电气工程创新设计与实践

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课程设计

题目: 设计K型热电偶测温电路

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摘要：K型热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用，可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

基于热电偶的温度测试仪，该仪器是以AT89C51单片机为核心，由AD590集成温

，由热电偶测量热端温度T，该热电偶采用K型热电偶（镍

度传感器测量冷端温度T

铬-镍硅热电偶）。它们分别经过I/V转换和线性放大，分时进行A/D转换，转换后的

数字信号送入AT89C51单片机，经单片机运算处理，转换成ROM地址，再通过二次查

表法计算出实际温度值，此值送4位共阴极LED数码管显示。该热电偶测温仪的软件

用C语言编写，采用模块化结构设计。

关键词：热电偶，冷端温度补偿，89C51单片机，ADC0809，

1单元模块设计

为使该模块化热电偶测温系统具有更加方便和灵活性，我们对系统的硬件做了精心设计。硬件电路包括冷端采集和补偿电路模块、热端放大电路模块、单片机模块，A/D转换模块，LED显示模块等。

1.1冷端采集和补偿电路模块

冷端采集和补偿电路运用AD590温度传感器采集冷端温度，并连接补偿电路进行温度补偿，如图1.1

图1.1冷端采集和补偿电路

1.1.1 AD590介绍

AD590是美国模拟器件公司生产的恒流源式模拟集成温度传感器，它兼有集成恒流源和温度传感器的特点，具有测量温度误差小，动态阻抗高，响应速度快，传输距离远，体积小，微功耗等优点，适合远距离测温，控温，不需要线性校准的特点。

其性能特点：AD590属于采用激光修正的精密集成温度传感器。其内部电路见图3.1所示。芯片中的R1和R2是采用激光修正的校准电阻，它能使+25℃下的输出电流恰好微298.2uA。首先有晶体管VT8和VT11产生与热力学温度成正比的电压信号。，在通过R5,R6把电压信号转换微电流信号，为保证有良好的温度特性，R5,R6的电阻温度系数应非常小，这里采用激光修正的SiCr薄模电阻，其电阻温度系数低，VT10的集电极电流能够跟随VT9和VT11的集电极电流的变化，使总电流达到额定值。R5和R6也需要在25℃的标准温度

下校准。

AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗>10M Ω，能大大减小因电源电压波动而产生的测量误差，例如，当电源电压从5V 变化到10V 时，所引起的电流最大变化量仅为1uA ，等价于1℃的测温误差。

AD590的工作电压为+4～30V ，测温范围是-55～+150℃，对应于热力学温度T 每变化1K ，输出电流就变化1uA.其输出电流Io （uA ）与热力学温度T （K ）严格成正比。电流温度系数K1的表达式为：

K1=

qR

K T

I 30=

㏑8 （3.2）

图1.1 AD590内部电路

因此，输出电流的微安数就代表着被测量温度的热力学温度值。热力学温标（K ）与摄氏温标（℃）的换算关系如式3所示：

T(℃)=T(K)-273.15 （3.3）

1.1.2冷端采集和补偿电路分析

AD590只需单电源工作，抗干扰能力强，要求的功率很低。输出电流值是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA 输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA 。接着补偿电路进行工作。

1、AD590的输出电流I=（273+T ）μA （T 为摄氏温度），因此测量的电压V 为（273+T ）μA×10K=（2.73+T/100）V 。为了将电压测量出来又务须使输出电流I 不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V 。

2、由于一般电源供应教多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V 。

3、接下来我们使用差动放大器其输出Vo 为（100K/10K ）×（V2-V1）=T/10， 如果现在为摄氏28℃，输出电压为2.8V ，输出电压接AD 转换器，那么AD 转换 输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。 注意事项：

