智能热电偶测温系统设计--毕业设计论文.doc
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1、摘 要温度是表征物体冷热程度的物理量。在工农业生产和日常生活中,对温度的测量控制始终占据着重要地位。温度传感器应用范围之广、使用数量之大,也高居各类传感器之首。本文使用温度传感器设计了一个完整的测温系统。该系统所采用的温度传感器为热电偶,A/D转换器件为ADC0809,微型计算机采用的是MCS-51单片机。系统将温度变换、显示和控制集成于一体,用软件实现系统升、降温的调节,控制采用了模糊控制原理对系统进行控制。设计的系统所满足的技术指标:测温范围为500800,响应时间为小于等于1s,误差范围为-5+5。关键词:热电偶 A/D转换 模糊控制ABSTRACTTemperature is the
2、physical quantity of symptom object cold hot level. In the daily life and production of industry and agriculture, occupy important position all along for the measure control of temperature. Temperature sensor application broad scope and use big quantity, also hold the head of each kind of sensor hig
3、h. This paper uses temperature sensor and has designed , is a and complete to measure warm system. The temperature sensor adopted by this system is thermocouple, the converter of A/D is ADC0809, what personal computer adopt is that MCS-51 only flat machine. System alternates temperature , shows and
4、controls to be more integrated than one body , realizes system with software to rise , cool down regulation, control has adopted vague control principle as system controls. The technical index of design satisfied by system: Measure warm scope is 500 800 , respond time to be smaller than is equal to
5、1 s, scope is error - 5 + 5. Keyword: Thermocouple Conversion of A/D Vague to control 目 录第一章 绪论1第二章 系统设计2第三章 硬件结构及分析43.1 温度检测元件热电偶43.1.1 热电偶的特性43.1.2 热电偶的基本定律53.1.3 热电偶测温63.2 电源电路93.3 测量电路103.4 滤波电路113.5 控制电路123.6 A/D采集部分原理133.6.1 A/D转换器概述133.6.2 逐次逼近式A/D转换原理133.7 显示部分原理153.8 键盘部分的应用163.8.1 键盘的工作原理1
