基于熱電偶數字溫度計設計——劉汝濤

1、現代傳感器技術及應用課程論文專 業(yè) 電力電子 姓 名 馬彬涵 班級/學號 研1306班/ 2013020181 2013年 12月 26日基于熱電偶的數字溫度計的設計摘 要數字溫度計有許多種，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)點是，它可以直接將敏感到的溫度信號轉化成熱電勢，易于信號的獲取和處理。本設計是利用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過信號轉換、放大，標度轉換、線性化處理，冷端補償等步驟數字化顯示出來，構成基

2、于熱電偶的數字溫度計。該種數字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數方便、成本低、測溫范圍寬、精度高的性質，輸出溫度采用數字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，也可用于測試溫度較高的場合。本設計采用線性化輔助曲線進行非線性補償，并用查詢固化在EEPROM里的校正值的非線性補償方法，提供了一種新的非線性補償用的電路設計途徑。并且采用數字式補償，不用加冷端補償器，只需根據冷端環(huán)境的溫度，構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。在實驗室內非常適用。關鍵詞：熱電偶；數字溫度計；線性化處理；冷端補償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 本課題的內容是制作K、E型熱電偶數字溫度計，其大體可以采用

8、一般的數字儀表組建方式，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，將被測溫度的大小轉變?yōu)闊犭妱莸拇笮?，熱電偶主要是測高溫度源。熱電阻是將被測溫度轉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+2800（如鎢-錸）。構造簡單，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，外有保護套管，用起來非常方便。熱電偶分度表中給出的數據是以0C為參考點。實際應用時，環(huán)境常常不是0C。為熱電偶冷端創(chuàng)造一個0C環(huán)境，通常的作法是進行冷端補償。由于熱電偶存在冷端補償問題，在本設計中采用了一種新型的數字溫度補償方法，區(qū)別于傳統(tǒng)的冷端補償方法。利用數字電路的優(yōu)點，在后續(xù)的電路中進行補償。針對于熱電偶的非線性特性，本設計中采用了線性化曲線輔助的方法進行非線性的補償，傳統(tǒng)的最小二乘法在實際應用中比較麻煩，實現起來很不方便，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：半導體熱敏電阻、金屬熱電阻、集成溫度傳

10、感器、熱電偶等。前幾種熱敏元件測溫范圍比較窄，一般在負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2800C。這是使用熱電偶測溫的優(yōu)點之一。使用熱電偶測溫的另一個優(yōu)點是，它可以直接將敏感到的溫度信號轉化成熱電勢，易于信號的獲取和處理。本設計是利用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過信號轉換、放大，標度轉換、線性化處理等數字化顯示出來，構成基于熱電偶的數字溫度計。本設計的特點是采用了一種新型的非線性補償的方法，根據不同測量精度選擇兩種不同型號的熱電偶，測量

11、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)的數字電子溫度測試儀相比，本設計的數字溫度測試儀具有讀數直觀方便，無讀數誤差，準確率高，響應速度快，測量精度高，成品體積小，成本低，攜帶方便，易于和計算機聯(lián)機進行數據處理等優(yōu)點，易于實用化。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、金屬材料制備等的溫度控制系統(tǒng)中。第二章 系統(tǒng)設計過程數字式顯示儀表的基本構成方式圖2-1所示，圖中各基本單元可以根據需要進行組合，以構成不同用途的數字式顯示儀表。將其中一個或幾個電路制成專用功能模塊電路，若干個模塊組裝起來，即可以制成一臺完整的數字式顯示儀表。其核心部件是模擬/數字轉

12、換器，可以將輸入的模擬信號轉換成數字信號，以A/D轉換器為中心，可將顯示儀表內部分為模擬和數字兩大部分。 儀表的模擬部分一般設有信號轉換和放大電路，模擬切換開關等環(huán)節(jié)。信號轉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換成一定范 圍內的電壓值并放大到一定幅值，以供后續(xù)電路處理。 儀表的數字部分一般由計數器，譯碼器，時鐘脈沖發(fā)生器，驅動顯示電路以邏輯控制電路等組成。經放大后的模擬信號由A/D轉換器轉換成相應的數字量后，譯碼，驅動，送到顯示器件去進行數字顯示。2.1 系統(tǒng)設計方案本設計在全局上是采用集成電路芯片組建的模擬/數字混合電路系統(tǒng)，這些芯片都是市場上常見的芯片，而且價格適中

