1、华北电力大学本科毕业设计（论文）I单片机 mV 型测温仪表检定仪设计摘要温度测量仪表是工业生产中常用的一种测量装置。对于配用热电偶的二次测温仪表,传统的检定方法是采用逐盘转动电位差计进行平衡读数, 然后查热电偶分度表求出误差,检定过程比较复杂。为了简化检定操作,方便现场检定,我们设计了新型的适用于mV 型测温仪表的检定仪。该检定仪利用AT89C51单片机, 将各种常用热电偶分度表固化在检定仪的EPROM 中,将毫伏发生器、调节器、显示器等组成一体, 具有操作简便、读数准确、功能强、重量轻、体积小等优点, 操作人员不必再查找热电偶分度表。该检定仪设有电势正负转换开关, 为具有零位补偿的测温仪表的
2、零位检定与修理提供了方便，通过不同的按键，该仪表可以选择不同的热电偶分度号，进行校零和进入不同的工作状态。所以该型检定仪是一种非常适宜于现场使用的仪器。关键词：检定仪；单片机；热电偶；线性化华北电力大学本科毕业设计（论文）IIDESIGNS OF AN mV TEMPERATURE METERS CALIBRATOR BY SINGLECHIP COMPUTERAbstractThe temperature meter is one of the commonly used measuring devices in the industrial production. The traditio
3、nal calibration method for going with the thermocouples temperature meter is looking up the thermocouple indexing table to extract the error after a balance reading through the plate rotation potentiometer. Obviously, the process of calibrating is too complex. In order to simplify the operations of
4、the calibration and make the scene calibration more convenient, we have designed a new calibrator which is suitable for the mV temperature meters calibration. Such calibrator uses a AT89C51 single-chip computer to solidify each kind of commonly used thermocouple indexing table in the calibrators EPR
5、OM, then the millivolt generator, the regulator, the monitor and so on will compose a body, which has the advantage of simple operation, accurate reading, strong function, light weight, small volume and so on. And the operators do not need to look up the thermocouple indexing table again. This calib
6、rator is equipped with the electric potential positive and negative change-over switch, providing a more convenient operation for the position calibration and the repair of the temperature meter, which has the zero compensation. Through different keying, this calibrator can choose different thermoco
7、uple indexing numbers to correct zero and enter different working states. Therefore, this calibrator is a kind of instrument which is quite suitable for field application.Keywords: Calibrator ; Single-chip computer; Thermocouple; Linearization华北电力大学本科毕业设计（论文）目 录摘 要.IAbstract.II1 绪论.11.1 测温仪表检定仪研究背景
8、.11.2 测温仪表检定仪的原理及意义 .21.3 测温仪表检定仪主要技术指标.32 工作原理 .32.1 检定仪的基本组成 .32.2 检定仪功能及工作原理 .32.3 硬件简介 .32.3.1 毫伏信号发生器组成介绍 .32.3.2 斩波自稳零运算放大器 ICL7650 简介 .52.3.3 双积分式 A/D 器 ICL7135.72.3.4 AT89C51 单片机 .82.3.5 显示电路 .113 软件设计.143.1 检定仪主程序框图设计 .143.2 仪器状态自动转换设计.143.3 线性化方法介绍.153.3.1 基于最小二乘法的曲线拟合方法.163.3.2 查表法和曲线插值法.