6、63.8.2 矩阵式按键接口173.8.3 键盘、显示器组合接口19第四章 控制软件及流程224.1 键盘、显示及A/D转换224.2 控制程序244.2.1 控制程序原理244.2.2 模糊控制在该系统中的实现25总 结29致 谢30参考文献31第一章 绪论检测与传感是实现单片机控制的关键环节,它与信息系统的输入端相连,并将检测的信号输送到信息处理部分,是单片机控制系统的感受器官。在科学实验和生产实际中,很多物体和现象具有明显和稳定的数量特征,我们可以通过测量和计算,确定该量的大小,并用数字给出结果,还有一些物体特征数量较少,或某些现象不十分明显,常常被很多其他量或现象所掩盖,能否检出这些被
7、掩盖量的存在,进而得出这些量的大小数值,都需要传感和检测技术。在科学技术的研究、工业生产应用的过程中,对这些量不仅要进行测量,而且要对其进行控制、变换、传输、显示等。在实践的过程中,人们逐步认识到电量具有易测等许多优点,而且大多非电量可以精确的转化为电量,这就是所谓的非电量测量技术。在单片机控制系统中信号检测主要就是应用这种非电量测量技术。本文就是采用了非电量测量技术,用热电偶将温度这一非电量转化为电量,在通过信号调理电路对输出信号进行放大、滤波,并送A/D转换,最后送单片机处理并实现对后续电路的控制。在加热过程中,我们采用了可控硅调压控制的方案,因为可控硅控制方法简单,元件的性能可靠,使用时
8、不易损坏,且成本较低,故在设计中采用了可控硅元件进行调压。加热对象为电阻性元件(如碳棒等)。由于被控对象是温度,且恒温箱体的热容量大,热惯性大,在加热过程中容易产生超调和震荡现象,控制精度难以实现。本设计采用模糊控制的方法,不仅控制程序较为简单,而且能达到较好的控制效果。第二章 系统设计该系统的基本组成如图2.1所示。图 2.1 系统原理框图 如上图所示,本系统由传感器、放大器、滤波器、A/D转换电路、单片机及键盘和显示电路组成。 温度参数是不能直接测量的,一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系,通过对这些特性参数的测量间接的获得。温度传感器的基本工作原理正是利用了这一性质。随着科学
9、技术的发展,现已开发出种类繁多的温度传感器。常用的温度传感器由P-N结温度传感器、热敏电阻温度传感器、集成温度传感器、热电阻及热电偶温度传感器等。其中,P-N结温度传感器有较好的线性度,热时间常数约0.2s2s,灵敏度高,其测温范围为-50 +50。其温度与压降的关系如图(2.2)所示。这种温度传感器的缺点是,同一型号的二极管或三极管的特性不一致。热敏电阻是电阻式传感器。它利用阻值随温度变化的特性来测量温度。一般把由金属氧化物陶瓷半导体材料经成型、烧结等工艺制成的测温元件叫做热敏电阻。热敏电阻的非线性严重,稳定性差,不可用于精确测量,主要用于电路温度补偿和保护。集成温度传感器实质上是一种集成电
10、路。它的线性好、灵敏度高、体积小、使用方便,但其测温范围窄,只可测180以下的温度。 图2.2 二极管的V-T特性热电阻的基本材料有铂、铜和镍,其阻值随温度的升高而增大。其中铂电阻有很好的稳定性和测量精度,测温范围宽,为-200600,但价格高。铜电阻测温范围窄,为-50+150。热电偶测温范围宽,一般为-50+1600,最高的可达2800,并且有较好的测量精度。另外,热电偶已标准化,系列化,易于选用,可以方便的用计算机做非线性补偿,因此应用很广泛。因为该系统测温范围为500800,所以经比较采用热电偶作为温度传感器。热电偶使用时用二极管构成温度补偿电路,二极管的线性度好,且用这种方法构成的补
11、偿电路与以往电路比较,性价比高。热电偶的输出信号较小,所以放大器选用低失调低漂移运放OP-07,组成增益可调的差动结构。该差动结构一方面用于放大热电偶的输出信号,另一方面用于与二极管构成的温度补偿电路的输出值相减。因为热电偶的输出信号小,所以有一点干扰也会对输出产生很大影响。该系统的干扰主要以50HZ及其以上的频率的干扰为主,所以采用两级低通滤波器滤除干扰。滤波器用的是有源低通滤波,其转折频率为10HZ。系统的设计指标要求测量精度在-5V+5V范围内,响应速度为小于等于1mS。ADC0809为逐次逼近式A/D转换器,转换精度约为1/256,转换速度约为120uS,所以选用ADC0809完全可以