13、，主要是根據實驗要求進行選購，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)零單片集成運算放大器(3) A/D轉換器：MC14433 3.5位雙積分型A/D轉換器(4) 鎖存器：74系列的74LS373(5) EEPROM線性化器：MC28C64(6) 七段數碼管轉換器：BCD碼到七段碼轉換器4511本系統(tǒng)的設計方案圖如圖2-1所示，包括：信號轉換、放大電路、A/D轉換、線性化電路及標度變換、計數譯碼和數碼顯示與數碼輸出等幾個部分組成。開發(fā)環(huán)境如下：(1) PC機一臺(2) 示波器一臺(3) 萬用表一

14、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) 導線，不同阻值電阻若干1 被測信號與信號轉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容更多。首先，必須選擇傳感器的結構，使敏感元件在規(guī)定的測量時間之內達到所測流體或被測表面的溫度。其次，響應時間是選擇傳感器的另一個基本依據，通常用時間常數來表示。數碼輸出數字顯示時鐘計數譯碼邏輯控制電路模擬開關A/D轉換基準電源放大電路信號轉換被測信號線性化電路及標度變換圖2-1 數字溫度計的設計方案圖動態(tài)溫度的測量比較復雜，只有通過反復測試，盡量接近地模擬出傳感器使用中經常發(fā)生的條件，才能獲得傳感器動態(tài)性能

15、的合理近似。熱電偶是基于熱電效應，將被測溫度信號轉換為熱電勢，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，因為熱電偶的溫度特性表即熱電偶分度表，是在其冷端溫度為0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，此時就需要對其進行冷端溫度補償。常用的補償方法是采用冷端溫度補償器，一些冷端溫度補償器可以根據環(huán)境溫度測出補償電勢，然后與熱電偶測得的熱電勢疊加，從而獲得真實的電壓值。本設計采用數字

16、溫度補償的方法，不需要加冷端補償器，在后續(xù)的數字電路中對冷端溫度進行補償，這樣做的優(yōu)點是電路設計簡單，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，必須進入前置放大器進行信號放大。因此選用ICL7650作為放大器，它具有極低的輸入失調電壓（典型值為1uV），失調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超低失調運算放大器作為前置放大器，但是失調電壓比ICL7650要大，因此，本方案采用ICL7650作為放大器。ICL7650的使用方法比較簡單，它和其他的運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

17、對該芯片有一個電容補償元件，電容的型號為104即可。3 A/D轉換考慮到本設計屬于是一定范圍內的溫度測量系統(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轉換器MC14433。MC14433是美國Motorola公司推出的單片3.5位A/D轉換器，其中集成了雙積分式A/D轉換器所有的CMOS模擬電路和數字電路。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，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只要外接少量的阻容元件即可構成一個完整的A/D轉換器。4 線性化電路及標度變換利用查詢EEPROM的非線性補償方法，可以將非線性補償和標度變換一起完

18、成，簡化電路設計。AD轉換器的輸出作為地址碼訪問EEPROM時，EEPROM存放的表格內容將被取出，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，為了在數字轉換部分使電路簡化，就應當在這里對非線性進行補償，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雜程度，而且在后續(xù)的A/D轉換時就要采用高性能，多通道的器件，也就增加了整個設計的經濟成本，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內的溫度表格，這樣把主要的精力用在尋找非線性補償的方法上，簡化了電路的設計，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

19、性化輔助曲線進行非線性補償的方法，計算簡單，易行，精度高(根據參考點和最小分度值的選取)，分辨率高，不僅適用于溫度補償系統(tǒng)還可以在近似的情況中應用。只要后續(xù)轉化器件的精度高，就允許將參考點選取的更近，將最小分度值選取的更小。測量結果就更接近實際溫度值。5 數字顯示與數碼輸出從EEPROM線性化器讀出的數分別送到四個七段碼的譯碼器之中，從里面送出的數碼是BCD碼，然后把BCD數碼通過4511轉換為七段碼，若采用的是共陰極的數碼管，可以直接把4511的輸出接到數碼管的限流電阻上，然后接到七段碼上，但通常使用的是共陽極的數碼管，這時就需要把4511輸出的七段碼經過非門74HC04做一下反向，然后再通

