温系统设计.docx

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，1998．
[2]赵茂泰.智能仪器原理及应用[M].北京:电子工业出版社，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
指导教师
专业负责人
2016年5月7日

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4mA~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

目录
TOC\o"1-2"\u一、设计要求 PAGEREF_Toc361750390\h1
二、设计方案及其特点 PAGEREF_Toc361750391\h1
1、方案说明 PAGEREF_Toc361750392\h1
2、方案论证 PAGEREF_Toc361750393\h2
三、传感器工作原理 PAGEREF_Toc361750394\h2
四、电路的工作原理 PAGEREF_Toc361750395\h3
五、单元电路设计、参数计算和器件选择 PAGEREF_Toc361750396\h3
1、单元电路设计 PAGEREF_Toc361750397\h4
2、参数计算 PAGEREF_Toc361750398\h5
3、器件选择 PAGEREF_Toc361750399\h6
六、总结 PAGEREF_Toc361750400\h7
参考文献 PAGEREF_Toc361750401\h8

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Ｋ型热电偶和集成温度传感器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。
放大
放大
AD590
USB数据
采集卡
计
算
机
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。

传感器
AD7705
A/D转换器
STC89C52
单片机
AD421
D/A转换器
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