9、193.3.3 乘系数法.203.4 A/D 转换的实现 .223.5 液晶显示程序命令 .234 使用中注意的问题.254.1 设定外接电阻.254.2 调整精度 .25总结.26参考文献.27附录.28致谢.30华北电力大学本科毕业设计（论文）11 绪论1.1 测温仪表检定仪研究背景目前，工业企业采用大量的现场型热工仪表来实现计量检测和工艺过程控制。如何保证所有热工仪表可靠运行或及时发现问题并采取相应措施是计量检定工作中的一个重要环节。传统的标准量值传递和周期检定工作是企业计量检定工作最基础的依据，其基本做法是首先建立最高计量标准，也可根据情况建立二级计量标准。各级计量标准必须经过上级计量
10、技术行政管理机构考核合格并授权后，方可进行各级的量值传递及周期检定工作。在检定过程中，必须严格遵照检定规程的要求，其环境、技术条件、检定方法等都根苛刻，只有实验室才能满足。周期检定以送检方式为主。由于大量的热工仪表具有固定安装和连续运行的特殊性，所以不得不将实验室的许多携带不便的标准仪器运输到现场开展检定。在这种情况下，传统的标准检定设备明显表现出精度低、携带不便、操作繁琐、计算麻烦、效率低下等劣势，已越来越不能满足大量热工仪表的现场周期检定。随着国际标准过程的变化和发展。检定、校验已从被动向主动转化。工业企业迫切要求热工仪表校验走出实验室，能够随时随地进行现场在线校准，以便及时发现问题，采取
11、措施，确保计量检测数据准确可靠。1.2 测温仪表检定仪的原理及意义温度的测量在计量测试工作中占有重要位置。传统的测温仪表有毫伏计、比率计、半导体点温计、电自动平衡仪等。近年来，数字温度计、智能化测温仪表都得到了广泛应用。在使用热电偶测温时，必须对参考端温度进行自动补偿，才能正确显示出被测温度值。参考端温度补偿大致有两种方案：一种是利用硬件(例如参考端温度补偿器)进行补偿；另一种则是用计算机软件对测量值进行修正，来消除由环境温度引起的测量误差 但是当环境温度不断发生变化时，设计工作就变得比较复杂，下面介绍一种能对热电偶测温仪表自动进行温度检定的检定仪器。它不仅能对对热电偶测温仪表自动进行温度检定
12、，并对各型热电偶的非线性特性进行校正，使数字仪表直接显示出被测点的温度值，还利用内置硅晶体管发射结(或硅二极管)作半导体温度传感器来测量室温。由它构成的数字测温仪，电路简单，成本低廉，准确度高，便于调试。其测温准确度可达1左右分辨率为0.1。我们设计一种检定仪器在生产过程现场直接对仪表进行校准，该检定仪器通过面板简单的按键操作可精确地输出和测量温度过程信号并有完备的输入，输出保护功能，还可采用LCD显示，电池或交流电源适配器供电。其外观体积可设计如同普通的手持数字万用表，特别适用于现场对工业控制过程的各类仪表进行校准和维护。基于上述情况，现在我们着重开始研究热电偶温度计及其配用二次仪表的检定与
13、校正。单片机测温仪表检定仪将毫伏发生器、调节、显示等组成一体,为了达到较高的精度华北电力大学本科毕业设计（论文）2和分辨率，输入和输出采用20位的DAC和ADC，同时达到了高的输出，测量的稳定性和降低了环境温度的影响。在规定时间内进行一次校准，可消除各种影响。同时该型检定仪将各种热电偶(R,S,J,K,E,T,B)分度表固化在检定仪的EPROM 中,按照分度表输出一个相应的电压或电阻信号，或测量一个电压和电阻信号再根据分度表转换位相应的温度进行显示。该仪器具有操作简便、读数直观准确、精度高、功能强、重量轻、体积小等优点,便于现场使用,提高了检定效率。它适用于对配用热电偶的二次仪表(电子电位差计
14、、数字显示仪、动圈指示仪、EFT 型及XBT 型测温毫伏表等) 进行检定。并设有电势正负转换开关,对具有零位补偿的测温仪表的零位检定与修理提供了方便。单片机测温仪表检定仪的硬件电路主要由毫伏信号发生器、放大电路、A/D转换器、供电电源及单片机系统(包括显示、功能键等) 构成。单片机测温仪表检定仪的软件设计采用模块化结构,由主程序和若干子程序组成,便于功能扩展。子程序主要包括分段线性化子程序、数字滤波、动态显示子程序及A/D中断服务程序等。主程序主要完成软件初始化、键盘扫描及功能转移、计算和显示任务 3。1.3 主要技术指标1）.量程: mV 显示为-9.99999.999mV温度显示为-270
15、.01800.02）.不确定度: 0.1%3）.毫伏发生器输出: 0100mV4）.输出电阻: 小于5该检定仪主要是为了满足校验准确度级别为0.5级及以下的二次测量仪表的要求而设计的。有关检定规程对电测设备的具体要求, 首先是准确度等级, 其次是分辨力。并说明除了可用直流电位差计外, 还可用“具有同等准确度的其它电测设备”。该检定仪的准确度等级为0.1级, 分辨力为0.1, 显示mV 时为1V ,可以满足现场检定0.5级及以下二次测温仪表的要求。表1-1为采用不确定度为0.02% 的直流电位差计对该检定仪mV输出信号的实测数据。表1-1 实测数据表 检定仪输出 实测 两者之差0.00010.0
