基于单片机的热电偶测温系统Word下载.docx
- 文档编号:15864156
- 上传时间:2022-11-16
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:216.95KB
基于单片机的热电偶测温系统Word下载.docx
《基于单片机的热电偶测温系统Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机的热电偶测温系统Word下载.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
Keywords:
Thermocouple;
LTC2053amplifier;
ICL7109converter;
digital
1引言
随着人们生活水平的提高,人们对家用电子产品的智能化、多功能化提出了更高的要求,而电子技术的飞速发展使得单片机在各种家用电子产品领域中的应用越来越广泛。
把以单片机为核心,开发出来的各种测量及控制系统作为家用电子产品的一个组成部分嵌入其中,使其更具智能化、拥有更多功能、便于人们操作和使用,更具时代感,这是家用电子产品的发展方向和趋势所在。
有的家用电器领域要求增加显示、报警和自动诊断等功能。
这就要求我们的生产具有自动控制系统,自动控制主要是由计算机的离线控制和在线控制来实现的,离线应用包括利用计算机实现对控制系统总体的分析、设计、仿真及建模等工作;
在线应用就是以计算机代替常规的模拟或数字控制电路使控制系统“软化”,使计算机位于其中,并成为控制系统、测试系统及信号处理系统的一个组成部分,这类控制由于计算机要身处其中,因此对计算机有体积小、功耗低、价格廉以及控制功能强有很高的要求,为满足这些要求,应当使用单片机。
2热电偶测温原理
2.1热电效应
将两种不同成分的导体组成一闭合回路,如图1所示。
图1
当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时,回路中将产生一个电势,该电势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关,这种现象称为“热电效应”。
2.2接触电势
A和B两种不同材料的导体接触时,由于电子的扩散运动,A与B两导体的接触处产生了电位差,称为接触电势。
接触电势的大小与导体材料、接点的温度有关,与导体的直径、长度及几何形状无关。
对于温度分别为t和t0的两接点,可得下列接触电势公式:
(温度为t时的接触电势,温度为t0时的接触电势)
eAB(T0)=UAt0-UBt0
2.3温差电动势
将某一导体两端分别置于不同的温度场t、t0中,在导体内部,热端自由电子具有较大的动能,向冷端移动,这样,导体两端便产生了电势,这个电势称为温差电势。
导体A、B在两端温度分别为t和t0时形成的电势
eA(t,t0)=UAt–UAt0
eB(t,t0)=UBt–UBt0
2.4热电偶的电势
将由A和B组成的热电偶的两接点分别放在t和t0中,热电耦的电势为:
EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)-eA(t,t0)-eB(t,t0)
由于接触电势比温差电势大的多,可将温差电势忽略掉,则热电偶的电势为
EAB(t,t0)=eAB(T)-eAB(T0)
(AB的顺序表示电势的方向;
当改变脚注的顺序时,电势前面的符号(正、负号)也应随之改变)
综上所述,可以得出以下结论:
热电偶热电势的大小,只与组成热电偶的材料和两接点的温度有关,而与热电偶的形状尺寸无关,当热电偶两电极材料固定后,热电势便是两接点电势差。
2.5热电偶的基本定律
1.均质导体定律
如果热电偶中的两个热电极材料相同,无论接点的温度如何,热电势为零。
2.中间导体定律
在热电偶中接入第三种导体,只要第三种导体的两接点温度相同,则热电偶的热电势不变。
图2
在热电偶中接入第三种导体C,设导体A与B接点处的温度为t,A与C、B与C两接点处的温度为t0,则回路中的热电势为:
热电偶的这种性质可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器,也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面测量。
3.标准电极定律
如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知,则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电势也就已知。
图3
如图所示,导体A、B分别与标准电极C组成热电偶,若它们所产生的热电势也就已知,即
那么,导体A与B组成的热电偶的热电势为:
4.中间温度定律
热电偶在两接点温度分别为t、t0时的热电势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0相应热电势的代数和;
即
中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据,其等效示意图如图所示。
图4
3冷端补偿与放大电路
图6是热电偶放大电路。
电路中,LTC2053是仪用放大器,它为低功率仪器产品提供了一个极好的平台,例如,电池供电的热电偶放大电路等。
由于采用了与开关电容的组合以及零漂移运算放大器的工艺,因此,LTC2053的输入偏移电压最大为10μV,共模抑制比CMRR和电源抑制比PSRR达到116dB。
