1、現(xiàn)代傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程論文專 業(yè) 電力電子 姓 名 馬彬涵 班級/學(xué)號 研1306班/ 2013020181 2013年 12月 26日基于熱電偶的數(shù)字溫度計的設(shè)計摘 要數(shù)字溫度計有許多種，其溫度信號的敏感元件也有許多種。前幾種熱敏元件測溫范圍比較窄，測溫范圍比較大的一般使用熱電偶作為敏感元件，尤其是在高溫測量的情況下，用熱電偶作為敏感元件是一個比較理想的選擇。使用熱電偶測溫的另一個優(yōu)點(diǎn)是，它可以直接將敏感到的溫度信號轉(zhuǎn)化成熱電勢，易于信號的獲取和處理。本設(shè)計是利用K型和E型熱電偶作為測溫敏感元件，將感測到的熱電勢經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換、放大，標(biāo)度轉(zhuǎn)換、線性化處理，冷端補(bǔ)償?shù)炔襟E數(shù)字化顯示出來，構(gòu)成基

2、于熱電偶的數(shù)字溫度計。該種數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便、成本低、測溫范圍寬、精度高的性質(zhì)，輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準(zhǔn)確的場所，或科研實(shí)驗(yàn)室使用，也可用于測試溫度較高的場合。本設(shè)計采用線性化輔助曲線進(jìn)行非線性補(bǔ)償，并用查詢固化在EEPROM里的校正值的非線性補(bǔ)償方法，提供了一種新的非線性補(bǔ)償用的電路設(shè)計途徑。并且采用數(shù)字式補(bǔ)償，不用加冷端補(bǔ)償器，只需根據(jù)冷端環(huán)境的溫度，構(gòu)造不同冷端溫度下的熱電偶分度表，在不同的溫度下選擇不同的分度表。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)非常適用。關(guān)鍵詞：熱電偶；數(shù)字溫度計；線性化處理；冷端補(bǔ)償AbstractThere are many types of d

3、igital thermometer and also temperature sensor signal. A thermocouple sensor is a more ideal choice in the high temperature measurement circumstances. It can be directly change the temperature signal into thermoelectric power is another advantage of using thermocouples to measure temperature.The des

4、ign use K-type and E-type thermocouple as temperature sensitive components. The sensor to the thermoelectric power as a digital display through signal conversion、amplification、scaling converter、linear processing, such as cold-step compensation. It is a basic component of many thermocouple thermomete

5、rs. This kind of digital thermometer has many advantages compared with the traditional thermometer, such as readings convenience, low cost, wide range of temperature measurement, high precision and the nature of digital temperature output and so on. So it is mainly used for more accurate temperature

6、 measurement or scientific research in laboratories, and can also be used for high temperature testing occasions. This design use auxiliary linear curve as nonlinear compensation and in the EEPROM used for curing, the nonlinear correction compensation method provides a new non-linear compensation by

7、 way of circuit design. And it use digital compensation, not cold-plus compensation, simply under cold-temperature environment. And it is very applicable in the laboratory.Keywords: thermocouple; Digital Display Instrument; linear processing; cold end compensation第一章 概述 本課題的內(nèi)容是制作K、E型熱電偶數(shù)字溫度計，其大體可以采用

8、一般的數(shù)字儀表組建方式，其間也有一些是屬于熱電偶的特殊之處，在制作過程中以區(qū)別于其他的數(shù)字儀表。常用的溫度傳感器有熱電偶和熱電阻兩大類，熱電偶的工作原理是基于熱電效應(yīng)，將被測溫度的大小轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭妱莸拇笮。瑹犭娕贾饕菧y高溫度源。熱電阻是將被測溫度轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器，敏感元件是金屬熱敏電阻。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。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（如鎢-錸）。構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且

9、不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。熱電偶分度表中給出的數(shù)據(jù)是以0°C為參考點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用時，環(huán)境常常不是0°C。為熱電偶冷端創(chuàng)造一個0°C環(huán)境，通常的作法是進(jìn)行冷端補(bǔ)償。由于熱電偶存在冷端補(bǔ)償問題，在本設(shè)計中采用了一種新型的數(shù)字溫度補(bǔ)償方法，區(qū)別于傳統(tǒng)的冷端補(bǔ)償方法。利用數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)，在后續(xù)的電路中進(jìn)行補(bǔ)償。針對于熱電偶的非線性特性，本設(shè)計中采用了線性化曲線輔助的方法進(jìn)行非線性的補(bǔ)償，傳統(tǒng)的最小二乘法在實(shí)際應(yīng)用中比較麻煩，實(shí)現(xiàn)起來很不方便，通過線性化輔助的方法，基本原則仍然是以折代曲。數(shù)字溫度測試儀有許多種，其溫度信號的敏感元件也有許多種，如：半