16、0020.00040.00060.0000.00110.00419.99039.98259.975-0.001-0.0040.0100.0180.025华北电力大学本科毕业设计（论文）32 .工作原理2.1 单片机检定仪的基本构成单片机测温仪表检定仪主要由毫伏信号发生器、放大电路、A/D 转换器、供电电源及51单片机系统(包括显示、功能键等) 构成,其构成框图如图2-1所示。图2-1 单片机检定仪构成框图2.2 检定仪功能及工作原理由图2-1可知,改变毫伏发生器输出的毫伏值,被检表将显示相应温度值,同时通过放大器,A/D 变换器及单片机系统,检定仪也显示相应的温度值(或mV 值)。将检定仪示值
17、与被检表示值进行比较,便可得到检定结果。单片机应用系统构成主要由32位液晶显示器(其中16位用于显示温度信号,16位显示毫伏信号) 、功能键输入及A/D变换器等组成。检定仪的功能键包括热电偶分度号选择键K1及校零键K2。按动K1键, 则可依次选择热电偶分度号, 如S 、K、T、E 等, 并由液晶显示器给出状态提示。显示温度值与K1 键所选择的热电偶分度号相对应将毫伏发生器输出调至零位, 并短路, 检定仪示值应为零, 如有微小偏差, 可按动校零键K2, 即可完成零位校准 5。2. 3 硬件简介2.3.1 毫伏信号发生器组成介绍本系统硬件结构比较简单，但是校验仪必须具有产生高精度的毫伏信号的能力，
18、在这里用两片12位的D/A 转换器MAX539，将一片MAX539 作为另外一片MAX539 的基准电压的方法搭建了高精度的毫伏信号发生器, 实现对微小信号电压输入仪器的校验。在模拟电压输出端外接的放大电路在保持其分辨率的基础上, 可达到增加其稳定性、减小误差的作用。下面简单介绍一下MAX539芯片。MAX539是MAX IM公司生产的快速D/A 转换器,它具有接口简单、转换时间短、功耗低、体积小等优点。MAX539的引脚图见图2-2,它是采用8脚DIP封装, 各管脚的功能如下:mV 发生器 放大器被检表A/D 转换器 51 单片机系统液晶显示器按键键盘华北电力大学本科毕业设计（论文）4图2-
19、2 MAX539引脚图管脚1 (DIN):串行数据输入端, 数据在SCL K 上升沿输入, 输入时高位在前, 低位在后;管脚2 (SCLK):串行时钟输入端, 最高频率为14MHz;管脚3 (CS):片选端, 低电平有效;管脚4 (DOUT):串行数据输出端, 输出时高位在先;管脚5 (AGND): 模拟地;管脚6 (REFIN):基准电压输入端, 电压值必须小于VDD2V;管脚7 (VOUT):DAC 转换电压输出端, 为CMOS电平;管脚8 (VDD):+5V 电压, 电压范围在4.55.5V。华北电力大学本科毕业设计（论文）5图2-3 毫伏发生器组成电路图MAX539内部采用倒置的R2R
20、梯形网络和单电源的CMOS运算放大器将12位数字量转换成模拟电压。在本文的应用中主要用2片MAX539、AT89C52以及一些外围电路,其中一片的基准电压源用到了MAX873A ,为了避免噪声,在MAX873A 和MAX539之间接上一个电容。具体电路图见图2-3。在应用过程中,AT89C52 单片机数据串行输出采用方式0, RXD端输出数据, TXD端输出移位脉冲。首先置P1.1为0, 置P1.2端为1, 将选通U2,屏蔽U3,然后向U2输入数据,这儿的数据值由校验的二次仪表的量程确定,将U2的输出电压作为 U3的参考电压, 然后置P1.1为1, 置P1.2端为0, 选通U3,屏蔽U2,接着
21、向U3输入数据, 这儿的数据值由校验值和U2的输出电压共同决定, 最后通过一滤波放大电路输出最后结果。用2片MAX539来实现毫伏信号发生器, 最高精度可以达到VREF/ V,即0.1mV ,其中VREF为MAX873A输出的基准电压,224为1.2V。用D/A 转换器产生毫伏信号, 电路简洁、实用性强。外接精密的放大电路, 增加了输出信号的精度和稳定性。用这种方法产生的毫伏信号, 配合其它电路, 能够满足对电厂用于测传感器温度的二次仪表进行校验, 由于电路简洁, 可以实现就地校验的目的 15。2.3.2 斩波自稳零运算放大器ICL7650简介放大器采用高性能的斩波自稳零运算放大器ICL765
