熱電偶溫度傳感器應(yīng)用下的高速測(cè)溫系統(tǒng)

摘要:本文著重對(duì)使用熱電偶溫度傳感器進(jìn)行快速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，對(duì)其熱惰性的時(shí)間常數(shù)給予綜合考慮，借助快速算法達(dá)到快速測(cè)溫的目的。本系統(tǒng)采用具有冷端補(bǔ)償功能的MAX6675溫度轉(zhuǎn)換器、AT89C51型單片機(jī)、K型熱電偶以及數(shù)碼管等多種構(gòu)件組成溫度采集、轉(zhuǎn)換、控制、報(bào)警、顯示等相應(yīng)電路及軟件，可達(dá)到0.25℃溫度測(cè)量精度。該系統(tǒng)先利用熱電偶進(jìn)行溫度采集，所得數(shù)據(jù)經(jīng)MAX675設(shè)備處理后傳送到單片做算法處理，然后將所測(cè)溫度值由數(shù)碼管顯示出來(lái)。
　　物體的冷熱狀況需通過(guò)溫度來(lái)體現(xiàn)出來(lái)，溫度測(cè)量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)、科技研究等多種領(lǐng)域得到應(yīng)用。--些特殊場(chǎng)合對(duì)測(cè)溫速度提出較高要求，比如汽車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)中吸人發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣溫度測(cè)量需要小于1s的熱相應(yīng);測(cè)量航天飛行主發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度完成時(shí)間應(yīng)在0.4s內(nèi)等等，所以設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速測(cè)溫目的具有極高的實(shí)用價(jià)值。
一、相關(guān)定義解析
1.1熱電偶。焊接兩種不同金屬導(dǎo)體,設(shè)置為閉合回路"。當(dāng)焊接端受熱時(shí)有溫差產(chǎn)生，此時(shí)回路中會(huì)有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生,這種現(xiàn)象被稱(chēng)作賽貝客效應(yīng)。將參考端的溫度控制在0℃時(shí)，回路所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)演變?yōu)楹附佣说臏囟葐沃岛瘮?shù)。利用熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)量的方式實(shí)施溫度測(cè)量的成對(duì)金屬導(dǎo)體即為熱電偶。熱電偶所生成熱電動(dòng)勢(shì)的大小，只和熱電極兩端溫度以及材料有關(guān)，而與電極的直徑和長(zhǎng)度沒(méi)有關(guān)系。
1.2高速算法。高速算法是指間隔相等的時(shí)間內(nèi)，對(duì)三個(gè)溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)與初始階段的溫度、穩(wěn)定階段的溫度以及熱時(shí)間的常數(shù)相互關(guān)系，最終得出溫度穩(wěn)定以后計(jì)算溫度的數(shù)學(xué)公式，得出所測(cè)溫度值。
二、系統(tǒng)原理分析
2.1熱電偶應(yīng)用下高速測(cè)溫的基本原理。在熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，溫度呈緩慢上升狀態(tài)，并且隨著時(shí)間的變化，溫度并不是線性變化的過(guò)程，所以結(jié)合科學(xué)軟件算法，對(duì)熱電偶時(shí)間常數(shù)給予考慮是高速測(cè)溫實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。算法依據(jù)對(duì)等間隔內(nèi)t1-t3三個(gè)等間隔時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)溫度值的采集，然后結(jié)合采集溫度值的初始溫度、穩(wěn)定以后的溫度以及熱時(shí)間的溫度常數(shù)關(guān)系，推算出溫度值的推算公式。溫度測(cè)量時(shí)隨著時(shí)間變化而變化。
　　通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定階段的溫度與三個(gè)采集的溫度值有關(guān)，與其他未知量無(wú)關(guān)。因此該計(jì)算方法需要快速對(duì)間隔相等的時(shí)間內(nèi)三個(gè)溫度值采集，然后運(yùn)用軟件算法進(jìn)行計(jì)算，最終達(dá)到高速測(cè)量溫度的目的。