最理想的工作电源采用低电压2.7V到11V的单电源或±
5V的双电源,另外,由于消耗电流非常低,典型值为85μpA,因此,应用于电池供电的放大器非常理想。
调节R1、RP1和R2可方便对电路增益进行编程。
作为热电偶放大器必须满足一些特殊要求,通常采用的K型热电偶的灵敏度为40.6μ℃,而电路的输出一般要求为10mV/℃,因此,要选用额定增益为246的精密放大器。
另外,热电偶一般容易受到工业环境中电子噪声的影晌,因此,仪用放大器允许输入不同的电压有助于消除由于共模噪声引起的误差。
为了避免出故障,采取的保护措施是不能让热电偶无意识地接触到瞬变电源或高电压,但保护措施不能兼顾到精度。
LTC2053有满足这些要求的补偿特性,它在任何引脚上都可以承受10mA的故障电流,因此,在不损坏集成芯片的情况下,10kΩ(R4和R5)保护电阻允许承受±
100V故障电压。
本模块包括电压式温度传感器TMP35和K型热电偶。
其中热电偶的工作原理是根据热端和冷端的温度差而产生电势差。
由于实际测量时,冷端的温度往往不是O℃,所以要对热电偶进行温度补偿。
热电偶温度补偿公式如下:
E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)
其中,E(t0,0)是实际测量的电动势,t代表热端温度,t0代表冷端温度,0代表O℃。
在现场温度测量中,由于热电偶冷端温度一般不为O℃,而是在一定范围内变化着,因此测得的热电势为E(t,t0)。
如果要测得真实的被测温度所对应的热电势E(t,0),就必须补偿冷端不是0℃所需的补偿电势E(t0,0),而且,该补偿电势随冷端温度变化的特性必须与热电偶的热电特性相一致,这样才能获得最佳补偿效果。
图5所示是一个温度补偿电路的原理图。
图中,温度传感器TMP35很好的完成了温度补偿工作,TMP35输出的电压先经电阻分压,再经放大器放大,就是K型热电偶对应的E(t0,O)。
图5温度补偿
图6放大电路
电路中LTC1025对热电偶进行温度补偿,确保在各种环境条件下温度的测量精度,并要靠近热电偶的节点安装,以便对温度进行最佳的跟踪。
LTC1025对不同的环境温度输出相应的电压,输出灵敏度为10mV/℃,因此,0℃时输出电压为10mV,室温(25℃)时输出250mV。
测量探头温度相应的电压是补偿电压和被放大的热电偶电压之和,补偿电路的输出端与LTC2053的REF(5脚)输入端连接的所有这一切都要加上这两种电压。
对于这种电路结构,考虑的仅是校正的电压必需能供出或吸收反馈电阻中电流。
由于,LTC1025只供出电流,因此,可采用缓冲器LTC2050驱动REF,LTC2050是一种零漂移的运算放大器。
采用单电源的缺点是,对于有效的输出探头和放大器单元的温度都必须超过0℃。
若需要对负温度进行调节的话,可采用简单的充电泵变换器,例如LTC1046构成负电源。
在常规的线性电源应用中,只要所有热电偶都连接上LTC1025进行热跟踪,可以采用单个LTCl025和缓冲放大器去修正LTC2053热电偶放大器的不同通道。
由于LTC2053工作于采样的输入信号,因此,感兴趣的频率一般低于几百Hz,这样,在反馈电路中增设0.1μF电容C1就可以加速放大器的响应。
接在热电偶输入网络的电容C2和C3有助于吸收射频干扰及抑制在热电偶探头出现的采样干扰。
接在热电偶中的电阻R6~R9提供高阻抗偏置,这样在探头无电压降的情况下使其抗干扰性达到最大。
短的热电偶使共模信号最小,探头节点可以接地。
5.1V的稳压管VD1构成电源保护电路,即防止电源出现过电压以及6V电池的极性接反,R3是限流电阻。
4A/D转换电路
ICL7109是美国Intersil公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。
由于目前逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格都很高,在要求速度不太高的场合,如用于称重,测压力等各种高精度测量系统时,可以采用廉价的双积分式高精度A/D转换器ICL7109。
ICL7109最大的特点是其数据输出为12位二进制数,并配有较强的接口功能,能方便的与各种微处理器相连。
图7ICL7109引脚图
图8ICL7109与单片机的接线图
5最小系统电路
图9最小系统图
6键盘电路与报警电路
6.1矩阵式键盘按键的识别
当非编码键盘的按键较多时,若采用独立式键盘占用I/O口线太多,此时可采用矩阵式键盘,键盘上的键按行列构成矩阵,在行列的交点上都对应有一个键。
行列方式是用m条I/O线组成行输入口,用n条I/O线组成列输出口,在行列线的每一个交点处,设置一个按键,组成一个mxn的矩阵,如图10所示,矩阵键盘所需的连线数为行数+列数,如4×
4的16键矩阵键盘需要8条线与单片机相连,—般键盘的按键越多,这种键盘占I/O口线少的优点就越明显,因此,在单片机应用系统较为常见。
图10
矩阵式键盘识别按键的方法有两种:
一是行扫描法,二是线反转法。
这里只说明一下第一种情况,行扫描法:
先令列线Y0为低电平(0),其余3根列线Y1、Y2、Y3都为高电平,读行线状态。
如果X0、X1、X2、X3都为高电平,则Y0这一列上没有键闭合,如果读出的行线状态不全为高电平,则为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态;
如果Y0这一列上没有键闭合,接着
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 单片机 热电偶 测温 系统