基于K型热电偶的温度测量系统设计毕业论文.docx

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基于K型热电偶的温度测量系统设计毕业论文

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基于K型热电偶的温度测量系统设计

摘要：

K型热电偶不接触被测物中，目的是避免热平衡状态的变化，测量的敏感，响应速度快，良好的响应特性，常用于检测1000℃以上运动中的高温物体。

该测温系统结合单片机，设计以K型热电偶为温度传感器的温度测量系统。

其测量系统的测量温度可以分为三个档位，分别是高温档（500℃以上）中温档（100-500℃）低温档（100℃以下），使用前先预估待测物体温度选择合适的档位测量以提升测量精度。

通过温度传感器DS18B20在STM32L476芯片控制下进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度。

关键词：

单片机；热电偶；温度测量系统

DesignoftemperaturemeasurementsystembasedonK-typethermocouple

Abstract：

Non-contacttemperaturemeasurementwillnotbeincontactwiththemeasuredobject.Itavoidschangingthethermalequilibriumstateoftheobject.Itissensitivewhenmeasuring.Theresponsespeedisfastandtheresponsecharacteristicsaregood.Itisusuallyusedtodetecthightemperatureobjectsinthemovementof1000°Candabove.Thistextcombinestheadvantageoftheone-chipcomputer,designbasedon51one-chipcomputernon-contacttemperaturemeasurementsystem.Basedon51single-chipnon-contacttemperaturemeasurementsystem,themeasurementtemperatureisdividedintothreegears,whicharehightemperaturefile（above500°C）,mediumtemperaturefile（100-500°C）,lowtemperaturefile（below100°C）,andtheobjecttobemeasuredisestimatedbeforeuse.TemperatureSelecttheappropriategearmeasurementtoimprovemeasurementaccuracy.ByusingtheSTM32L476chiptocontrolthetemperaturesensorDS18B20forreal-timetemperaturedetectionanddisplay,itispossibletoquicklymeasuretheambienttemperature.

Keywords:

singlechipmicrocomputer;non-contact;temperaturemeasurement;design

基于K型热电偶的温度测量系统设计

1绪论

1.1研究背景及意义

当今社会，随着科学技术发展迅猛，社会生活水平也快速提高，企业对生产也有了更高的要求:

信息化、科学化、自动化。

很多反应及过程都受到温度的影响，例如有物质是否有完全燃烧充分、蒸馏或煅烧是否达到要求、化学反应是否及时、浓度是否合格、化学反应是否及时、挤压成型是否够强度等等，所以在工业上，温度是至关重要的被控因素和必不可少的过程变量，如果控没有控制好温度，结果轻则影响产品的合格率，严重的话很有可能会导致生产事故甚至危及到工人的生命安全。

K型热电偶测温在测量带测物体温度时并不需要与物体接触，只需要把探头对准待测物体就可以实现测温，这样的优点是避免了改变物体的热平衡状态，反应速度迅速响应特性好，而且从测温的原理上来说，还有一个优点就是这种方式可以测量很高的温度。

但是在实践中，K型热电偶测温系统的开发还存在诸多不足，还未形成系统性的研究，也无法为K型热电偶测温系统的应用提供实践参考。

当前，STM32系列成为应用最广泛的单片机之一，在工业测控系统之中被广泛应用。

所以很多公司都会选择51系列的兼容机型，并且在今后的很长时间内，相信市场都会被它占有很大的比例。

鉴于此，本文结合STM32系列单片机的优势，利用其不需要与待测物体接触的优点将其应用到测温系统之中，这样设计出的非接触式温度测量系统就可以替换人类工作在高温恶劣的环境中。

目的在于实现对目标的表面温度进行非接触在线自动测量，具有极其重要的理论与实践意义。

1.2国内外研究现状

由于温度传感器的结构存在差异，所以不同的温度传感器在使用方法上会存在不同，目前国内外存在的检测方法之中，总体上可以分为两种接触式测温和非接触式测温。

接触式测温也有很多优点:

外界介质对其产生的影响比较低，可以有效避免物体进行内部分子的热运动。

其缺点也显而易见，接触待测物体时会对待测物体的温度有所影响。

而且还需要与待测温度接触良好，对被测物体来说就会破坏其热平衡状态，对于测温原件来说要求具有很好的热学性能和结构特性。

接触式测温主要分为接触式光电、热色测温、膨胀式测温、电量式测温。

另一种测温方式是非接触式测温，其主要可以分为微波法测温、光谱法测温、激光干涉测温、辐射式测温。

其优点是在测量带测物体温度时并不需要与物体接触，只需要把探头对准待测物体就可以实现测温，这样的优点是避免了改变物体的热平衡状态，反应速度迅速响应特性好，而且从测温的原理上来说，还有一个优点就是这种方式可以测量很高的温度，通常用来检测1000℃及其以上的运动中的高温物体。

现如今，非接触式测温在我国的工业生产中得到了大规模的实践应用，主要是因其测温效果好、反应速度快响应特性好。

非接触式红外测温法在K型热电偶测温中得到了认可，并且这种技术还在不断的发展和进步，拥有明朗的应用前景。

所以目前国内外都在探究非接触式红外测温技术。

但是现阶段大部分生产加工行业依然是采用人工手持红外测温仪跟踪被测目标来测量运动物体表面温度的，例如手套生产、医药生产、食品加工、造纸印刷和橡胶塑料等的温度测量。

在温控系统领域中测温系统最重要的是保证测量精准，反应速度快，虽然现在国内外的测温技术都已经发展到了一定的高度，但是在生产应用和一些特殊的环境中温度测量还是具有一定的难题。