2.2冷端補(bǔ)償?shù)挠行Т胧犭娕几咚贉囟葴y(cè)量中，用于溫度測(cè)量的一端為熱端，測(cè)量電路與引線相連接的一端為冷端。在進(jìn)行熱電偶溫度測(cè)量時(shí)，冷端溫度值不變，測(cè)量溫度與熱電勢(shì)值之間具有一定比例關(guān)系。溫度測(cè)量時(shí)，當(dāng)冷端溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)對(duì)測(cè)量正確性造成嚴(yán)重影響。因此需要采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)償，降低因冷端溫度變化而產(chǎn)生的影響。常用的補(bǔ)償方法有分立元?dú)饧a(bǔ)償法、集成電路補(bǔ)償法。由于分立元?dú)饧a(bǔ)償方法的電路比較復(fù)雜，并且測(cè)量的精度不高，造成的誤差大，集成電路補(bǔ)償法通過(guò)溫度集成轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行溫度測(cè)量，不僅使溫度數(shù)值化、補(bǔ)償冷端溫度得到解決，并且可將因熱電偶的非線性測(cè)量誤差消除，而且還具有較高的精度，可使電路設(shè)計(jì)得到優(yōu)化。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用集成電路補(bǔ)充法。
　　集成電路溫度補(bǔ)償方法，利用具有測(cè)量溫度數(shù)值化及補(bǔ)充冷端溫度功能的專(zhuān)用芯片。一方面環(huán)境溫度通過(guò)敏感度較高的內(nèi)置二極管轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償電壓，同時(shí)又將補(bǔ)償電壓和熱電勢(shì)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換成數(shù)字量表示溫度。二者進(jìn)行相加后，測(cè)量結(jié)果由串行接口傳輸出來(lái)，該數(shù)據(jù)代表實(shí)際溫度。該方法工作系統(tǒng)主要由溫度采集、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示等電路組成。
2.3硬件組成的基本原理。該系統(tǒng)所用硬件包括采集溫度的熱電偶電路，溫度處理的MAX6675電路、單片機(jī)89C51控制電路、報(bào)警電路以及顯示數(shù)據(jù)的數(shù)碼管電路等組成。系統(tǒng)所采用的熱電偶類(lèi)型分度號(hào)K型，為了使得受外界干擾信號(hào)減少，直接將MAX675與雙絞線連接，利用SPI接口實(shí)現(xiàn)MAX6675數(shù)據(jù)傳輸功能，利用單片轉(zhuǎn)換設(shè)備控制溫度轉(zhuǎn)換芯片。該系統(tǒng)具有超量程自動(dòng)報(bào)警性能，當(dāng)所測(cè)溫度超過(guò)400℃或者低于0℃時(shí)，系統(tǒng)的報(bào)警電路能夠自動(dòng)報(bào)警。數(shù)據(jù)顯示電路在89C51型單片機(jī)鎖存器作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的控制，在數(shù)碼管進(jìn)行工作時(shí)，具有較大電流的PNP8850型三極管實(shí)施控制，數(shù)碼管可將達(dá)到規(guī)定范圍的測(cè)量溫度快速顯示。
2.4基本工作程序。首先利用熱電偶對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)MAX6675轉(zhuǎn)換電路將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、實(shí)施冷端補(bǔ)償，以及校正，溫度數(shù)字量經(jīng)轉(zhuǎn)換電路處理后以串行的方式傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，通過(guò)單片機(jī)軟件算法對(duì)數(shù)字量進(jìn)行處理。測(cè)量溫度如果達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)碼管可將溫度值直接顯示出來(lái)。如果不在規(guī)定范圍內(nèi)，單片機(jī)所控制的報(bào)警系統(tǒng)則會(huì)發(fā)出警報(bào)。
三、系統(tǒng)主要構(gòu)成
3.1硬件部分
3.1.1K熱電偶。在工程建設(shè)領(lǐng)域所用的溫度傳感器中,熱電偶的應(yīng)用最為廣泛。熱電偶可實(shí)現(xiàn)溫度向電量變化的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用K型熱電偶測(cè)溫元件，該類(lèi)型熱電偶與被測(cè)目標(biāo)直接接觸，沒(méi)有中介影響，因此測(cè)量精度比較高，常用熱電偶可連續(xù)進(jìn)行-50-+1600℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，其中具有特殊熱電偶最高可測(cè)+2800的溫度，最低可測(cè)-269℃的溫度，測(cè)量范圍非常廣泛;通常情況下，熱電偶的組成是兩根不同材料的金屬絲，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，并且沒(méi)有開(kāi)頭、大小限制，外部設(shè)有保護(hù)作用的套管，使用起來(lái)很方便。由于生產(chǎn)對(duì)象的不同，所需要的測(cè)溫條件和測(cè)溫要求有所不同，熱電偶的類(lèi)型有可分為鎧裝型熱電偶、普通型熱電偶、熱膜型等。