12、满足系统要求。通过单片机完成键盘控制、显示及对加热系统的控制。键盘采用4*4矩阵式键盘,用四个数码管显示温度值,采用动态显示。对加热装置的控制通过单片机控制可控硅的导通角来完成。因为可控硅控制方法简单、性能可靠、不易损坏且成本较低,故在设计中采用了可控硅元件进行调压来控制加热,加热对象为电阻性元件(如碳棒等)。控制原理采用模糊控制,因为被控对象是温度,且恒温箱体的热容量大,热惯性大,在加热过程中容易产生超调和震荡现象,控制精度难以实现。本设计采用模糊控制的方法,不仅控制程序较为简单,而且能达到较好的控制效果。第三章 硬件结构及分析3.1 温度检测元件热电偶3.1.1 热电偶的特性基于热电效应原
13、理工作的传感器称为热电偶传感器,简称热电偶。热电偶的测温范围宽,一般为50+1600,最高的可达2800。并且有较好的测量精度。另外,热电偶已标准化,产品系列化,易于选用,可以用模拟法调整电路或仪表,也可以方便地用计算机作非线性补偿,因此它是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器。如图3.1所示,两种导体(或半导体)A或B的两端分别焊接或绞接在一起,形成一个闭合回路。若两个接点处于不同的温度,导体A和B的电子的逸出电位不同(即逸出功不同),电子密度不同,因而在他们的接触面处电子向对面流出的量不同,一面有多余电子,另一面缺少电子,便产生接触电动势(称为热电势),在回路中产生电流。图中导体(或半导
14、体)A和B称为热电极,它们组成热电偶AB。测温时接点(1)置于被测温度场中,称测温端(或工作端,热端);接点(2)一般处于某一恒定温度,称参考端(或自由端,冷端)。图3.1 热电效应示意图 热电偶产生的热电势与两个电极的材料及两个接点的温度有关,由单一导体的温差电势和两种导体的接触电势组成,通常写成。 温差电势是指一根匀质的金属导体,当两端的温度不同时,其内部产生的电动势。温差电势的形成是由于导体内高温端自由电子的动能比低温端自由电子的动能大。这样,高温端自由电子的扩散速率比低温端自由电子的扩散速率大,使得高温端因失去一些电子而带正电,低温端因得到一些电子而带负电,从而两端形成一定的电位差。根
15、据物理学推导,当导体A两端的温度分别为T,时,温差电势可由下式表示 (3-1)式中导体A的温差系数。同理导体B的温差电势为 (3-2)当A,B两种金属接触在一起时,由于两种金属导体内自由电子密度不同,再结点处就会发生电子迁移扩散,若金属A的电子密度大于金属B的电子密度,则由金属A扩散到金属B的电子数要比从金属B扩散到金属A的电子数多。这样,金属A因失去电子而带正电,金属B因得到电子而带负电,于是在接触面处形成电场。此电场将阻止电子由金属A进一步向金属B扩散,直到扩散作用与电场的阻止作用相等时,这过程便处于动态平衡。此时,在A,B两金属的接触面形成一个稳定的电位差,这就是接触电势。接触电势写成,
16、表示它的大小与两金属的材料有关,也与接触面处的温度有关。由物理学推导,接触电势的表达式为 (3-3)式中 K波尔兹是常数;T接触处的绝对温度;e电子电荷量;,分别为金属A,B的自由电子密度;对于图3.1所示的由A和B两种导体构成的热电偶回路,热端和冷端温度分别为T,时,其总热电势用表示,它等于整个回路中各接触电势与各温差电势的代数和。即 (3-4)上式右边第一项称接触电势,第二项称温差电势,接触电势一般大于温差电势。由上式可见,如果A和B两导体的材料相同,即=,=,即使两端温度T,不同,总电势也为0,因此热电偶必须用两种不同成分的材料作热电极。此外,如果热电偶的两电极材料不同,但热电偶的两端温
17、度相同,即T=,总的热电势也为0。3.1.2 热电偶的基本定律一 、中间导体定律在实际应用热电偶测量温度时,必须在热电偶回路中接入测量热电势的仪表。热电偶回路中接入测量仪表和连接导线相当于热电偶回路中接入第三种导体。可以证明:“在热电偶回路中接入第三种导体后,只要第三种导体两端的温度相同,就不会影响热电偶回路的总热电势。”这就是热电偶的中间导体定律。根据中间导体定律,我们可以在回路中引入各种仪表和连接导线,而不必担心会对热电势有影响。同时也允许采用任意的焊接方式来焊制热电偶。而且,应用这一定律,还可以采用开路热电偶测量液态金属和固体金属表面的温度。利用这一原理时应特别注意热电偶和仪表的两连接端
