智能热电偶测温系统设计大学论文.docx

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智能热电偶测温系统设计大学论文

摘要

温度是表征物体冷热程度的物理量。

在工农业生产和日常生活中，对温度的测量控制始终占据着重要地位。

温度传感器应用范围之广、使用数量之大，也高居各类传感器之首。

本文使用温度传感器设计了一个完整的测温系统。

该系统所采用的温度传感器为热电偶，A/D转换器件为ADC0809，微型计算机采用的是MCS-51单片机。

系统将温度变换、显示和控制集成于一体，用软件实现系统升、降温的调节，控制采用了模糊控制原理对系统进行控制。

设计的系统所满足的技术指标：

测温范围为500—800℃，响应时间为小于等于1s，误差范围为-5℃—+5℃。

关键词：

热电偶A/D转换模糊控制

ABSTRACT

Temperatureisthephysicalquantityofsymptomobjectcoldhotlevel.Inthedailylifeandproductionofindustryandagriculture,occupyimportantpositionallalongforthemeasurecontroloftemperature.Temperaturesensorapplicationbroadscopeandusebigquantity,alsoholdtheheadofeachkindofsensorhigh.

Thispaperusestemperaturesensorandhasdesigned,isaandcompletetomeasurewarmsystem.Thetemperaturesensoradoptedbythissystemisthermocouple,theconverterofA/DisADC0809,whatpersonalcomputeradoptisthatMCS-51onlyflatmachine.Systemalternatestemperature,showsandcontrolstobemoreintegratedthanonebody,realizessystemwithsoftwaretorise,cooldownregulation,controlhasadoptedvaguecontrolprincipleassystemcontrols.

Thetechnicalindexofdesignsatisfiedbysystem:

Measurewarmscopeis500—800℃,respondtimetobesmallerthanisequalto1s,scopeiserror-5℃—+5℃.

Keyword:

ThermocoupleConversionofA/DVaguetocontrol

第一章绪论

检测与传感是实现单片机控制的关键环节，它与信息系统的输入端相连，并将检测的信号输送到信息处理部分，是单片机控制系统的感受器官。

在科学实验和生产实际中，很多物体和现象具有明显和稳定的数量特征，我们可以通过测量和计算，确定该量的大小，并用数字给出结果，还有一些物体特征数量较少，或某些现象不十分明显，常常被很多其他量或现象所掩盖，能否检出这些被掩盖量的存在，进而得出这些量的大小数值，都需要传感和检测技术。

在科学技术的研究、工业生产应用的过程中，对这些量不仅要进行测量，而且要对其进行控制、变换、传输、显示等。

在实践的过程中，人们逐步认识到电量具有易测等许多优点，而且大多非电量可以精确的转化为电量，这就是所谓的非电量测量技术。

在单片机控制系统中信号检测主要就是应用这种非电量测量技术。

本文就是采用了非电量测量技术，用热电偶将温度这一非电量转化为电量，在通过信号调理电路对输出信号进行放大、滤波，并送A/D转换，最后送单片机处理并实现对后续电路的控制。

