毕业论文：基于单片机温度检测设计1-精品

第1章 引 言

1.1 测温系统设计目的和意义

温度作为一个物理参量，在我们日常生活中非常重要，并且在

现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

良好的温度检测系统不仅是安全生产的前提，同时较高精度的温度检测还能间接的实现降低能耗。例如，在一些精密机械加工行业和制药行业等，良好的温度检测就可以提高产品的合格率，降低生产消耗。

1.2 发展现状

伴随着科技的发展温度传感器已经有许多的类型如：传感器AD590、传感器DS1820、热敏电阻、热电偶等。但是由于本设计所要实现的是对工业温度（500℃-1500℃）检测进行检测，同时参考其所能实现的精度，该设计采用热电偶，其具有以下诸多优点。

结构简单，其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端接在一起而成的；具有较高的精确度；测量温度范围宽，厂用的热电偶，低温可测到-50℃，高温可达到1600℃左右，配有特殊材料的热电偶，最低可测到-180℃，最高可达到2800℃的温度；具有良好的敏感度；使用方便等。

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标 准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。该设计根据设计任务要求出发，选取K型热电偶为本设计的测温原件。

热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下。

组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔[1][2]。

本设计以热电偶为测温元件经过单片机进行相应的数据处理，能够比较精确的实现温度的检测。同时也可以进行扩展，实现远距离的串行通信。因此能够较好的适应对温度要求较高的工业应用场合，同时也可应用在楼宇等温度检测及显示。

1.3 本文主要工作

本文主要阐述了一款基于AT89S52单片机控制，以E型热电偶为温度传感器的温度仪表的设计。在整个系统的设计过程中为了达到0.5级误差的设计要求，对热电偶采取电桥补偿法进行冷端补偿，分段折线法进行线性拟合。由AT89S52、HD7279及仪用仪表放大电路等构成整个系统的硬件组成。同时考虑网络控制在现代工业控制中的作用，系统同时设计了RS-485通讯。

第2章 系统的总体设计

按任务书的设计要求，可将整个系统分为四大部分：K型热电偶测温单元、单片机及其外围硬件电路设计、数据处理及软件设计及系统电源设计。图2.1为整个系统的结构框图。

图2.1 系统结构框图

信号处理 上位机 显示电路 AT89s52 单片机 时钟电路 框图中温度传感器的作用是对工业现场中的温度参数进行采集，信号处理作用是对温度传感器的输出信号进行放大、滤波及数模转换，AT89S52单片机的作用是对系统的相关数据进行处理，显示和键盘的显示数据及输入控制。时钟芯片的作用是为整个系统体提供时间参数。

整个系统的工作过程中采用温度传感器K型热电偶对工业现场中的温度参数进行采集，温度传感器的输出信号经过放大、滤波、A/D转换信号处理这一环节，被送入AT89S52进行数据的相关处理。上位机通过RS-485通讯这一环节对下位机进行相应的控制，如显示、读取相关时间参数。

第3章 K型热电偶测温单元

K型热电偶的概述

K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。

3.1 热电偶工作原理

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图3.1所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

工作端A A 自由端 图 3.1 热电偶原理图

实验证明，当电极材料选定后，热电偶的热电动势仅与两个接点的温度有关， 即

d EAB( t1 , t2 ) = SAB×d t （3.1）

比例系数SAB 称为热电动势率，它是热电偶最重要的特征量。

3.2 K型热电偶的冷端补偿

一 热电偶测温时冷却补偿的必要性

理论上测量是以冷端在零度为标准测量的。所以，使用时必须遵守该条件。如果参考端

温度不是0℃，尽管被测温度不变，热电势(t,tn)将随参考端温度的变化而变化。,然而，

通常测量时仪表是处于室温之下的，由于冷端不为零度，造成热电势差减小，使测量不准，出现错误。所做的补偿措施就是冷端温度补偿 . ????热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施

1

B

2

补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。 ??

??热点偶的分度表等都是以热电偶参考温度等于0℃为条件的。 因此，一般工程测量

中参考端处于室温或波动的温区，此时要测得真实温度就必须进行修正或采取补偿等措施。

二 常用的补偿方法

在实际应用的过程中冷端补偿的方法有很多种,下面就常用的三种方案进行讨论。 1．热点偶补偿法

在热电偶回路中反向串联一支同型号的热电偶，称为补偿热电偶，并将补偿热电偶的测量端置于恒定的温度T0处向热电势来补偿工作热电偶的参考端热电势，如图3.2所示。这里T1等于Tn，T0等于0℃,则可得到完全补偿。当T0不等于0℃时，再利用上述方法进行修正。此法适合用于多点测量，可应用一个补偿热电偶同多个工作热电偶采取切换的方法相对接。

A T Tn A` T0 T0 mV T0

Tn 图3.2 热电偶补偿法

2， 0℃恒温法

B` 把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的参考端置于其中，在一个大气压的条件下，即可保持冰水保持在0℃，这时热电偶输出的热电势与分度值一致。实验室中通常采用这种方法。今年来，已生产一种半导体制冷器件，可恒温在0℃ 。 3．电桥补偿法

在热电偶的正端接入一个直流不平衡电桥，也称冷端补偿器，它的输出端与热电偶串接，电桥的三个桥臂（Ra,Rb,Rc）由电阻温度系数很小的锰铜丝绕制，使其值不随温度变化；另一桥臂(Rc)由温度系数较大的铜丝绕制，其阻值在20℃时为Rc等于1?,此时电桥平衡，a,b两端没有电压输出。当电桥所处的环境温度变化时，电阻Rc的阻值随之改变。于是电桥将有不平衡电压输出。Rc电阻经过适当的选择，可使电桥的输出电压特性与配用的热电偶的热电特性相似，同时电位差的方向在超过20℃时与热电

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