10、導(dǎo)體熱敏電阻、金屬熱電阻、集成溫度傳感器、熱電偶等。前幾種熱敏元件測溫范圍比較窄，一般在負(fù)幾十度至正幾百度左右，測溫范圍比較大的一般使用熱電偶作為敏感元件，尤其是在高溫測量的情況下，用熱電偶作為敏感元件是一個比較理想的選擇，目前市場上出售的熱電偶最高溫度可達(dá)2800°C。這是使用熱電偶測溫的優(yōu)點(diǎn)之一。使用熱電偶測溫的另一個優(yōu)點(diǎn)是，它可以直接將敏感到的溫度信號轉(zhuǎn)化成熱電勢，易于信號的獲取和處理。本設(shè)計是利用K型和E型熱電偶作為測溫敏感元件，將感測到的熱電勢經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換、放大，標(biāo)度轉(zhuǎn)換、線性化處理等數(shù)字化顯示出來，構(gòu)成基于熱電偶的數(shù)字溫度計。本設(shè)計的特點(diǎn)是采用了一種新型的非線性補(bǔ)償?shù)姆椒?/p>

11、，根據(jù)不同測量精度選擇兩種不同型號的熱電偶，測量范圍為0至800（測量精度±0.5）和0至1300（測量精度±1），與傳統(tǒng)的數(shù)字電子溫度測試儀相比，本設(shè)計的數(shù)字溫度測試儀具有讀數(shù)直觀方便，無讀數(shù)誤差，準(zhǔn)確率高，響應(yīng)速度快，測量精度高，成品體積小，成本低，攜帶方便，易于和計算機(jī)聯(lián)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)用化。該種溫度測試儀可用于測試溫度較高的場合，如高溫陶瓷燒結(jié)、金屬材料制備等的溫度控制系統(tǒng)中。第二章 系統(tǒng)設(shè)計過程數(shù)字式顯示儀表的基本構(gòu)成方式圖2-1所示，圖中各基本單元可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，以構(gòu)成不同用途的數(shù)字式顯示儀表。將其中一個或幾個電路制成專用功能模塊電路，若干個模

12、塊組裝起來，即可以制成一臺完整的數(shù)字式顯示儀表。其核心部件是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以A/D轉(zhuǎn)換器為中心，可將顯示儀表內(nèi)部分為模擬和數(shù)字兩大部分。 儀表的模擬部分一般設(shè)有信號轉(zhuǎn)換和放大電路，模擬切換開關(guān)等環(huán)節(jié)。信號轉(zhuǎn)換電路和放大電路的作用是將來自各種傳感器或變換器的被測信號轉(zhuǎn)換成一定范 圍內(nèi)的電壓值并放大到一定幅值，以供后續(xù)電路處理。 儀表的數(shù)字部分一般由計數(shù)器，譯碼器，時鐘脈沖發(fā)生器，驅(qū)動顯示電路以邏輯控制電路等組成。經(jīng)放大后的模擬信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量后，譯碼，驅(qū)動，送到顯示器件去進(jìn)行數(shù)字顯示。2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案本設(shè)計在全局上是采用集成電路芯片

13、組建的模擬/數(shù)字混合電路系統(tǒng)，這些芯片都是市場上常見的芯片，而且價格適中，主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行選購，使用的集成電路芯片有：(1) 熱電偶：K型（鎳鉻-鎳硅）和E型（鎳鉻-銅鎳）兩種型號熱電偶(2) 前置放大器：ICL7650 CMOS斬波穩(wěn)零單片集成運(yùn)算放大器(3) A/D轉(zhuǎn)換器：MC14433 3.5位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(4) 鎖存器：74系列的74LS373(5) EEPROM線性化器：MC28C64(6) 七段數(shù)碼管轉(zhuǎn)換器：BCD碼到七段碼轉(zhuǎn)換器4511本系統(tǒng)的設(shè)計方案圖如圖2-1所示，包括：信號轉(zhuǎn)換、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換、線性化電路及標(biāo)度變換、計數(shù)譯碼和數(shù)碼顯示與數(shù)碼輸出等幾個部分

