本科生畢業(yè)設(shè)計開題報告書題目爐溫測量系統(tǒng)設(shè)計與仿真學(xué)生姓名學(xué)號專業(yè)班級指導(dǎo)老師201年8月12日論文（設(shè)計）題目爐溫測量系統(tǒng)設(shè)計與仿真課題目的、意義及相關(guān)探討動態(tài)：課題目的：溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)，對溫度的測量在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工、國防、科研等領(lǐng)域中有廣泛地應(yīng)用[1]~[2]。

溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一。尤其是在冶金、化工、機(jī)械各類工業(yè)中，廣泛運(yùn)用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。由于爐子的種類不同，所采納的加熱方法及燃料也不相同，如煤氣、自然氣等。為了保證生產(chǎn)過程正常平安地進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)約能源，對加熱用的各種電爐要求溫度能夠做到實(shí)時監(jiān)控，或者有的電爐的爐溫依據(jù)工藝要求依據(jù)某個指定的升溫或保溫規(guī)律進(jìn)行調(diào)整等等。

因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)試驗(yàn)中經(jīng)常對溫度要不斷地測量[3]~[4]，而且要實(shí)時的將溫度顯示出來，以便利對其就行限制。剛好精確地得到溫度信息并對其進(jìn)行適時的限制，在很多工業(yè)場合中都是重要的環(huán)節(jié)，例如冶金、機(jī)械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛運(yùn)用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對工件的溫度要求嚴(yán)格限制。對于不同限制系統(tǒng)，其相宜的溫度總是在一個范圍。超過這個范圍，系統(tǒng)或許會停止運(yùn)行或遭遇破壞，所以我們必需能實(shí)時獲得溫度改變。對于超過相宜范圍的溫度能夠報警。在基于熱電偶溫度限制系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)盡量考慮到如何有效地避開各種干擾因素而采納一個較好的限制方案，選擇合適芯片是特別有必要的[5]。溫度測量系統(tǒng)在工業(yè)中的運(yùn)用相當(dāng)廣泛,其溫度參數(shù)在生產(chǎn)過程中的自動限制系統(tǒng)也隨著微機(jī)單片機(jī)可控硅技術(shù)在工業(yè)限制領(lǐng)域的推廣、應(yīng)用,正朝著高精度、高穩(wěn)定性、高智能化的方向發(fā)展。本課題采納用51單片機(jī)[6]作為主限制芯片，采納帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675、K型熱電偶、89C51單片機(jī)、液晶等元器件設(shè)計出相應(yīng)溫度采集電路、溫度轉(zhuǎn)換電路、溫度限制電路、超量程報警電路、液晶顯示電路。系統(tǒng)用單片機(jī)對帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675進(jìn)行限制,運(yùn)用PROTEUS軟件[7]完成系統(tǒng)仿真來設(shè)計爐溫測量系統(tǒng)。一、單片機(jī)采納51單片機(jī)[8]~[10]：（1）運(yùn)用價格低廉、應(yīng)用廣泛的51系列單片機(jī)為限制芯片，可以達(dá)到了限制性能好，成本低的目的。（2)AT89C51單片機(jī)[11]~[12]是最早期也最典型的產(chǎn)品，低功耗、高性能、采納CHMOS工藝的8位單片機(jī)。（3)它在硬件資源和功能、軟件指令及編程上與Intel80C3X單片機(jī)[13]完全相同。在應(yīng)用中可干脆替換。（4)在AT89C51內(nèi)部有FLASH程序存儲器，既可用常規(guī)的編程器編程，也可用在線使之處于編程狀態(tài)對其編程。編程速度很快，擦除時也無需紫外線，特別便利。（5)AT89C5X系列可認(rèn)為是Intel80C3X的內(nèi)核與AtmelFLASH技術(shù)的結(jié)合體。它為很多嵌入式限制系統(tǒng)供應(yīng)了敏捷、低成本的解決方案。二、采納帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675[14]~[16]：（1）MAX6675是MAXIM公司推出的K型熱電偶串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能獨(dú)立完成信號放大、冷端補(bǔ)償、線性化、A/D轉(zhuǎn)換及SPI串口數(shù)字化輸出功能，大大簡化了熱電偶測量智能裝置的軟硬件設(shè)計。（2）MAX6675對其內(nèi)部元器件參數(shù)進(jìn)行了激光修正，從而對熱電偶的非線性進(jìn)行了內(nèi)部修正。同時，MAX6675內(nèi)部集成的冷端補(bǔ)償電路、非線性校正電路、斷偶檢測電路都給K型熱電偶的運(yùn)用帶來了極大便利。（3）MAX6675內(nèi)部集成有冷端補(bǔ)償電路；帶有簡潔的3位串行SPI接口；可將溫度信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，溫度辨別率達(dá)0.25℃；內(nèi)含熱電偶斷線檢測電路。冷端補(bǔ)償?shù)臏囟确秶?20℃～80℃，可以測量0℃～1023.75℃的溫度，基本符合工業(yè)上溫度測量的須要。三、采納K型熱電偶[17]~[18]:（1）測量精度高。因熱電偶干脆與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。（2）測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（3）構(gòu)造簡潔，運(yùn)用便利。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有愛護(hù)套管，用起來特別便利。四、PROTEUS仿真軟件[19]~[21]：（1）PROTEUS在單片機(jī)CPU外圍器件方面表現(xiàn)出的卓越的仿真實(shí)力使其成為目前最好的仿真軟件之一。（2）PROTEUS可以仿真8051系列、AVR系列、PLC系列等主要常見系列單片機(jī)及外圍電路。（3）PROTEUS供應(yīng)了數(shù)目浩大，門類齊全的各類常見器件庫，具有較強(qiáng)的PCB設(shè)計功能。（4）PROTEUS有操作敏捷，自動連線等優(yōu)點(diǎn)，為我們供應(yīng)了特別好的開發(fā)界面。課題意義：通過本課題的設(shè)計，可以使學(xué)生熟識和鞏固單片機(jī)的基本學(xué)問，學(xué)習(xí)如何運(yùn)用K型熱電偶和帶有冷端溫度補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675檢測溫度，學(xué)習(xí)運(yùn)用LCD1602進(jìn)行實(shí)時溫度的顯示，學(xué)習(xí)并駕馭單片機(jī)C51程序編程方法，學(xué)習(xí)Keil集成調(diào)試軟件[22]的運(yùn)用方法及Proteus仿真軟件的運(yùn)用方法，通過設(shè)計和仿真，可以提高單片機(jī)的水平，為今后的學(xué)習(xí)、工作打下基礎(chǔ)。探討現(xiàn)狀：目前的工業(yè)系統(tǒng)中，通常用來測量溫度的傳感器有熱電阻溫度傳感器、熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器[23]~[25]等幾種。這些常用溫度傳感器一般的溫度測量中可以滿意檢測要求。但在特殊的場合就不能達(dá)到的要求。工業(yè)常用的精度較高的溫度傳感器有鉑熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等。鉑熱電阻具有溫度測量范圍大、重復(fù)性好、精度高等特點(diǎn)，但是響應(yīng)不是很快，特殊是在對氣體溫度測量時至少要幾秒鐘，在某些工作環(huán)境比較特殊的場合，如高壓環(huán)境下，還需運(yùn)用鎧裝的鉑熱電阻，更是延緩了熱響應(yīng)速度。半導(dǎo)體溫度傳感器分熱敏電阻和PN結(jié)型溫度傳感器兩種。熱敏電阻特別適合對微弱溫度改變的測量，但是缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)峻；PN結(jié)型的特點(diǎn)是體積小、線性輸出、精度高，但是不能運(yùn)用在液體環(huán)境，對氣體溫度改變響應(yīng)也較慢[26]~[28]。所以用溫度傳感器一般都存在著對氣體溫度改變響應(yīng)較慢的問題。在對溫度實(shí)時性測量要求比較高的系統(tǒng)，運(yùn)用常用溫度測量方法很難做到對溫度的快速測量，對系統(tǒng)的精度影響就很大。