22、0,ICL7650的制造工艺采用大规模华北电力大学本科毕业设计（论文）6集成电路机制，输入级使用MOS场效应管，输入电阻达100 M以上，将场效应管和双极型管兼容在一个硅片上，并且还附带调制和解调等措施，采用斩波自动稳零结构，使失调电压和温度漂移进一步下降，应用时一般无需调零即可使用，极为方便。图2-4 ICL7650的原理方框图及管脚排列由图2-4可以看出，1CL7650的整个电路由下列几个部分构成： (1)内部时钟发生器用以控制图中电子开关SA和SB的通断。当14脚(内外端)置“1”或置空时，工作在内时钟状态；若置“0”时，则工作在外时钟方式下，外时钟从13脚(外部时钟输入端)加入。(2)
23、主放大器A1用以放大输入信号并经他输出，N1端为他的第3个同相输入端。(3)调零放大器A2用以降低A1直流失调的放大器，他不对外输出信号，仅是作为一种辅助放大器使用，N2为他的一个反相输入端。(4)箝位输出电路用以防止因过载而出现的放大器阻塞。(5)内调制补偿用以改善电路的频率特性。(6)模拟开关完成电路动态校零工作过程的切换，靠时钟控制下的模拟开关来转换。电路的整个工作在时钟控制下分2个工作阶段进行，放大器误差检测与寄存；校零和放大，使稳态实现低失调与低温漂。总的来说，ICL7650有如下几个特点：(1)极低的输入失调电压：整个工作温度范围(约100)内只有士1V；(2)失调电压的温漂和长时
24、间漂移极低：分别为001v 和100 nV Month；华北电力大学本科毕业设计（论文）7(3)很低的输入偏置电流：10 pA；(4)极高的开环增益，CMRR，PSRR均130 dB；(5)较高的转换速率：SR=25 Vs；(6)单位增益带宽可达2 MHz；(7)单位增益达标时具有内部补偿；(8)具有内调制补偿电路，相位裕度 ；80(9)内部有箝位电路，能减少过载时的恢复时间；(10)在输入端、输出端只有极微小的斩波尖峰泄漏。ICL7650-CM0S斩波集成运放输入级使用M0S场效应管，采用斩波自动稳零结构，附带有调制和解调等措施，具有输入置电流小，低失调电压和温度漂移以及精密的反馈特性和高的
25、共模抑制比能力。并用该器件实现的积分电路，电路零位可以调整，抑制干扰，降低噪声，是很好的传感器信号预处理电路 16。2.3.3 双积分式A/D转换器ICL7135A/D转换器则采用双积分式A/D转换器ICL7135，双积分A/D转换是一种间接A/D转换技术。首先将模拟电压转换成积分时间,然后用数字脉冲计时方法转换成计数脉冲数,最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成二进制数或BCD 码输出。由于双积分式A/D 转换器外接器件少,使用十分方便,而且具有较高的性能价格比,因此,在一些非快速过程的测量中使用很广。另外,考虑到工频频率为50Hz ,选择A/D 转换时间T=20ms 或其整数倍,则可以
26、有效地抑制工频干扰。ICL7135 为全MOS 工艺4 位双积分A/D 转换器。在单极12性参考电压下,能对双极性模拟电压进行A/D转换,并输出自动极性判别信号。它采用了自校零技术,可保证零点在常温下的长期稳定性。 ICL7135与51单片机接口电路如图2-5 ,图中只画出了数据线(B8 、B4 、B2 、B1) 、位控线及相应的标志、状态控制线。由于本系统功能较简单, 因此采用了ICL7135 与8031 直接连接的接口方式 ,为了节约I/ O 口线的开销,使用了四2 选1 选择器74LS157 。使“万”位数及其标志信号与B8 、B4 、B2 、B1 共用P1.3P1.0 I/ O 口线。
27、其分时传送通过D5 控制74LS157 的选择端SEL实现。SEL 输入低电平时选择14A 输出;输入为高电平时选择14B 输出。ICL7135转换结果输出时序如图2-6 所示。当每一个转换周期结束后ST 端发出5个负脉冲信号分别与 D5 (万位 ) 、D4 (千位) 、D3 (百位) 、D2 (十位) 、D1 (个位) 位选信号相对应,在位选信号(D5D1) 控制下,从B8 、B4 、B2 、B1 端送出相应位的BCD 码。万位数只能输出B1 的0 或1 ,其余三位为OR(过量程) 、UR(欠量程) 和POL (正、负) 标志信号。R/ H 为自动转换/停顿控制,悬空状态时自行产生高电平,按自动转换方式工作,图中R/ H 与P3 、4相连。图2-5 所示接口方式可采用中断计数法进行软件处理。这种方法的依据是ST 脉冲序列的序号与万、千、百、十、个位有严格的对应关系设计的。用一内存单元存入除D5 外尚待读入的BCD 码位数( # 04H) ,然后每中断一次位数减1 ,位数减至零则个位数BCD 码