20、過限流電阻接到七段碼上，限流電阻一般可以根據具體情況來選擇，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,所以將所有的數碼管的選通管腳都接到高電平，雖然比較耗費電源，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：當選用K型熱電偶測溫時，若被測溫度經過熱電偶和數字溫度補償器后的熱電勢為20.636mv，經過放大器的K型倍數放大后的A/D輸入電壓為0.394V，那么A/D轉換器的輸出讀數為：A/D轉換器輸出的BCD碼是0011 1001 0100，直接用BCD碼去尋址，然后EEPROM將該單元的BCD碼輸出到相應的4511上，它將輸入BCD

21、碼轉換成七段輸出，直接驅動共陰極型七段數碼管，進行讀數顯示。 當選用E型熱電偶測溫時，若被測溫度經過熱電偶和數字溫度補償器后的熱電勢為27.452mv，經過放大器的E型倍數放大后的A/D輸入電壓為0.450V，那么A/D轉換器的輸出讀數為：A/D轉換器輸出的BCD碼是0100 0101 0000，直接用BCD碼去尋址，然后EEPROM將該單元的BCD碼輸出到相應的4511上，它將輸入BCD碼轉換成七段輸出，直接驅動共陰極型七段數碼管，進行讀數顯示。 可以用上述方法編制出K型和E型的分度表格，其它的測量參數表格的編制方法與這種表格方式類同。2.3 性能指標測量溫度范圍：0+800，0+1300

22、測量精度：0.5（0+500），1（500+1300）外形尺寸：可以根據不同使用環(huán)境制定。第三章 試驗過程根據第二章所講述的設計過程，搭建電路圖，調試實驗結果并且處理有關的數據。具體過程如下：3.1 調試流程用穩(wěn)壓電源調出5v，5v，2v和地，把電源接入電路，仔細檢查預防把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，通過調節(jié)放大器ICL7650的反饋電阻（電位器），來使溫度顯示和實驗臺所示溫度一致，然后再通過降低或升高實驗臺溫度，檢驗溫度計是否也隨之變化。若變化，基本成功。如果上步沒有通

23、過，再嘗試如下調試：（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，可以先從驅動電路的電源線（即5v，5v和地線）查起。發(fā)現斷點，即用導線自行連接好。（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轉換芯片（mc14433p）的相應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，而顯示很不穩(wěn)定?？梢詸z查是不是穩(wěn)壓電源沒有接好，EEPROM芯片是否壞了。經過如上步驟，基本可以調試成功。3.2 調試經驗在

24、實驗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)現某些芯片不工作。解決方法：通過用萬用表測試發(fā)現有些芯片不工作后，用萬用表測量驅動電路的電壓，發(fā)現有些非正常的斷點（即由于面包板質量有問題，而導致的本應該是連通的兩點，卻斷線了），然后用導線把這些斷點連接起來后，驅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)壓電源代替實驗臺上的電源。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 28

25、C64沒有反應。解決方法：參考28C64的管腳圖及功能，其中W*為寫使能，正常使用時應置高電平；G*是輸出使能，應置低電平，而原理圖中懸空，就帶來了不穩(wěn)定性。E*是使能端，應置低電平。在調試的過程中，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，原因是實驗 臺的電源不穩(wěn)定。在換用標準電源后，穩(wěn)定性提高很多。3.3 實驗有關數據及處理實驗中所用的電路及部分示數如圖2-3和圖2-4所示。圖2-3 實驗中所用的電路 圖2-4 實驗中的實際溫度與數碼管顯示的溫度表一 實驗有關數據實際溫度X()45.047.850.053.654.256.057.058.062.0數碼管顯示溫度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運算放大器輸出Uy(mv)15.820.020.522.623.624.626.026.527.