1、Vo 的值为Io 乘上10K ，以室温25℃而言，输出值为10K×298μA=2.98V

2、测量Vo 时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。

1.2 热端放大电路模块

图1.2 热端放大调理电路

热电偶的热端放大电路如图1.2所示。热电偶的热端接入到INP口，然后进行一系列的调试放大。

本系统应用K型热电偶，导热系数测定过程中通常温度范围小于100℃，为保证测量精度，热电偶线性化软件我们每隔5℃分一段，并且精确到小数点后两位。硬件调理电路截取K型热电偶100℃的热电势4.095mv作为输入满量程，放大到5V，提供给AD转换器，要求调理电路放大倍数达1200多倍，为此我们选取高精度运算放大器MC33078，构成两级运算放大器，每级放大倍数小于40倍，。MC33078除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外，还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点，利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移，所以常被应用于热电偶、电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的电路中。

1.3 A/D转换器ADC0809

ADC0809是一种8路模拟输入逐次比较型A/D转换器，由于价格适中，与单片机的接口、软件操作均比较简单，目前在8位单片机系统中有着广泛的使用。片内由8路模拟多路开关、地址锁存器与译码器、8为A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成。如图3.3是本设计中ADC0809的部分连接图。

图1.3 ADC0809引脚图

引脚功能如下：

1、2-8—2-1八根数据三态输出端，IN 0-IN 7为八根单片模拟量输入端；

2、A 1-A 3:三根地址译码输入端，以选择8路模拟量输入通道中的一路；

3、五根转换逻辑控制信号端：

START:A/D 转换启动信号输入端，可用来作片选信号端； EOC ：转换结束信号输入端，可用作中断申请信号；

ALE: 地址所存允许输入端，用作多路开关的使能信号

O.E ：输出允许输入端，用来打开三态数据输出锁存器，以输出当前的A/D 转换数 CLK ：时钟信号输入端，用它产生ADC0809的内部各种定时信号。 4、四根供电输入端：

ref(+)正参考电压输入端；ref(-)负参考电压输入端；V CC 为供电电压输入端，一般需要+5V ；GND 为接地端。

ADC0809芯片可以分时处理8路模拟量输入信号,使用模拟开关切换。在某一时刻,模拟开关只能与一路模拟量通道接通,对该通道进行A/D 转换。当地址所存信号ALE 为高电平时, A 1-A 3三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中,经过译码器译码后选中某一通道。当ALE=0时,地址锁存器处于锁存状态,模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通。

1.4 LED 显示模块

在显示电路中采用4位共阴极LED 静态显示。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU 时间。缺点是使用元件多，线路比较复杂。共阴极LED 数码管显示电路如图1.7。

图1.7 LED显示电路

2软件设计

该热电偶测温仪的软件用C语言编写，采用模块化结构设计。考虑到实际中有时需要对测温的上下限值进行修改，或者是在测温之初检验该设备是否能够正常显示或运行，故在设计中可以根据需要加入键盘。

2.1主程序

主程序设计当中，主程序开始，先进行初始化，接下来先后调用A/D转换子程序、线性化标度变换子程序。最后通过LED显示所测得温度值。主程序流程图如图2.1

图2.1 主程序流程图

图3.1 主程序流程图

2.2 A/D转换子程序

A/D转换子程序流程图如图2.2。在该子程序中，首先对ADC0809的采样进行A/D转换，之后判断A/D转换是否完成，如果没有完成，则返回A/D转换，直到转换完成后，再

送到单片机缓冲单元存储，等待下一步线性化子进行数字滤波。待数字滤波后，将码值N

X

程序调用该码值。

图2.2 A/D 转换子程序流程图

在工业测量中，被测对象所处环境往往十分恶劣，常存在电场、磁场、噪声等干扰，使采样值偏离真实值。所以，在软件设计中，还需要一组滤波程序，对多次采样信号构成的数据系列进行平滑加工，以提高其有用信号在采样值中所占比例，减少乃至消除各种干扰及噪音，以保证系统工作的可靠性。一般在温度测量系统中采用限幅法或者限速法。限幅滤波是把两次相邻的采样值相减，求出增量（以绝对值表示），然后与两次采样允许的最大差值（由被控对象的实际情况决定）ΔY 进行比较，若小于或等于ΔY ，则取本次采样；若大于ΔY ，则仍取上次采样值作为本次采样值。而限速滤波法是一种折衷的方法，它利用最多3次采样值比较，决定采样结果。其方法是：