14、組成。開發(fā)環(huán)境如下：(1) PC機(jī)一臺(2) 示波器一臺(3) 萬用表一個(4) 頻率計一個(5) 高精度電源一臺(6) 面包板一塊(7) 剝線鉗，鑷子各一個(8) 導(dǎo)線，不同阻值電阻若干1 被測信號與信號轉(zhuǎn)換選擇溫度傳感器比選擇其它類型的傳感器所需要考慮的內(nèi)容更多。首先，必須選擇傳感器的結(jié)構(gòu)，使敏感元件在規(guī)定的測量時間之內(nèi)達(dá)到所測流體或被測表面的溫度。其次，響應(yīng)時間是選擇傳感器的另一個基本依據(jù)，通常用時間常數(shù)來表示。數(shù)碼輸出數(shù)字顯示時鐘計數(shù)譯碼邏輯控制電路模擬開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電源放大電路信號轉(zhuǎn)換被測信號線性化電路及標(biāo)度變換圖2-1 數(shù)字溫度計的設(shè)計方案圖動態(tài)溫度的測量比較復(fù)雜，只有通過反復(fù)

15、測試，盡量接近地模擬出傳感器使用中經(jīng)常發(fā)生的條件，才能獲得傳感器動態(tài)性能的合理近似。熱電偶是基于熱電效應(yīng)，將被測溫度信號轉(zhuǎn)換為熱電勢，在這里，使用烘箱等作為熱源，采用K型（鎳鉻-鎳硅）和E型（鎳鉻-銅鎳）熱電偶作為測溫元件。這兩種型號的熱電偶的測溫范圍比較寬，其特性曲線可以用線性化來近似。從熱電偶所得到的電壓值還不是真正所需的電壓值，因?yàn)闊犭娕嫉臏囟忍匦员砑礋犭娕挤侄缺恚窃谄淅涠藴囟葹?時測得的，而通常情況下，熱電偶的冷端是暴露在環(huán)境溫度下，也就是說，其測出的電壓值受環(huán)境溫度的影響，此時就需要對其進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。常用的補(bǔ)償方法是采用冷端溫度補(bǔ)償器，一些冷端溫度補(bǔ)償器可以根據(jù)環(huán)境溫度測出補(bǔ)償

16、電勢，然后與熱電偶測得的熱電勢疊加，從而獲得真實(shí)的電壓值。本設(shè)計采用數(shù)字溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ恍枰永涠搜a(bǔ)償器，在后續(xù)的數(shù)字電路中對冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計簡單，精度高。2 放大電路熱電偶輸出的熱電勢信號，其大小只有毫伏級，不能作為后續(xù)電路的輸入信號，必須進(jìn)入前置放大器進(jìn)行信號放大。因此選用ICL7650作為放大器，它具有極低的輸入失調(diào)電壓（典型值為±1uV），失調(diào)電壓的溫漂和時漂也極低，分別為0.01mV/°C和3.33nV/d。也可選用OP-07超低失調(diào)運(yùn)算放大器作為前置放大器，但是失調(diào)電壓比ICL7650要大，因此，本方案采用ICL7650作為放大器。IC

17、L7650的使用方法比較簡單，它和其他的運(yùn)算放大器的使用方法類似，為了更好的起到放大的作用，需要對該芯片有一個電容補(bǔ)償元件，電容的型號為104即可。3 A/D轉(zhuǎn)換考慮到本設(shè)計屬于是一定范圍內(nèi)的溫度測量系統(tǒng)，溫度變化過程比較平穩(wěn)，不需要高速的A/D變換器，所以采用3.5位的雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器MC14433。MC14433是美國Motorola公司推出的單片3.5位A/D轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容元件即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器

