基于单片机和K型热电偶的温度测量仪表设计

1.概述

1.1题目名

基于单片机和K 型热电偶的温度测量仪表设计

1.2功能和技术指标要求

（1）温度测量范围：室温~200℃；

（2）温度检测元件：K 型分度号热电偶；

（3）具有热电偶冷端温度自动补偿功能；

（4）温度测量精度：1℃±FS*2%；

（5）温度显示：LED 或LCD 数字显示，显示分辨率0.1℃

（6）具有温度上限、下线设置功能，当温度测量值越限时，进行声光报警；

（7）电源：电网AC220V , 要求在电网电压变化±15%范围内能够正常工作。

1.3国内外相关情况概述

温度的测量的历史：第一个温度传感器是伽利略做出来的。而温度测量的里程碑是由法勒海

特设计的水银温度计。1740年瑞典人摄氏提出在标准大气压下，把冰水混合物的温度规定

为0度，而水的沸腾度为100度。温度测量在保证产品的质量，节约能源，安全生产起到至

关重要的作用。技术现状有点到线，线到面温度分布的测温技术；由表面到内部的测温技术。

发展趋势是由于环境的多样化，复杂化，测温对象的多样化，智能检测成为现在温度测试的

趋势。所以要加强新工艺的开发；向着智能化发展。

2.技术方案

2.1温度测量的基本方法与原理

常见的温度测量方法和测温原理有：接触式，原理是热胀冷缩，这种方法测温方便。液体式

（如毛细管，水银温度计），原理是受热，液体膨胀系数变大，从而液体上升。这种方法测

温比较准确。

2.2总技术方案

温度测量仪表功能结构

热电偶 放大器 ADC

单 片 机 环境温度测量 直流稳压电源 数字显示 声光报警 上下限设置

先读取环境温度，热电偶测得温度经过ADC转换器变成数字，测得冷端温度，用补偿法再计算出温度值，送到显示器显示。如果温度超过上限设置，下限设置则蜂鸣器报警，且LED 灯变红。

3.硬件设计

3.1热电偶放大器设计

冷端补偿专用芯片MAX6675的温度读取

芯片MAX6675采用标准SPI串行外设总线与MCU接口，MAX6675只能作为从设备。

温度值与数字对应关系为:温度值=1023.75×转换后的数字量/4095

3.2热电偶冷端温度补偿方法及电路

冷端补偿法：测冷端温度补偿法再计算出温度值送到显示器

（循环）

LCD显示（循环）ASC码

电路：

3.3ADC电路

由MAX6675完成AD转换。

3.4稳压电源电路

学生电源。

3.5微处理器

STC52单片机，芯片MAX7765；按键；显示系统采用四位共阳极数码管7SEG-MPX4-CA，报警电路由PNP型三极管Q1和蜂鸣器构成。

3.6总体电路原理图

3.7硬件调试

用热电偶采集温度，把采集信号送到MAX7765中，在MAX6675中进行AD转换成数字信号，把数字信号送到STC52单片机进行处理，再送到显示屏显示。

4.软件设计

4.1软件功能说明

具有热电偶冷端温度自动补偿功能；

具有温度上限、下线设置功能，当温度测量值越限时，进行声光报警；

4.2软件总流程

开始，初始化52，AD初始化启动AD数值滤波（取平均值），调用采集转换子程序，用补偿法计算出温度值，检测是否超量程，超过量程则调用报警程序报警，否的话就继续调用子

程序进行循环。

是

否

4.3各功能软件 #include "reg52.h"//头文件

#include "intrins.h"//_nop_();延时函数用

#define uchar unsigned char //用uchar 代替unsigned char ，1字节0-255

#define uint unsigned int //用uint 代替nsigned int ，2字节0-26653

sbit SO=P1^0; //P1.0口与SO 相连

sbit SCK=P1^1; //P1.1口与SCK 相连

#include "reg52.h"//头文件

#include "intrins.h"//_nop_();延时函数用

#define uchar unsigned char //用uchar 代替unsigned char ，1字节0-255

#define uint unsigned int //用uint 代替nsigned int ，2字节0-26653

系统初始化 调用采集转换子程序 计算温度值 超量程？ 调用报警子程序 调用子程序

开始

sbit SO=P1^0; //P1.0口与SO相连

sbit SCK=P1^1; //P1.1口与SCK相连

sbit CS=P1^2; //P1.2口与CS相连

sbit buzzer=P1^6; //P13.6 s声光报警

uint j,h;

float wendu;//4字节（6位数字）

uint Re_Convert();//热电偶数据读取，返回温度

void Disp_temp();//温度显示

uchar qian=0,bai=0,shi=0,ge=0,xiao=0;

uint P_Temp;

uint temp;

uchar code tab_1[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};

//共阳LED段码表

uchar code tab_2[10]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10}; //含小数点共阳段码

// "0" "1" "2" "3" "4" "5" "6" "7" "8" "9"

uchar code tab_3[4]={0x01,0x02,0x04,0x08}; //位码

uint Re_Convert() //热电偶数据读取，返回温度

{ uchar i;

unsigned long Temp_2;

Temp_2=0;

CS=1;

SCK=0;

_nop_();_nop_();

//这个_nop_()等效与汇编里面的NOP指令，也就是空一个机器周期，

//在51单片机中_nop_()等于空12个时钟周期【即一个机器周期】

CS=0;

for(i=0;i<16;i++)//16位数据读取

{ Temp_2<<=1;//向右移一位

_nop_();