在工業(yè)過程限制與生產(chǎn)制造領(lǐng)域普遍運(yùn)用具有較高測溫精度及測溫范圍的熱電偶做測溫元件。在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶中,K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶由于具有價格低廉、輸出熱電勢值較大、熱電勢與溫度的線性關(guān)系好、化學(xué)穩(wěn)定性好、復(fù)制性好、可在1000℃下長期運(yùn)用等特點(diǎn),因而是工業(yè)生產(chǎn)制造部門應(yīng)用最廣泛的熱電偶元件。但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時，卻存在著以下幾方面的問題[29]~[32]。①非線性[33]：熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系,因此在應(yīng)用時必需進(jìn)行線性化處理。②冷端補(bǔ)償:熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為0℃時與測量端的電勢差值，而在實(shí)際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而改變的，故需進(jìn)行冷端補(bǔ)償。③數(shù)字化輸出：與嵌入式系統(tǒng)接口必定要采納數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口，而作為模擬小信號測溫元件的熱電偶明顯無法干脆滿意這個要求。在很多熱工試驗(yàn)中，往往面臨熱電偶冷端溫度問題,不管是采納恒溫補(bǔ)償法(冰點(diǎn)補(bǔ)償法)還是電橋補(bǔ)償法,都會帶來試驗(yàn)費(fèi)用較高、實(shí)際的檢測系統(tǒng)較困難.難以達(dá)到實(shí)時測量、接口轉(zhuǎn)換電路困難等問題,而隨著計算機(jī)測控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域的普遍應(yīng)用,溫度參數(shù)的微機(jī)化測量與限制已成為必定趨勢。因此我們必需解決對熱電偶測量信號的放大調(diào)理、非線性校正、冷端補(bǔ)償、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸出接口等一系列困難的問題[34]~[36],以及解決模擬與數(shù)字電路硬件設(shè)計過程和建表、查表、插值運(yùn)算等困難的軟件編制過程,以達(dá)到使電路簡化,成本削減,增加系統(tǒng)牢靠性的目的。