当|Y(2)-Y(1)|> ΔY 时，不像限幅滤波那样，用Y(1)作为本次采样值，而是再采样一次，取得Y(3),然后根据|Y(3)-Y(2)|与ΔY 的大小关系来决定本次采样值。其具体判别方式如下。设顺序采样时刻t1、t2、t3所采集的参数分别为Y(1)、Y(2)、Y(3)，那么

当|Y(2)-Y(1)|≤ΔY 时，则取Y(2)存入RAM

当|Y(2)-Y(1)|＞ΔY 时，则不采用Y(2)，但仍保留，继续采样取得Y(3) 当|Y(3)-Y(2)|≤ΔY 时，则取Y(3)存入RAM

当|Y(3)-Y(2)|＞ΔY 时，则取［|Y(2)-Y(1)|+ |Y(3)-Y(2)|］/2输入计算机。 在本设计中采用限速滤波法。程序流程图如图2.3。

图3.2 A/D 转换子程序流程图

图2.3 限速滤波子程序流程图

2.3 线性化标度变换子程序

一般测温仪表所采用的线性化方法大致有以下几种：

1、计算方法：即先用数学上的曲线拟合方法对热电势和对应温度进行拟合，得出误

差最小的近似表达式T=f(e)。为简化起见，常常是分段表达式，然后用计算程序进行分区计算得到温度。

2、直接查表法：对分度表不经处理，直接按一定的排列形式存入，用测得的A/D转

换值靠软件搜索来查得相对应的温度值。

3、数据压缩法：即将分度表进行压缩处理，减少数据表字节数，通过软件的适当计

算得出所测温度。

以上几种方法虽然都有其各自的优点，但它们所占的字节数，对把十几种分度好的线性修正数据或公式放入有限的单片机内存中，都是很困难的。

本设计采用分段直线拟合方法，既节省大量存储器，又有很高的测量精度，程序流程图如图2.4。

图2.4 线性化标度变换子程序流程图

基本原理是：预先根据分度值表计算出A/D 转换值所对应折点的温度值T 0、T 1…T N ，形成数据表，单片机进行修正时，根据测量值的大小，找到合适的修正直线段两个端点温

度值，通过简单直线方程计算出被测温度。

光进行线性化还不够的，还需要进行标度变换。在该热电偶测温仪表中，需要将测量的温度通过热电偶转换成0～+5V 的电压信号，再将对应的电压信号经A/D 转换，转换成对应的00～FFH （8位）的数字量D X 。之后还需将D X 值滤波，滤波后的码值为N X ,最后在现行化程序进行过程中，将转换成实际测量温度的显示码值。在这个信号转换过程，就是标度变换。

线性化标度变换的前提是被测量参数值与A/D 转换结果为线性关系。线性标度变换的公式为：

(4.1)

该式是线性化标度变换的通用公式。式中，

A :一次测量仪表的下限；

M A :一次测量仪表的上限；

X A :实际测量值（工程量）；

00

)(A N N N N A A A M X M X +---=图3.4 线性化标度变换子程序流程图

N :仪表下限所对应的数字量

M N :仪表上限所对应的数字量； X N :测量值所对应的数字量

其中， 、 、 、 对于某固定的被测量来说是常数，不同的参数有着不同的值。为了使程序设计简单，一般把一次测量仪表的下限所对应的A/D 转换值置为0。这样式(4.1)也可以写成：

(4.2)

当仪表下限值 =0，此时，对应的 =0，进一步将式(4.2)简化为： (4.3)

或者是

(4.4)

3 系统调试

本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试：冷端采集和补偿电路模块、热端放大电路模块、单片机模块，A/D 转换模块，LED 显示模块等，最后将各模块组合后进行整体测试。

