热电偶测温系统标准设计.doc

任务书课程传感器课程设计题目热电偶测温系统设计关键内容：本系统以单片机为关键，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采样、放大、AD转换和对线性化处理数据转换，并在程序中采取修正后数据，实现热电偶线性化处理。基础要求：1、根据技术要求，提出自己设计方案（多个）并进行比较；2、利用热电偶和单片机等设计一个热电偶测温系统电路。3、说明所用传感器基础工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作原理、注明元器件选择参数、进行方案比较。关键参考资料：[1]崔志尚.温度计量和测试[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，.[3]陈杰，黄鸿.传感器和检测技术[M].北京:高等教育出版社，.[4]刘华东.单片机原理和应用[M].北京:电子工业出版社，.完成期限指导老师专业责任人5月7日摘要在现代化工业现场,常见热电偶测试高温,测试结果送至主控机。热电偶是工程上应用最广泛温度传感器之一，它含有结构简单、使用方便、正确度、热惯性小、稳定性及复现性好、温度测量范围宽等优点，适适用于信号远传、自动纪录和集中控制，在温度测量中占相关键地位。但因为热电偶热电势和温度呈非线性关系,所以必需对热电偶进行线性化处理以保持测试精度。该测温系统经过高精度模/数转换器AD7705对热电偶电动势进行采样、放大,并在单片机内采取一定算法实现对热电偶线性化处理,再经过数/模转换器AD421进行数/模转换产生4mA~20mA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、电路工作原理3五、单元电路设计、参数计算和器件选择31、单元电路设计42、参数计算53、器件选择6六、总结7参考文件8热电偶测温系统设计一、设计要求以单片机为关键，进行对系统控制和线性化算法运算，使A/D转换精度愈加好；在算法处理上，使用最好计算方法，使得线性化算法达成运算量小、处理速度快、占用内存小等要求，并使该系统能很好处理热电偶测试高温精度问题。二、设计方案及其特点本设计是基于STC89C52单片机硬件设计。对于系统可分为下面两种不一样设计方案：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，采取USB采集卡实现信号采集并传输给计算机。依据热电偶中间温度定律[1]，编制软件采取查表和曲线拟合进行非线性校正及冷端赔偿。利用LabVIEW数据存放、读取、分析函数，实现温度趋势曲线和统计直方图绘制[2]。本系统将滤波、非线性和冷端赔偿等功效由软件实现，简化了电路设计，提升了系统稳定性和测量精度，但成本较高。放大放大AD590USB数据采集卡计算机热电偶赔偿导线热端冷端图1方案一原理框图方案二：控制电路以单片机为中心，控制其它部分完成各自功效。其中模/数转换部分采取16位高精度AD转化器AD7705，采取自校准，提升其抗干扰能力和精度；数/模转换部分采取高精度DA转换器AD421，在电路设计上，采取光隔离，控制AD421完成其功效，AD421为16位高精度数/模转换器，它未来自单片机线性化处理后数据进行DA转化，产生4mA-20mA电流，送控制中心[3]。这种方案确保成本，采取了良好线性化算法，编程又采取可节省内存汇编语言，使得测量速度快，测量结果能满足工业标准要求。传感器AD7705A/D转换器STC89C52单片机AD421D/A转换器去4mA-20mA测量电路图2方案二原理框图2、方案论证从正确度来看，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。所以通常地说，需要稳定性好可选择方案一测量电路，若考虑便于和单片机接口连接，那么方案二测量电路就由其方便之处。所以本设计中选择方案二。三、传感器工作原理热电偶传感器工作原理：两种不一样成份导体两端接合成回路，当接合点温度不一样时，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，其中，直接用作测量介质温度一端叫做测量端，另一端叫做赔偿端；冷端和显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生热电势。图3所表示。赔偿端测量端Ｔ０Ａ电极Ｔ１Ｔ０Ｂ电极图3热电偶工作原理图热电偶测温基础原理是两种不一样成份材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流经过，此时两端之间就存在热电动势，这就是所谓塞贝克效应。两种不一样成份均质导体为热电极，温度较高一端为工作端，温度较低一端为自由端，自由端通常处于某个恒定温度下。依据热电动势和温度函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时条件下得到，不一样热电偶含有不一样分度表。