1、傳感器課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程傳感器課程設(shè)計(jì)題目熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，硬件設(shè)計(jì)使用高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶電動(dòng)勢(shì)的采樣、放大、AD轉(zhuǎn)換和對(duì)線性化處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并在程序中采用修正后的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)熱電偶的線性化處理?；疽螅?、按照技術(shù)要求，提出自己的設(shè)計(jì)方案（多種）并進(jìn)行比較；2、利用熱電偶和單片機(jī)等設(shè)計(jì)一種熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)電路。3、說明所用傳感器的基本工作原理、畫出應(yīng)用電路電路圖、寫明電路工作原理、 注明元器件選取參數(shù)、進(jìn)行方案比較。主要參考資料：1崔志尚溫度計(jì)量與測(cè)試M .北京：中國計(jì)量出版社1998.2趙茂泰,智能儀器原理及應(yīng)用M ,北

2、京：電子工業(yè)出版社，2007.3陳杰，黃鴻傳感器與檢測(cè)技術(shù)M ,北京：高等教育出版社，2006.4劉華東.單片機(jī)原理與應(yīng)用M .北京：電子工業(yè)出版社，2006.完成期限指導(dǎo)教師專業(yè)負(fù)責(zé)人2016年5月7日摘要在現(xiàn)代化的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，常用熱電偶測(cè)試高溫，測(cè)試結(jié)果送至主控機(jī)。熱電偶是 工程上 應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器之一，它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便、準(zhǔn)確度、熱慣性小、穩(wěn)定性 及復(fù)現(xiàn)性好、溫度測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，適用于信號(hào)的遠(yuǎn)傳、自動(dòng)紀(jì)錄和集中控制，在溫度 測(cè)量中占有重要地位。但由于熱電偶的熱電勢(shì)與溫度呈非線性關(guān)系，所以必須對(duì)熱電偶進(jìn) 行線性化處理以保持測(cè)試精度。該測(cè)溫系統(tǒng)通過高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705對(duì)

3、熱電偶電動(dòng) 勢(shì)進(jìn)行采樣、放大,并在單片機(jī)內(nèi)采用一定算法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的線性化處理，再通過數(shù)/模轉(zhuǎn) 換器AD421進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生4 mA 20mA的電流，送入主控中心。關(guān)鍵詞：熱電偶；線性化；AD轉(zhuǎn)換；DA轉(zhuǎn)換；單片機(jī)目錄-、設(shè)計(jì)要求1二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn) 11、方案說明12、方案論證2三、傳感器工作原理2四、電路的工作原理 3五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇 31、單元電路設(shè)計(jì)42、參數(shù)計(jì)算53、器件選擇6六、總結(jié)錯(cuò)誤！未定義書簽。參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤！未定義書簽。傳感器課程設(shè)計(jì)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求以單片機(jī)為核心，進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)控制和線性化算法的運(yùn)算，使 A/D轉(zhuǎn)換精度更 好；在算法處理上

4、，使用最佳計(jì)算方法，使得線性化算法達(dá)到運(yùn)算量小、處理速度快、占 用內(nèi)存小等要求，并使該系統(tǒng)能很好的解決熱電偶測(cè)試高溫的精度問題。二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)本設(shè)計(jì)是基于STC89c52單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)。對(duì)于系統(tǒng)可分為下面兩種不同的設(shè)計(jì)方 案：1、方案說明方案一：系統(tǒng)由K型熱電偶和集成溫度傳感器AD590測(cè)量熱端和冷端溫度，采用USB 采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集并傳輸給計(jì)算機(jī)。根據(jù)熱電偶中間溫度定律，編制軟件采用查表和曲線擬合進(jìn)行非線性校正及冷端補(bǔ)償。利用LabVIEW的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取、分析函數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度趨勢(shì)曲線和統(tǒng)計(jì)直方圖的繪制。本系統(tǒng)將濾波、非線性和冷 端補(bǔ)償?shù)裙δ苡绍浖?shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)

5、定性和測(cè)量精度，但成本較 高。補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶方案二：控制電路以單片機(jī)為中心，控制其他部分完成各自的功能。其中模 /數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用16位高精度AD轉(zhuǎn)化器AD7705，采用自校準(zhǔn)，提高其抗干擾能力和精度； 數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分采用高精度DA轉(zhuǎn)換器AD421，在電路設(shè)計(jì)上，采用光隔離，控制AD421完成其功能，AD421為16位高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，它將來自單片機(jī)線性化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行DA 轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生4mA.20mA電流，送控制中心。這種方案保證成本，采用了良好的線性化算 法，編程又采用可節(jié)約內(nèi)存的匯編語言，使得測(cè)量速度快，測(cè)量結(jié)果能滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要 求。去4mA-20m測(cè)量電路AD7705傳感器A/D轉(zhuǎn)換