3.1硬件调试

对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。

3.2软件调试

用Keil C 软件编写下位机的程序，将编好的程序进行调试，运用Keil C 可以检查语法错误。对设计好的硬件电路还可以运用ISIS 仿真软件进行仿真调试，并可以运用ISIS 和Keil C 进行联合仿真调试。

ISIS 与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况，也能仿真单片机CPU 的工作情况。因此在仿真和程序调试时，是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。从某种意义上讲ISIS 仿真，基本接近与工程应用。本次能在ISIS 上进行调试的主要是LED 显示模块，下面为LED 点阵动态变化0-9调试程序

0A 0

N M

N

X A 0

0)(A N N A A A M X M X +-=0A 0

N 0

A N N A A M X

M X +=M

M X X N A A A A N 0

--=

#include

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar code tab[]={0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0x00};//0-9,-,全灭unsigned char send[4];

void delay_50ms(unsigned int t)

{ unsigned int j;

for(;t>0;t--)

for(j=6000;j>0;j--)

{;}

}

void series(void)

{

short i;

TI=0;

for(i=0;i<4;i++)

{

SBUF=send[i];

while(!TI);

TI=0;

}

}

main()

{ uchar h,j,m;

//IE=0x00;

while(1)

{SCON=0x00;

for(h=0;h<11;h++)

{m=h;

for(j=0;j<4;j++)

{if(m==10)m=0;

send[j]=tab[m++];

series();

}

delay_50ms(10);

}

h=0;

}

3.3硬件软件联调

将调试好的硬件和软件进行联调，主要调试系统的实现功能。

4系统技术指标及精度和误差分析

随着各种高精度传感器的应用与普及，这一技术在科学研究，生产过程等领域中发挥着越来越重要的作用。人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取，处理，传输以及综合利用等要求愈加高。

镍铬-镍硅热电偶（K型热电偶）是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-200~1300℃完全满足设计的要求（测温范围为0℃—+400℃）。设计也能达到测温分辨率为±0.1℃的要求。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。

K型热电偶在250－600℃范围内使用时，由于其显微结构发生变化，形成短程有序结构，因此将影响热电势值而产生误差，这就是所谓的K状态。这是Ni-Cr合金特有的晶格变化，当WCr在5%－30%范围内存在着原子晶格从有序至无序为。由些引起的误差，因Cr 含量及温度的不同而变化。一般在800℃以上短时间热处理，其热电特性即可恢复。由于K状态的存在，使K型热电偶检定规程中明文规定检定顺序：由低温向高温逐点升温检定。而且在400℃检定点，不仅传热效果不佳，难以达到热平衡，而且，又恰好处于K状态误差最大范围。因此，对该点判定合格与否时应很慎重。Ni-Cr合金短程有序结构变化现象，不仅存在于K型，而且，在E型热电偶正极中也有此现象。但是，作为变化量E型热电偶仅为K型的2/3。总之，K状态与温度、时间有关，当温度分布或热电偶位置变化时，其偏差也会发生很大变化。故难以对偏差大小作出准确评价。

5设计小结

本次设计是基于热电偶的温度测试仪设计，该测温仪是以AT89C51单片机为核心，

，由热电偶测量热端温度T。它们分别经过由AD590集成温度传感器测量冷端温度T

I/V转换和线性放大，分时进行A/D转换，转换后的数字信号送入AT89C51单片机，经单片机运算处理，转换成ROM地址，在通过以上介绍的二次查表法计算出实际温度值。此值送4位共阴极LED数码管显示。另外还可以采用X25045作为看门狗芯片。在运算处理上，除了需要对采集到的信号进行A/D转换外，还需要在AT89C51单片机里对信号进行线性化标度变换。这一过程通过软件实现。它适用于环境控制建筑物设备、机械内的温度检测、过程监视和控制中的温度检测、恒温控制工业系统、消费类产品温度计以及任何热敏系统。

最后我们实现了设计的要求的技术指标：（1）测温范围 0℃— +400℃；（2）

分辨率±0.1℃；该系统也适合于楼宇等建筑物室内、过程监视和控制中的温度检测、恒温控制工业系统、恒温控制农业系统。

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