18、。4 線性化電路及標(biāo)度變換利用查詢EEPROM的非線性補(bǔ)償方法，可以將非線性補(bǔ)償和標(biāo)度變換一起完成，簡化電路設(shè)計。AD轉(zhuǎn)換器的輸出作為地址碼訪問EEPROM時，EEPROM存放的表格內(nèi)容將被取出，送入顯示器以顯示被測的溫度。 K型熱電偶的溫度特性曲線是非線性的，為了在數(shù)字轉(zhuǎn)換部分使電路簡化，就應(yīng)當(dāng)在這里對非線性進(jìn)行補(bǔ)償，從它的溫度特性曲線可以看出，采用通常的折線法或最小二乘法都可以，不過就加大了計算的復(fù)雜程度，而且在后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換時就要采用高性能，多通道的器件，也就增加了整個設(shè)計的經(jīng)濟(jì)成本，為此，采用了借助線性化輔助曲線的方法。按照這種方法制作EPPROM內(nèi)的溫度表格，這樣把主要的精力用在尋

19、找非線性補(bǔ)償?shù)姆椒ㄉ希喕穗娐返脑O(shè)計，只需把計算出的溫度表格輸入到存儲器中即可，而且這種利用線性化輔助曲線進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ嬎愫唵危仔校雀?根據(jù)參考點(diǎn)和最小分度值的選取)，分辨率高，不僅適用于溫度補(bǔ)償系統(tǒng)還可以在近似的情況中應(yīng)用。只要后續(xù)轉(zhuǎn)化器件的精度高，就允許將參考點(diǎn)選取的更近，將最小分度值選取的更小。測量結(jié)果就更接近實(shí)際溫度值。5 數(shù)字顯示與數(shù)碼輸出從EEPROM線性化器讀出的數(shù)分別送到四個七段碼的譯碼器之中，從里面送出的數(shù)碼是BCD碼，然后把BCD數(shù)碼通過4511轉(zhuǎn)換為七段碼，若采用的是共陰極的數(shù)碼管，可以直接把4511的輸出接到數(shù)碼管的限流電阻上，然后接到七段碼上，但通常

20、使用的是共陽極的數(shù)碼管，這時就需要把4511輸出的七段碼經(jīng)過非門74HC04做一下反向，然后再通過限流電阻接到七段碼上，限流電阻一般可以根據(jù)具體情況來選擇，這里選擇240歐姆的阻值。在此采用的是靜態(tài)顯示方法，沒有采用動態(tài)顯示,所以將所有的數(shù)碼管的選通管腳都接到高電平，雖然比較耗費(fèi)電源，但是沒有加入動態(tài)顯示部分，節(jié)省了一部分成本。2.2 系統(tǒng)工作系統(tǒng)的工作過程如下：當(dāng)選用K型熱電偶測溫時，若被測溫度經(jīng)過熱電偶和數(shù)字溫度補(bǔ)償器后的熱電勢為20.636mv，經(jīng)過放大器的K型倍數(shù)放大后的A/D輸入電壓為0.394V，那么A/D轉(zhuǎn)換器的輸出讀數(shù)為：A/D轉(zhuǎn)換器輸出的BCD碼是0011 1001 0100

21、，直接用BCD碼去尋址，然后EEPROM將該單元的BCD碼輸出到相應(yīng)的4511上，它將輸入BCD碼轉(zhuǎn)換成七段輸出，直接驅(qū)動共陰極型七段數(shù)碼管，進(jìn)行讀數(shù)顯示。 當(dāng)選用E型熱電偶測溫時，若被測溫度經(jīng)過熱電偶和數(shù)字溫度補(bǔ)償器后的熱電勢為27.452mv，經(jīng)過放大器的E型倍數(shù)放大后的A/D輸入電壓為0.450V，那么A/D轉(zhuǎn)換器的輸出讀數(shù)為：A/D轉(zhuǎn)換器輸出的BCD碼是0100 0101 0000，直接用BCD碼去尋址，然后EEPROM將該單元的BCD碼輸出到相應(yīng)的4511上，它將輸入BCD碼轉(zhuǎn)換成七段輸出，直接驅(qū)動共陰極型七段數(shù)碼管，進(jìn)行讀數(shù)顯示。 可以用上述方法編制出K型和E型的分度表格，其它的測

