毕业论文：基于单片机温度检测设计1-精品(2)

偶的热电势方向相同；若低于20℃时与热电偶的热电势方向相反，从而自动地得到补偿。这种补偿的原理可用如下电势关系描述。

EAB(T,Tn)=EAB(T,T0)- EAB(Tn,T0) （3.3）

若使电桥的不平衡输出电压随温度的变化值等于EAB(T0 ，Tn)，则显示仪表的示值为：

EAB(T,Tn)+ EAB(Tn,T0)= EAB(T,T0) （3.4）

这就是被测温度的真实值。如图3.3所示

使用电桥补偿法的注意事项

在使用这种补偿器时，由于所设计的电桥是在20℃输出为零，故必须把显示仪表的起始点调整到20℃所对应的位置。此外，必须注意，各种冷端温度补偿器只能与相应型号的热点偶及在所规定的温度范围内配套使用，因为热电偶的输出特性是非线性的，只在某一温度区内能实现近似的线性。冷端温度补偿器与热电偶连接时，极性切勿接反，否则会增大温差。

图3.3 电桥补偿法

3.3 K型热电偶的放大电路

1，放大电路的作用

热电偶的放大电路主要是将热电偶测量温度所得的电压信号进行放大，以达到下一步A/D所需要的电压范围，因此需要放大电路有较高的放大系数、稳定性等。一些简单的应用电路如图。

图3.5 同向比例放大电路

这是一种常见的放大电路，根据本设计中使用环境的需要，本设计采用仪用仪表放大电路如图3.6所示。

根据上述方案，放大电路的原理图如图3.6所示。U8A，U8B，U10A及相应电阻构成前置仪用仪表放大器。本级分配的差模电压增益为：其中U8A，U8B构成的差放分配13，U10A构成的差放分配2，为保证仪用仪表放大器有较好的抗共模干扰能力，

图3.6 仪用仪表放大器

应选用对称的电阻参数，既R20=R23，R17/R16=R29/R26。根据“两虚”的概念和增益的分配有。

AVD1?

vo1?vo2R22?R23?R20??13 （3.5） viR22Rvo3??17??1 （3.6）

vo1?vo2R16 AVD2?由于对电路的功耗和分布参数没有特殊，所以可选取参考的要求电阻R22=2K?, R16=16K?。由上述关系算出：R20=R23=12K?，R26=R16=10K??，R17=R29=10K??。此时前置仪用仪表放大器差模电压增益满足设计的要求。为避免输入端开路时放大器出现饱和状态，在两个输入端到地之间分别串界两个电阻R18，R25。为满足差模输入阻抗大于107的要求，取R18=R25=20M??。第二级及电阻、电容组成带通滤波器，由于总增益要求，前置级已分配，所以本级通带内的差模电压增益应为：

AVD3?取R28=48K??，则R27=48K??。 此时，总的差模电压增益为。

AVD= AVD1× AVD2×AVD3=23 （3.8）

C1、R8构成高通滤波器，设计要求为fL=0.05HZ。取R8=1M??,则根据fL=1/(2pi×C1×R8)可算出C1=3.18μF,取C1=3.3μF标称值的电容器，则可满足要求。

同理C2,R10构成低通器，要求上限频率为100HZ.则根据fH=1/(2pi×C2×R10)和

RVO?1?28?2 （3.7） VO3R27R10=48K??,可算出C2=0.03316μF,取C2=0.033μF标称值，则可满足要求。

3.4 K型热电偶的非线性校正

由于热电偶的温度特性有较严重的非线性特性，如不加校正是无法达到0.5级的显示精度，所以非线性校正环节是直接影响仪表显示准确度的关键环节。

方案一：以函数发生电路对热电偶的非线性校正[1][3]。首先，观察E型热电偶的温度－毫伏特特性，如图3.8所示。为补偿其非线性，要求在放大器中串入线性化环节，其特性如图3.9所示。加入线性化组件后，两曲线叠加，热电偶温度t和输出电压之间就有线性关系以下分函数发生器实现图3.8曲线将曲线分成2段：OA段曲线和AB段直线，先设计出产生曲线OA的函数发生器，再设计出产生直线AB的函数发生器，OA与AB相加，即为整条曲线。图3.10为三段线段相加形成一条线性化电路总特性曲

线过程。

0 t V K型热电偶的温度－毫伏特特性

线性化环节特性图

方案二：用改变参考电压来校正热电偶非线性[9]。热电偶非线性校正的原理如图3.7所示。热电偶产生的热电势经参比端补偿和调起点处理后，经过放大倍数（可调）的放大器成为输送至7107的VIN+端的信号V0。约为2.5V的基准电压E经两个阻值相等的电阻R0分压后加至7107的VREFHI端。7107的COM端、VREFLO端相连并接地。7107的VIN-端可接COM端（仪表起点温度为0℃），或接一迁移电压（仪表起点温度不为0℃）。这里，热电偶的非线性校正，只是增加一个阻值适当的电阻R1，使加到7107的VREFHI端上的电压Vr随测量信号而变。这样就可以使仪表在测量范围两端（即起点温度tmin和终点温度tmax）及中间任选温度ta点上无显示误差。ta一般可选为0.5（tmaxtmin），但对K型等热电偶可用试凑ta的方法，使整个测量范围内正负误差绝对值相等且为最小。设tmin，tmax，ta和热电偶分度号为已知，由分度表可查出对应的电势（参考为0℃）为emin，emax和ea，放大器的输出电压为

VO?K(e?emi)n （3.9） VOmin＝0，用迁移VIN的方法将7107的显示温度调到tmin值上。当测量温度t介于 tmin和tmax之间时，7107的参考电压Vr可用下式表示

0 Vt VOB A O

R0 V VREFH VO 放大倍数 K（可调） R1 COM 7107 VIN

E R0

图3.7 非线性校正原理图

Vr?0.5ES?(1?S)K(e?emin) （3.10）

式中：

S?R1/(R1?0.5R0) （3.11）

由公式（3.10）可知，当t＝ta和t＝tmax时的Vra和Vrmax分别可用下面式表示。 Vra?0.5ES?(1?S)K(ea?emin) （3.12）

Vrmax?0.5ES?(1?S)K(emax?emin) （3.13）

众所周知，7107的显示值td与V0，Vr和tmin之间成如下的关系。

VOtt?d?min （3.14） Vr100010003.5 本章小结

本章通过对K型热电偶采用电桥法对其进行冷端补偿，采用仪用仪表对其进行放

大、滤波和线性化处理，从而使其达到了本设计的要求。

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