18、温度必须相等或极近似。但在一般情况下,因热电偶的参比端都靠近被测对象,所以有较高或变化不定的温度,在这种情况下,应首先将参比端设法引到一温度比较恒定并且和仪表所在地点有极近似温度的地方,然后才能运用这一原理。二 、中间温度定律热电偶AB在接点温度为T,时的热电势等于该热电偶在接点温度T,和,时的热电势之和。即=+ (3-5)称为中间温度。这个中间温度定律为制定热电偶的分度表奠定了理论基础。只要求得参考温度大于0时的“热电势温度”关系,就可以根据该定理求出参考温度不等于0时的“热电势温度”关系。即= (3-6)三 、标准电极定律由3种材料成分不同的热电极A,B,C分别组成3对热电偶,在相同结点温
19、度(T,)下,如果热电极A和B分别与热电极C(标准电极)组成的热电偶所产生的热电势已知,则由热电极A和B组成的热电偶的热电势可由下式求出: = (3-7)标准电极C通常由纯度很高,物理化学性能非常稳定的铂制成,称为标准铂热电极。利用标准电极定律可大大简化热电偶选配工作,只要已知任意两种电极分别与标准电极配对的热电势,即可求出这两种热电极配对的热电偶的热电势而不需要测定。3.1.3 热电偶测温一 、测温原理和方法热电偶两个电极的材料确定后,热电偶的热电势就只与热电偶两端温度有关。如果使参考端温度恒定不变,则对给定材料的热电偶,其热电势就只与工作端温度T成单值函数关系,即 = (3-8)这个函数关
20、系就是热电偶测温的原理。在热电偶中,A、B热电极材料的电子密度与温度有关,但其严格的数学函数关系是难以准确得到的,故热电势与温度的一一对应关系不是用计算的方法而是用实验的方法得到的。对给定的热电偶通过实验测得=0时,T取不同温度时的热电势数据,形成“热电势温度T对应关系数据表”称为该热电偶的分度表。有了这个分度表,今后在用该热电偶测量温度时,只要测得该热电偶的热电势,就可查分度表,确定出对应的被测温度的数值T,这种方法称为查表法。如果把热电偶与专用的测量仪器配套使用,通常该测量仪器的刻度就按热电偶型号所对应的分度表标定成温度数值,这样在用该热电偶及其配套测量仪器测温时,如=0,便可直接从仪表上
21、读取温度值T,这种方法称为直接法。一般来说,热电偶的分度表和相配的测温仪表都是规定在参考温度为0的情况下使用的。在参考温度为已知值但不是0的情况下,应采取如下计算修正的办法。若用查表法测温,则应在测出和已知后,先从分度表上查出与对应的值,再按(3-5)式计算出值,即=+ (3-9)最后从分度表查出与对应的温度T值。若采用直接法测温,因此时的热电势是且0,而仪器刻度确实按照“与T”的关系刻度的,故此时仪表指示温度“T”并不是真实温度T。通常热电偶测温仪器产品说明书上都会给出与指示值T相对应的修正系数k值,应按下式计算出真实温度T: (3-10)二 、热电偶的冷端温度校正为了使热电偶的热电势与被测
22、温度呈如(3-8)式的单值函数关系,需要使热电偶的冷端温度保持恒定或进行其它处理。1、冷端的恒温方式把冰屑和清洁的水相混合,放在保温瓶中,并使水面略低于冰屑面,然后把热电偶的冷端置于其中,在一个大气压的条件下,即可使冰水保持在0,这时热电偶输出的热电势符合分度表的对应关系。这种方法称为冰浴法,适用于实验室且无须校正。使冷端保持恒温的方法,也可以将冷端置于恒温槽中,在恒温槽内充油,冷端置于油中,以改善冷端温度的稳定性。亦可将冷端置于温度变化缓慢的容器中或置于深埋于地下的铁盒或充满绝热体的铁管中等等。上述方法的冷端温度T0,因此必须校正。2、冷端延伸工业测温时,被测点与指示仪表间往往有很长的距离,
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