3.1.2MAX6675溫度轉(zhuǎn)換芯片。由Maxin公司生產(chǎn)的SPI總線MAX6675專(zhuān)用芯片，可實(shí)現(xiàn)K熱電偶冷端補(bǔ)償及數(shù)字化處理熱勢(shì)信號(hào)，穩(wěn)定性及可靠性較高，可在自動(dòng)化、儀器儀表、工業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域。MAX6675溫度轉(zhuǎn)換芯片利用SPI簡(jiǎn)單串行出口輸出溫度數(shù)值，測(cè)溫范圍在0℃-1024℃之間，具有0.25℃12位分辨率，在片內(nèi)進(jìn)行冷端補(bǔ)償，利用高阻抗差動(dòng)形式進(jìn)行輸人，可進(jìn)行斷線熱電偶檢測(cè)，電源電壓為單一+5V,功耗較低，工作溫度在-20C-+85C的范圍內(nèi)，具有2000ESD保護(hù)功能。該設(shè)備采用50貼片8引腳裝封。
3.1.3AT89C51單片機(jī)。單片機(jī)是系統(tǒng)控制的核心，溫度測(cè)量具有方便的接口部位，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮，選擇使用由美國(guó)ATMEL公司研發(fā)的AT89C51單片機(jī)，該單片機(jī)帶有4K字節(jié)的閃爍可擦除、可編程的只讀儲(chǔ)存設(shè)備，具有8位高性能的微處理裝置。可進(jìn)行上百次的只讀儲(chǔ)存裝置反復(fù)擦除。該設(shè)備利用易失高密ATMEL儲(chǔ)存設(shè)備的制造技術(shù)，同工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的輸出管腳和MCS--51指令集相互兼容，閃爍儲(chǔ)存設(shè)備與功能較多的8位CPU在單個(gè)芯片中組合。
3.2軟件程序設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)包括主系統(tǒng)程序以及溫度采集及轉(zhuǎn)換、報(bào)警、延時(shí)、顯示等子程序功能模塊。其中主程序具有調(diào)用子程序的功能，并通過(guò)快速算法對(duì)溫度數(shù)據(jù)實(shí)施處理，由溫度的采集與轉(zhuǎn)換程序把MAX6675設(shè)備轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)字量輸入單片機(jī)后，對(duì)溫度值進(jìn)行正確處理后可生成12數(shù)位的溫度值。報(bào)警程序通過(guò)對(duì)溫度值超值狀況進(jìn)行判斷，顯示系統(tǒng)可將計(jì)算所得的溫度顯示出來(lái)。
四、系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)
　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，利用由英國(guó)Labcenter公司研制的ProteusISIS實(shí)物仿真機(jī)電路分析軟件，在Windows基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析。該軟件實(shí)現(xiàn)了SPICE電路與單片機(jī)仿真結(jié)合，含有諸如示波器、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析設(shè)備等多種虛擬設(shè)備，并且對(duì)主流單片機(jī)系統(tǒng)仿真比較支持，可對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試。在硬件系統(tǒng)仿真過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)單步、全速、斷點(diǎn)設(shè)置等調(diào)試，同時(shí)還可對(duì)寄存器、各種變量當(dāng)前形態(tài)進(jìn)行觀察，對(duì)第三方軟件環(huán)境調(diào)試及軟件編譯具有支持功能，并且原理圖的繪制功能比較強(qiáng)大。以系統(tǒng)硬件電路及軟件設(shè)計(jì)為依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試，在基本原理圖簡(jiǎn)化的情況下實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。
結(jié)束語(yǔ)
　　本文就熱電偶傳感器應(yīng)用下的高速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，對(duì)熱電偶熱惰性的時(shí)間參數(shù)綜合考慮，通過(guò)溫度的快速算法達(dá)到了高速測(cè)量溫度的目的。本文重點(diǎn)分析了系統(tǒng)的工作原理以及硬件組成及軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)完全達(dá)到了預(yù)期要求。