22、量參數(shù)表格的編制方法與這種表格方式類同。2.3 性能指標(biāo)測量溫度范圍：0+800，0+1300 測量精度：±0.5（0+500），±1（500+1300）外形尺寸：可以根據(jù)不同使用環(huán)境制定。第三章 試驗(yàn)過程根據(jù)第二章所講述的設(shè)計過程，搭建電路圖，調(diào)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果并且處理有關(guān)的數(shù)據(jù)。具體過程如下：3.1 調(diào)試流程用穩(wěn)壓電源調(diào)出5v，5v，2v和地，把電源接入電路，仔細(xì)檢查預(yù)防把5v和5v接反。（電源的電壓如圖2-2所示）圖2-2 +5V和-5V電源的接法接入電源后可以先接入熱電偶，看看是否能一次性通過。如果LED有穩(wěn)定的顯示，通過調(diào)節(jié)放大器ICL7650的反饋電阻（電位器），來使

23、溫度顯示和實(shí)驗(yàn)臺所示溫度一致，然后再通過降低或升高實(shí)驗(yàn)臺溫度，檢驗(yàn)溫度計是否也隨之變化。若變化，基本成功。如果上步?jīng)]有通過，再嘗試如下調(diào)試：（1）用萬用表測量面包板上的電源線路是否供電正常，有沒有非正常的斷點(diǎn)，可以先從驅(qū)動電路的電源線（即5v，5v和地線）查起。發(fā)現(xiàn)斷點(diǎn)，即用導(dǎo)線自行連接好。（2）用萬用表測量ICL7650是否有輸出，即看該芯片是否工作正常起了放大作用。如果工作不正常，可嘗試替換該芯片。（3）用萬用表測量AD轉(zhuǎn)換芯片（mc14433p）的相應(yīng)輸入輸出拐腳是否有電壓，即檢測該芯片是否正常工作。（4）同樣的方法，分別用萬用表檢測其他的芯片是否正常工作。（5）若各個芯片正常工作，而顯

24、示很不穩(wěn)定。可以檢查是不是穩(wěn)壓電源沒有接好，EEPROM芯片是否壞了。經(jīng)過如上步驟，基本可以調(diào)試成功。3.2 調(diào)試經(jīng)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)過程中碰到的問題和解決的方法。（1）LED沒有顯示，用萬用表測量，發(fā)現(xiàn)某些芯片不工作。解決方法：通過用萬用表測試發(fā)現(xiàn)有些芯片不工作后，用萬用表測量驅(qū)動電路的電壓，發(fā)現(xiàn)有些非正常的斷點(diǎn)（即由于面包板質(zhì)量有問題，而導(dǎo)致的本應(yīng)該是連通的兩點(diǎn)，卻斷線了），然后用導(dǎo)線把這些斷點(diǎn)連接起來后，驅(qū)動電路的問題解決了。（2）LED顯示很不穩(wěn)定。 解決方法：1、用穩(wěn)壓電源代替實(shí)驗(yàn)臺上的電源。2、確保EEPROM（AT28C64）的27拐腳接了5v。3、如果這樣還顯示不穩(wěn)定，把EEPROM拿出

25、來，檢查EEPROM是否壞了，或者再重新燒一次芯片，即可解決這個問題。（3）對于MC14433的輸出，EEPROM 28C64沒有反應(yīng)。解決方法：參考28C64的管腳圖及功能，其中W*為寫使能，正常使用時應(yīng)置高電平；G*是輸出使能，應(yīng)置低電平，而原理圖中懸空，就帶來了不穩(wěn)定性。E*是使能端，應(yīng)置低電平。在調(diào)試的過程中，要注意檢查電路，防止有漏線的情況，同時也要注意查看實(shí)際使用的芯片功能及連接方式，防止已有的電路圖連線錯誤。還有就是顯示不穩(wěn)定的問題，原因是實(shí)驗(yàn) 臺的電源不穩(wěn)定。在換用標(biāo)準(zhǔn)電源后，穩(wěn)定性提高很多。3.3 實(shí)驗(yàn)有關(guān)數(shù)據(jù)及處理實(shí)驗(yàn)中所用的電路及部分示數(shù)如圖2-3和圖2-4所示。圖2-3 實(shí)驗(yàn)中所用的電路 圖2-4 實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際溫度與數(shù)碼管顯示的溫度表一 實(shí)驗(yàn)有關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)際溫度X()45.047.850.053.654.256.057.058.062.0數(shù)碼管顯示溫度Y()41.344.545.346.947.748.551.252.052.8熱電偶輸出Ux(mv)7.17.37.47.57.67.77.87.98.0運(yùn)算放大器輸出Uy(mv)15.820.020.522.623.624.626.026.527.6數(shù)據(jù)處理