課題的主要內(nèi)容（觀點(diǎn)）、創(chuàng)新之處：111、課題的主要內(nèi)容：本課題是設(shè)計一種基于高精度K型熱電偶傳感器的測溫系統(tǒng)。采納帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675、K型熱電偶、89C51單片機(jī)、LCD等元器件。系統(tǒng)用單片機(jī)對帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675進(jìn)行限制,要達(dá)到任務(wù)書中的技術(shù)指標(biāo)，并對系統(tǒng)進(jìn)行proteus的調(diào)試和仿真試驗(yàn)，使其具有良好的好用性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對固體表面、液體和氣體溫度的高精度測量。主程序包括溫度采集電路、溫度轉(zhuǎn)換電路、超量程報警電路、LCD顯示電路等。2、課題需解決的主要問題：（1）基于熱電偶爐溫測量系統(tǒng)的工作原理（2）基于51單片機(jī)的開發(fā)流程（3）MAX6675的工作原理及操作指令（4）K型熱電偶的工作原理（5）LCD液晶顯示原理和操作指令（6）C語言編程實(shí)力[37]~[39]，軟件編程實(shí)力和調(diào)試實(shí)力（7）論文格式規(guī)范化3、課題可能創(chuàng)新之處：探討方法、設(shè)計方案或論文撰寫提綱：1、系統(tǒng)總體設(shè)計框圖概述熱電偶溫度信號采集熱電偶溫度信號采集MAX6675溫度轉(zhuǎn)換芯片LCD顯示報警單片機(jī)主控芯片2、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)概述單片機(jī)熱電偶測溫系統(tǒng)能夠?qū)Ρ粶y對象的溫度進(jìn)行精確的測量、實(shí)時顯示并且超出測溫范圍能夠自動報警，用戶可以自己依據(jù)工業(yè)實(shí)際須要設(shè)定溫度范圍，其主要工作過程是熱電偶對被測對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過MAX6675內(nèi)部電路的AD轉(zhuǎn)換、冷端補(bǔ)償、內(nèi)部校正；處理后得到的12位數(shù)字溫度量以串行方式送給單片機(jī)；單片機(jī)將數(shù)字量進(jìn)行軟件算法處理；假如測量溫度在測量范圍內(nèi)，最終通過LCD顯示出測量溫度；假如超出測量范圍由單片機(jī)限制使報警電路報警，以達(dá)到對被控對象的實(shí)時監(jiān)測和監(jiān)控的目的。3、探討方法技術(shù)路途（1）學(xué)習(xí)基于熱電偶的測溫系統(tǒng)系統(tǒng)的工作原理（2）駕馭基于51單片機(jī)的開發(fā)流程（3）嫻熟駕馭MAX6675的工作原理及操作指令（4）嫻熟駕馭K型熱電偶的工作原理（5）駕馭LCD顯示的原理和操作指令（6）查閱資料，完成直流電機(jī)的初步流程圖及代碼設(shè)計（7）請教化師，幫助解決出現(xiàn)的問題和困難（8）進(jìn)行完整的仿真測試，完善設(shè)計完成期限和預(yù)期進(jìn)度：2013.06.15下達(dá)下達(dá)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書2013.07~2012.08 外文文獻(xiàn)翻譯，提交設(shè)計任務(wù)書，提交畢業(yè)設(shè)計的開題報告2013.09~2012.10查閱文獻(xiàn)資料，方案探討與可行性論證2013.10~2012.11確定總體設(shè)計方案2013.11~2012.12硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)2013.12~2013.01軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)2014.02~2013.03系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)現(xiàn)，完成仿真和測試，修改和完善，課題總結(jié)2014.03.25中期檢查2014.04~2013.05撰寫畢業(yè)論文2014.05.02~05.06畢業(yè)設(shè)計結(jié)題、資格審查2014.05.14~05.22答辯時間主要參考資料：[1]程德福，王君，凌振寶，等.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.103—143.[2]河道清.傳感器與傳感器技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.188—201.[3]楊世興．郭秀才監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)．北京：中國電力出版社，2007[4]陳潤泰、許琨．檢測技術(shù)與智能儀表．長沙：中南工業(yè)高校出版社，1998[5]蔡美琴．MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用．北京：高等教化出版社，1999

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Cold-Junction

Compensation

in

Thermocouple

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