6、器圖2方案二原理框圖STC89C52單片機(jī)AD421D/A轉(zhuǎn)換器92、方案論證從精確度來看，方案一強(qiáng)于方案二，但方案二電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，占用內(nèi)存較小，抗干擾能 力強(qiáng)，成本較低。所以一般地說，需要穩(wěn)定性好可選用方案一測(cè)量電路，若考慮便于與單片 機(jī)接口連接，那么方案二測(cè)量電路就由其方便之處。因此本設(shè)計(jì)中選用方案二。三、傳感器工作原理熱電偶傳感器的工作原理：兩種不同成份的導(dǎo)體兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不 同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng) 勢(shì)稱為熱電勢(shì)。 熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做測(cè)量端，另一端叫做補(bǔ)償端；冷端與顯示儀表或配

7、套儀表連接，顯示 儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。如圖3所示。圖3熱電偶工作原理圖熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯 度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效 應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自 由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶 分度表；分度表是自由端溫度在0C時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。 在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生 的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回

8、路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可 接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。四、電路的工作原理電路的工作原理圖如圖4所示。測(cè)溫系統(tǒng)通過高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705對(duì)熱電偶電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行采樣、放大，并在單片機(jī) 內(nèi)采用一定算法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的線性化處理，再通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD421進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生 4 mA 20mA的電流，送入主控中心并顯示。五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇1、單元電路設(shè)計(jì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分電路如圖5所示4_CSgDOLT“巫 WET 震 DKEAIK-：s Al應(yīng)代-)GPJlDCLKD £VDDHCLKOUT DINREFK：AIN 10 REF 氓圖

9、54/。轉(zhuǎn)化電路原理圖采用16位、雙通道、高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能的AD7705。AD7705能直接對(duì)來自傳感器的 微弱信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換o使用時(shí)通過單片機(jī)控制其單雙極性、增益倍數(shù)、選擇通道的輸 入和工作模式的選擇等；用AD584基準(zhǔn)芯片為AD7705采集模塊提供基準(zhǔn)電壓，使AD7705 可以正常且穩(wěn)定的工作(6)o數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分電路如圖6所示。1211Ah42一VCCR4LOOPRINCIS OluC19 IOjiTbI 00叫。014。8叫VCC7 CAP VBG TROBEReIKI1Q24V圖6D/A轉(zhuǎn)化電路原理圖采用16位高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD421。AD421由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字

10、信 號(hào)以串一 行方式輸入，4-20mA電流輸出，可實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制。AD421內(nèi)部含有電壓調(diào) 整器可提供+5V，+3.3V或+3V輸出電壓，還含有+1.25V，+2.5V基 準(zhǔn)電源，均可為其自身或 其它電路選用（6）0 AD421采用另ADAC結(jié)構(gòu)，保證16位的分辯率和單調(diào)性，其積分線性誤 差為土 0.001%，失調(diào)誤差為土 0.1隊(duì)增益誤差為士 0.2%，其標(biāo)準(zhǔn)的三線串行接口可在 10Mbps下運(yùn)行，便于與通用微處理器或微控制器相連。2、參數(shù)計(jì)算軟件是算法和功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。該部分主要完成的任務(wù)是：A/D轉(zhuǎn)換器的配置、啟動(dòng)和數(shù)據(jù)讀取。對(duì)信號(hào)的線性化處理。D/A轉(zhuǎn)換器配置和數(shù)據(jù)讀取。

11、其中線性化算法主要參考“最佳非等距線性插值算法在熱敏電阻測(cè)溫中的應(yīng)用”，提出一種“最佳非等距離分段算法”，根據(jù)標(biāo)度轉(zhuǎn)換，在不同分段上推導(dǎo)出y = kx+ b的線性化算 法。整體設(shè)計(jì)和調(diào)試，以K分度熱電偶為例。通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，模擬補(bǔ)償后的K分度熱電偶的熱電勢(shì)，送入AD7705完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行線性化 處理，使處理后單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)與溫度呈現(xiàn)線性關(guān)系；最后再將線性化后的數(shù)據(jù)，送至 AD421經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，輸出電流值。本系統(tǒng)采用誤差修正公式來消除系統(tǒng)誤差，從輸出端 引反饋量到輸入端來改善系統(tǒng)的穩(wěn)定。在無誤差的理想情況下，有滬0, i = 0，K是常數(shù)，于是存在關(guān)系（1在有

12、誤差的情況下，則有）y =K x ； y 1 由此可以推出x = by b<>可改寫成下簡(jiǎn)明形式1y x - b（）bi式中：x熱電偶產(chǎn)生的電壓；y帶誤差的輸出到D/A轉(zhuǎn)換器的電壓；E影響量（例如零點(diǎn)漂移或干擾）；i 偏差量（例如直流放大器的偏置電流）；K影響特性（例如放大器增益）。把熱電偶分度表各溫度時(shí)電壓值x經(jīng)過運(yùn)算求出各溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的y值，y值一般包含 小數(shù)，由于A/D轉(zhuǎn)換器的離散性和分辨率的限制，所以只保留整數(shù)部分，保存到單片機(jī)ROM 中，在每次測(cè)量完溫度數(shù)據(jù)后直接由y值查表，運(yùn)算求相應(yīng)溫度。3、器件選擇表1兀器件清單卜示號(hào)兀器件類型兀器件規(guī)格數(shù)量C1,C2電容33p各1C3,C4電容103各1C5, C7, C9,C19電解電容10 p各1C6,C8,C12,C18電容0.1各