SCK=1;//上升

if(SO==1){Temp_2=Temp_2|0x01;}

else Temp_2=Temp_2|0x00;

_nop_();

SCK=0;

_nop_();

}

Temp_2=Temp_2<<1;//向左移一位，取0-14位

Temp_2=Temp_2>>4; //向右移4位，取3-14位

Temp_2=Temp_2*1024/4096;//变换为温度值Temp_2=Temp_2-23; Temp_2=Temp_2;

if (Temp_2>200)

{

for(j=300;j>0;j--);

buzzer=0;

}

else

buzzer=1;

return(Temp_2);

}

void Disp_temp()//温度显示

{

uint temp=wendu;

temp=temp*10;

if(wendu<=200) //最高读取温度设定为200摄氏度{

xiao=(temp&0x0f)*10/16; //取小数位数字

temp=temp/10;

ge =temp%10;//取个位数字

temp=temp/10;

shi =temp%10;//取十位数字

bai =temp/10;//去百位数字

//动态扫描显示各位数字，P3.1-P3.4口输出位码

P3=0x00;

P0=tab_1[bai];

P3=tab_3[0];

for(j=300;j>0;j--);

P3=0x00;

P0=tab_1[shi];

P3=tab_3[1];

for(j=300;j>0;j--);

P3=0x00;

P0=tab_2[ge];

P3=tab_3[2];

for(j=300;j>0;j--);

P3=0x00;

P0=tab_1[xiao];

P3=tab_3[3];

for(j=300;j>0;j--);

}

}

void main()//主程序

{

for(j=300;j>0;j--);

while(1)

{

wendu=Re_Convert();// 热电偶数据读取，返回温度

Disp_temp(); //温度显示

}

} sbit CS=P1^2; //P1.2口与CS相连

sbit buzzer=P1^6; //P13.6 s声光报警

uint j,h;

float wendu;//4字节（6位数字）

uint Re_Convert();//热电偶数据读取，返回温度

void Disp_temp();//温度显示

uchar qian=0,bai=0,shi=0,ge=0,xiao=0;

uint P_Temp;

uint temp;

uchar code tab_1[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};

//共阳LED段码表

uchar code tab_2[10]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10}; //含小数点共阳段码

// "0" "1" "2" "3" "4" "5" "6" "7" "8" "9"

uchar code tab_3[4]={0x01,0x02,0x04,0x08}; //位码

uint Re_Convert() //热电偶数据读取，返回温度

{ uchar i;

unsigned long Temp_2;

Temp_2=0;

CS=1;

SCK=0;

_nop_();_nop_();

//这个_nop_()等效与汇编里面的NOP指令，也就是空一个机器周期，//在51单片机中_nop_()等于空12个时钟周期【即一个机器周期】CS=0;

for(i=0;i<16;i++)//16位数据读取

{ Temp_2<<=1;//向右移一位

_nop_();

SCK=1;//上升

if(SO==1){Temp_2=Temp_2|0x01;}

else Temp_2=Temp_2|0x00;

_nop_();

SCK=0;

_nop_();

}

Temp_2=Temp_2<<1;//向左移一位，取0-14位

Temp_2=Temp_2>>4; //向右移4位，取3-14位

Temp_2=Temp_2*1024/4096;//变换为温度值Temp_2=Temp_2-23; Temp_2=Temp_2;

if (Temp_2>200)

{

for(j=300;j>0;j--);

buzzer=0;

}

else

buzzer=1;

return(Temp_2);

}

void Disp_temp()//温度显示

{

uint temp=wendu;

temp=temp*10;

if(wendu<=200) //最高读取温度设定为200摄氏度{

xiao=(temp&0x0f)*10/16; //取小数位数字

temp=temp/10;

ge =temp%10;//取个位数字

temp=temp/10;

shi =temp%10;//取十位数字

bai =temp/10;//去百位数字

//动态扫描显示各位数字，P3.1-P3.4口输出位码

P3=0x00;

P0=tab_1[bai];

P3=tab_3[0];

for(j=300;j>0;j--);

P3=0x00;

P0=tab_1[shi];

P3=tab_3[1];

for(j=300;j>0;j--);

P3=0x00;

P0=tab_2[ge];

P3=tab_3[2];

for(j=300;j>0;j--);

P3=0x00;

P0=tab_1[xiao];

P3=tab_3[3];

for(j=300;j>0;j--);

}

}

void main()//主程序

{

for(j=300;j>0;j--);

while(1)

{

wendu=Re_Convert();// 热电偶数据读取，返回温度

Disp_temp(); //温度显示

}

}

4.4软件测试

软件能运行成功，数码管有温度变化显示。

5.温度测量仪器测试与校准

5.1温度测量仪器测试方法

用热水器烧开的热水进行测试；用手温来测试。

5.2相应记录

热水器烧开的热水手心温度

88℃35℃

5.3对实验数据进行分析

误差变动大稍低于实验要求，由于温度不能进行连续变化，要按复位键，所以功能不能满足要求。误差的原因有放大倍数与其误差的稳定性；热电偶；本身电路；转换电路（基准电源）；程序没有完善好。由于我负责硬件方面，所以改进设想是尽量减少本身电路产生的误差，而且由于跳线较多使得焊电路的时候变得麻烦，以后一定要注意。