1、本科毕业论文（20 届）基于热电偶的炉内高温检测的设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -目 录 前言 .3第 1 章 热电偶测温总体方案设计 .4第 1.1 节 方案选择 .4第 2 章 系统模块介绍 .6第 2.1 节 温度采集及温度转换模块的介绍 .6第 2.2 节 控制模块介绍 .10第 3 章 系统设计 .15第 3.1 节 软件设计 .15第 3.2 节 硬件设计 .17第 4 章 系统测试 .22第 4.1 节 实物连接 .22第 4.2 节 温度测量 .22结论 .24参考文献 .25致谢
2、.26附录 .27附录 1：实物照片说明 .27附录 2：部分源程序 .28苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 1 页基于热电偶的炉内高温检测的设计【摘要】：本文提出的温度测量系统由热电偶、温度转换芯片 MAX6675、单片机（89c52）和显示部分组成。该系统大部分功能通过硬件来实现，电路简单明了，系统稳定性很高。本文首先介绍了系统组成框图，然后分别介绍各个模块的基础知识和基本功能。本文介绍了一个基于单片机的测温系统,该系统可以方便地实现温度采集、温度显示等功能。本系统的温度控制部分采用单片机完成。本课题的核心部分就是温度采集部分，这个部分使用美国 MAXIM 公司生产的 MAX6675 芯
3、片完成，这是一种带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行 K 型热电偶模数转换器, 它的温度分辨能力为 0. 25 , 冷端补偿范围为- 20 + 80 , 工作电压范围广 3. 05. 5V。与这块芯片一同使用的是一个 K 型热电偶探棒，这种探棒将温度的变化传递给MAX6675 芯片，MAX6675 芯片将采集到温度进行冷端补偿之后，再将其转换为数字量，由 SPI 口送入单片机控制系统，单片机系统经过处理后将其送入 LED 数码管，显示出当前的温度值。【关键词】：热电偶；单片机；MAX6675 芯片；LED 数码管；Abstract : The proposed system consi
4、sts of thermocouple temperature measurement, temperature conversion chip MAX6675, microcomputer(89c52) 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页and display components. Most functions of the system is realized by hardware, the circuit is simple and clear, high system stability. This paper first introduces the block diagra
5、m of the system, then introduces the basic knowledge and basic functions of each module.This article describes a microcomputer-based temperature measurement system that can be easily achieved temperature acquisition, temperature display. The system temperature control part adopts single chip. The co
6、re of this thesis is that the temperature acquisition part, this part of the use of MAX6675 chip produced by MAXIM company American finish,this is a serial type K thermocouple analog-to-digital converter with a cold end compensation, linear correction, thermocouple wire break detection, its temperat
7、ure resolving power is 0.25 , the cold end compensation range of -20 to + 80 C, working voltage range of 3 5 5V. With the chip is a K type thermocouple probe, the probe will transfer temperature changes to theMAX6675 chip, MAX6675 chip will be collected at the temperature of the cold end compensatio
8、n, then converted into digital quantity, by the SPI port into the SCM control system, single chip system into the treatment to LED digital tube,display the current temperature.Key words:temperature ; microcomputer ; chip MAX6675 ; LED digital tube;前言在国民经济各部门，如电力、化工、机械、冶金、农业、医学以及人们的日常本科毕业设计说明书（论文） 第
9、3 页生活中，温度检测是十分重要的。在许多模拟量控制和监视应用中，温度测控通常是基于 -40125温度范围内的应用，如环境监测、蔬菜大棚、粮库、热电偶冷端温度补偿、设备运行的可靠性等应用。实时采集温度信息，及时发现潜在故障，并采取相应的处理措施，对确保设备良好运行具有重要意义。本文介绍了一个基于单片机的测温系统,该系统可以方便地实现温度采集、温度显示等功能。本系统的温度控制部分采用单片机完成。单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、使用电子元件较少、内部配线少、制造调试方便等显著优点，将其用于温度检测和控制系统中可大大地提高控制质量和自动化水平，具有良好的经济效益和推广价值。利用单片机