所以在一些特殊的环境中测量温度并且要保证测量的精度和准确性还是一件非常困难的事。

有时对于一个待测物体可能需要多重测量方式对其进行测温，这就需要了解每一种测温方式的原理以及优缺点。

从现实方面来说，现有的测温方式也不足以满足生活所需，所以我们还需要不断的探索新的测温技术，寻找更好的测温材料，以实现在特殊环境下测量温度也能够保证测量温度的精度和准确性以及快速的反应速度快。

在现今的温控系统领域中，经过不断的实验和探索，以及寻找新的测温材料，已经发现和创新了多种温度检测技术。

温度测量水平在不断的提高主要体现在以下几个方向：

1）扩大温度测量的范围，增加测量温度对象的数量；2）加大对测温器件新材料和新原理开发的力度，生产新测温元件；3）测温元件向体型更小、集成化更好、智能化更高和适应化更快等方向发展。

1.3研究主要内容

本文以基于stm32单片机基于K型热电偶的温度测量系统为设计对象，主要研究内容如下：

第一章内容是绪论，主要概述K型热电偶测温的研究背景及意义，综述国内外研究现状及成果，并提出课题中我们需要研究的主要内容；

第二章主要内容是设计K型热电偶的温度测量系统的总体设计，并做出基于K型热电偶的温度测量系统的总体设计方案，明确其功能需求和基本设计要求；

第三章主要内容是关于K型热电偶的温度测量系统的硬件设计，给出了K型热电偶温测量温度的单片机、温度采集、LCD显示、电源模块设计与电路设计；

第四章主要内容是基于K型热电偶的温度测量系统软件设计，给出了K型热电偶的温度测量系统的主程序的流程，并对其温度采集、LCD显示等模块进行程序流程设计；并搭建K型热电偶温度测量系统的仿真环境，并对于基于K型热电偶的温度测量系统的功能进行仿真分析；

2基于K型热电偶的温度测量系统总体设计

2.1设计要求

基于K型热电偶的温度测量系统的主要功能和指标如下：

（1）利用K型热电偶温度传感器测量多点环境温度。

（2）测量范围可以分为高温档（500℃以上）、中温档（100-500℃）、低温档（100℃以下），精度为±0.5℃。

（3）用LCD液晶显示进行实际的测量温度值。

（4）可以自主设置告警极限温度。

（5）当超过上，下限报警温度后，能够自动发出声光报警。

2.2总体方案

本文设计基于K型热电偶的温度测量系统主要针对高温物体的温度测量，具体测量温度分为三个档位，分别是高温档（500℃以上）中温档（100-500℃）低温档（100℃以下），测量前先预估待测物体的温度并选择合适的档位测量以提升测量的精度。

结合单片机系统特征要求和测温系统设计，给出了基于K型热电偶的温度测量系统的总体设计方案，见图2-1所示。

图2-1基于K型热电偶的温度测量系统总体设计方案

主要包括有温度采集模块、LCD显示模块、按键和报警模块等，根据测温系统的设计要求，首先温度传感器把所测待测物体的温度发送到STM32单片机上，经STM32单片机处理后，再将温度显示在LCD显示器上。

当开机后，LCD显示器和计时器进行初始化设置。

同时，基于K型热电偶的温度测量系统能够设置报警温度，在超过报警温度时能够通过LED发光二极管以及发音器提示报警。

2.3功能介绍

能够实现快速测量环境温度，是利用测温系统进行实时温度的检测并显示。

测温系统的传感器选择非接触式的K型热电偶温度传感器，测控系统的数据采集、处理、显示、报警等功能主要依靠单片机STM32L476。

选用数字温度传感器，其组成温控系统简单且反应速度快，输出信号全数字化。

便于单片机处理及控制，省却了采样、运放、数/模转换电路以及进行长距离传输时的串/并转换电路，使电路得到了很大的简化，特别是中国传统的测温技术方法的很多外围电路，这样不仅可以缩短系统工作的时间，而且还可以降低系统硬件的成本。

当单片机将处理过后的温度信息发送给LCD液晶显示器后，液晶显示器显示当前的温度。

3硬件设计

测温系统的硬件设计主要包括四个模块：

温度采集系统设计、单片机系统设计、电源模块设计和LCD显示系统设计。

3.1核心控制系统设计

核心控制单元主要采用STM32L476单片机。

STM32L476Gxx器件是基于高性能Cortex-M4 32位内核的微控制器（MU），其工作频率高达80Mz并且功耗超低。

Cortex-4内核支持AM单精度数据处理指令和所有数据类型，因为其具有单精度浮点单元（FU）。

全套DP指令和存储器保护单元（MU）得到了实现，在一定程度上大大的加强了应用的安全性。

STM32L47器件具有Quad SI闪存接口、各种增强的和外设、嵌入高速存储器（闪存高达1MB，SRM高达128KB）和灵活的外接存储器控制器（FSC），连接2个AB总线、2个AB总线和1个32位多AB总线矩阵。

并且读保护、写保护、专有代码读保护以及防火墙是STM32L47器件为嵌入式闪存和SRAM嵌入的几种保护机制。

有三种闪