在加热过程中，我们采用了可控硅调压控制的方案，因为可控硅控制方法简单，元件的性能可靠，使用时不易损坏，且成本较低，故在设计中采用了可控硅元件进行调压。

加热对象为电阻性元件（如碳棒等）。

由于被控对象是温度，且恒温箱体的热容量大，热惯性大，在加热过程中容易产生超调和震荡现象，控制精度难以实现。

本设计采用模糊控制的方法，不仅控制程序较为简单，而且能达到较好的控制效果。

第二章系统设计

该系统的基本组成如图2.1所示。

图2.1系统原理框图

如上图所示，本系统由传感器、放大器、滤波器、A/D转换电路、单片机及键盘和显示电路组成。

温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数的测量间接的获得。

温度传感器的基本工作原理正是利用了这一性质。

随着科学技术的发展，现已开发出种类繁多的温度传感器。

常用的温度传感器由P-N结温度传感器、热敏电阻温度传感器、集成温度传感器、热电阻及热电偶温度传感器等。

其中，P-N结温度传感器有较好的线性度，热时间常数约0.2s～2s,灵敏度高，其测温范围为-50℃～+50℃。

其温度与压降的关系如图（2.2）所示。

这种温度传感器的缺点是，同一型号的二极管或三极管的特性不一致。

热敏电阻是电阻式传感器。

它利用阻值随温度变化的特性来测量温度。

一般把由金属氧化物陶瓷半导体材料经成型、烧结等工艺制成的测温元件叫做热敏电阻。

热敏电阻的非线性严重，稳定性差，不可用于精确测量，主要用于电路温度补偿和保护。

集成温度传感器实质上是一种集成电路。

它的线性好、灵敏度高、体积小、使用方便，但其测温范围窄，只可测180℃以下的温度。

图2.2二极管的V-T特性

热电阻的基本材料有铂、铜和镍，其阻值随温度的升高而增大。

其中铂电阻有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽，为-200～600℃，但价格高。

铜电阻测温范围窄，为-50～+150℃。

热电偶测温范围宽，一般为-50～+1600℃，最高的可达2800℃，并且有较好的测量精度。

另外，热电偶已标准化，系列化，易于选用，可以方便的用计算机做非线性补偿，因此应用很广泛。

因为该系统测温范围为500～800℃，所以经比较采用热电偶作为温度传感器。

热电偶使用时用二极管构成温度补偿电路，二极管的线性度好，且用这种方法构成的补偿电路与以往电路比较，性价比高。

热电偶的输出信号较小，所以放大器选用低失调低漂移运放OP-07，组成增益可调的差动结构。

该差动结构一方面用于放大热电偶的输出信号，另一方面用于与二极管构成的温度补偿电路的输出值相减。

因为热电偶的输出信号小，所以有一点干扰也会对输出产生很大影响。

该系统的干扰主要以50HZ及其以上的频率的干扰为主，所以采用两级低通滤波器滤除干扰。

滤波器用的是有源低通滤波，其转折频率为10HZ。

系统的设计指标要求测量精度在-5V～+5V范围内，响应速度为小于等于1mS。

ADC0809为逐次逼近式A/D转换器，转换精度约为1/256，转换速度约为120uS，所以选用ADC0809完全可以满足系统要求。

通过单片机完成键盘控制、显示及对加热系统的控制。

键盘采用4*4矩阵式键盘，用四个数码管显示温度值，采用动态显示。

对加热装置的控制通过单片机控制可控硅的导通角来完成。

因为可控硅控制方法简单、性能可靠、不易损坏且成本较低，故在设计中采用了可控硅元件进行调压来控制加热，加热对象为电阻性元件（如碳棒等）。

控制原理采用模糊控制，因为被控对象是温度，且恒温箱体的热容量大，热惯性大，在加热过程中容易产生超调和震荡现象，控制精度难以实现。

本设计采用模糊控制的方法，不仅控制程序较为简单，而且能达到较好的控制效果。

第三章硬件结构及分析

3.1温度检测元件—热电偶

3.1.1热电偶的特性

基于热电效应原理工作的传感器称为热电偶传感器，简称热电偶。

热电偶的测温范围宽，一般为－50℃～+1600℃，最高的可达2800℃。

并且有较好的测量精度。

另外，热电偶已标准化，产品系列化，易于选用，可以用模拟法调整电路或仪表，也可以方便地用计算机作非线性补偿，因此它是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器。

如图3.1所示，两种导体（或半导体）A或B的两端分别焊接或绞接在一起，形成一个闭合回路。

若两个接点处于不同的温度，导体A和B的电子的逸出电位不同（即逸出功不同），电子密度不同，因而在他们的接触面处电子向对面流出的量不同，一面有多余电子，另一面缺少电子，便产生接触电动势（称为热电势），在回路中产生电流。

图中导体（或半导体）A和B称为热电极，它们组成热电偶AB。

测温时接点

（1）置于被测温度场中，称测温端（或工作端，热端）；接点

（2）一般处于某一恒定温度，称参考端（或自由端，冷端）。

图3.1热电效应示意图

热电偶产生的热电势与两个电极的材料及两个接点的温度有关，由单一导体的温差电势和两种导体的接触电势组成，通常写成。

温差电势是指一根匀质的金属导体，当两端的温度不同时，其内部产生的电动势。

温差电势的形成是由于导体内高温端自由电子的动能比低温端自由电子的动能大。

这样，高温端自由电子的扩散速率比低温端自由电子的扩散速率大，使得高温端因失去一些电子而带正电，低温端因得到一些电子而带负电，从而两端形成一定的电位差。

根据物理学推导，当导体A两端的温度分别为T，时，温差电势可由下式表示

（3-1）

式中

——导体A的温差系数。

同理导体B的温差电势为

（3-2）

当A，B两种金属接触在一起时，由于两种金属导体内自由电子密度不同，再结点处就会发生电子迁移扩散，若金属A的电子密度大于金属B的电子密度，则由金属A扩散到金属B的电子数要比从金属B扩散到金属A的电子数多。

这样，金属A因失去电子而带正电，金属B因得到电子而带负电，于是在接触面处形成电场。

此电场将阻止电子由金属A进一步向金属B扩散，直到扩散作用与电场的阻止作用相等时，这过程便处于动态平衡。

此时，在A，B两金属的接触面形成一个稳定的电位差，这就是接触电势。

接触电势写成，表示它的大小与两金属的材料有关，也与接触面处的温度有关。

由物理学推导，接触电势的表达式为

（3-3）

式中

K——波尔兹是常数；

T——接触处的绝对温度；

e——电子电荷量；

，——分别为金属A，B的自由电子密度；

对于图3.1所示的由A和B两种导体构成的热电偶回路，热端和冷端温度分别为T，时，其总热电势用表示，它等于整个回路中各接触电势与各温差电势的代数和。

即

（3-4）

上式右边第一项称接触电势，第二项称温差电势，接触电势一般大于温差电势。

由上式可见，如果A和B两导体的材料相同，即=，=，即使两端温度T，不同，总电势也为0，因此热电偶必须用两种不同成分的材料作热电极。

此外，如果热电偶的两电极材料不同，但热电偶的两端温度相同，即T=，总的热电势也为0。

3.1.2热电偶的基本定律

一、中间导体定律

在实际应用热电偶测量温度时，必须在热电偶回路中接入测量热电势的仪表。

热电偶回路中接入测量仪表和连接导线相当于热电偶回路中接入第三种导体。

可以证明：

“在热电偶回路中接入第三种导体后，只要第三种导体两端的温度相同，就不会影响热电偶回路的总热电势。

”这就是热电偶的中间导体定律。

根据中间导体定律，我们可以在回路中引入各种仪表和连接导线，而不必担心会对热电势有影响。

同时也允许采用任意的焊接方式来焊制热电偶。

而且，应用这一定律，还可以采用开路热电偶测量液态金属和固体金属表面的温度。

利用这一原理时应特别注意热电偶和仪表的两连接端温度必须相等或极近似。

但在一般情况下，因热电偶的参比端都靠近被