10、对温度进行测控的技术，日益得到广泛应用。本文中对温度采集的部分是通过使用 MAX6675 芯片，此款芯片是由美国MAXIM 公司开发生产的，它是一种带有线性校正、冷端补偿、热电偶断线检测的串行 K 型热电偶模数转换器，它温度的分辨能力为 0. 25 ，冷端补偿范围为- 20 + 80 ，工作电压范围广 3. 05. 5V。显示部分通过 LED 数码管显示。系统软件主要由初始化程序、主程序、监控显示程序等组成。其中初始化程序是对单片机的接口工作方式，A/D 转换方式等进行设置；显示程序包括对显示模块的初始化、显示方式设定及输出显示；主程序则完成对采集数据进行处理。该系统应用范围相当广泛，同时采用
11、单片机技术，由于单片机自身功能强大，因而系统设计简单，工作可靠，抗干扰能力强，也可在此基础上加入通信接口电路，实现与上位机之间的通信。本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页第 1 章 热电偶测温总体方案设计热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响测量的准确性。在冷端采取一定措施进行补偿以消冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。第 1.1 节 方案选择设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。1.1.1. 方案一：分立元器件冷端补偿方案该方案的热电
12、偶冷端温度补偿器件是由分立元件构成的,其体积大,使用不够方便,而且在改变桥路电源或热电偶类型时需要重新调整电路的元件值。主要包括温度采集电路、信号放大电路、A/D 转换电路、热电偶冷端补偿电路、数码管显示电路等。其系统框图如图 1.1。AD590 冷端补偿电路模块单片机模块热电偶 转换和放大电路模块分时模数转换LED 显示模块热端冷端图 1.1 分立元器件冷端补偿1.1.2. 方案二：集成电路温度补偿方案 采用热电偶冷端补偿专用芯片 max6675，max6675 温度转换芯片具有冷端温度补偿及对温度进行数字化测量这两项功能。一方面利用内置温度敏感二极管将环境温度转换成补偿电压，另一方面又通过
13、模数转换器将热电势和补偿电压转换为代表温度的数字量, 将二者相加后从串行接口输出测量结果，即为实际温度数据。主要包本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页括热电偶、温度采集电路、max6675 温度转换电路、数码管显示电路等。其系统框图如图 1.2。热电偶 MAX6675 单片机LED 数码显示图 1.2 集成电路温度补偿综合对比以上两种方案，方案一电路复杂，且测量不精确照成误差较大，方案二采用集成温度转换芯片不仅能很好的解决冷端温度补偿及温度数值化问题，并消除由热电偶非线性而造成的测量误差,且精确度高，可实现电路的优化设计。故最后采用方案二。这是整篇论文的设计思路，下面章节将分别介绍各个模块的
14、基础知识及设计方法。本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页第 2 章 系统模块介绍第 2.1 节 温度采集及温度转换模块的介绍温度采集模块是本文中的核心模块，通过这个模块来采集温度并通过 A/D 转换电路将模拟量转换为数字量送入单片机模块，再由 LED 数码管显示温度，所以本节将作为重点来介绍。这个模块主要就是用 K 型热电偶温度传感器元件和 MAX6675温度转换电路来实现的。2.1.1. 热电偶的基础知识热电偶是一种被广泛应用的温度传感器，也被用来将热势差转换为电势差。它的价格低廉、易于更换，且有标准接口，具有很大的温度量程。主要的局限是精度，小于 1 摄氏度的系统误差通常较难达到。182
15、1 年，德国-爱沙尼亚物理学家托马斯约翰塞贝克发现任何导体（金属）被施加热梯度时都会产生电压。现在这种现象被称为热电效应或“Seebeck 效应” 。若要测量这个电压，必须把“热”端连到另一导体上。增加的导体也会经历热梯度，自身也会产生一个电压，并与原来的电压抵消。幸运的是，热电效应中电压的大小取决于金属的种类。在电路中使用不同的金属会产生不同的电压，这个电压被称为热电势，因此存在一个很小的电压差值可以被测量，这个差值随温度的升高而增大。对于目前常用的金属组合，这个差值通常在 1 到大约 70 微伏每摄氏度之间。一些常用的固定组合成为工业标准，如选择热电偶类型时通常考虑到成本、适用、便利、熔点
16、、化学性质、稳定性和输出。由于热电偶产生的电压很小，很多的应用是利用热电偶堆。2.1.2. 热电偶分类（1）S 型：铂铑 10 合金 /铂这是一种贵金属热电偶，铂铑 10 合金（铂占 90%，铑占 10%）为正极，铂为负极。电极直径通常为 0.5mm，长期使用温度可达 1300，短期使用可达 1600,有很好的复现性和稳定性，在国际适用温标中在 630.741064.43范围内用它做标准仪器。这种热电偶的热势率较小，平均灵敏度为 0.009mV/左右。价格贵，非线性大，不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽的气氛中使用，在真空中可以短暂使用。本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页（2）B 型：
17、铂铑 30 合金/铂铑 6 合金长期使用的最高温度可达 1600，短期可达 1800。性能稳定，测试准确度较高，适宜于氧化性介质和中性介质中使用，不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽的气氛中使用。热电势率比 S 型的更小。（3）K 型：镍铬合金或镍铝合金这是最常用的热电偶。温度量程自200到+1200。磁性。敏感度 41 V/。（4）E 型：镍铬合金或铜镍合金高输出（68 V/） ，非磁性。（5）J 型：铁或铜镍合金有限量程（40 至+750） ，不可用于 760以上，敏感度约为 52 V/。（6）T 型：铜或铜镍合金有限量程（250 至+350） ，敏感度约为 43 V/。（7）N 型：镍
18、铬硅合金或镍硅合金高稳定性，抗高温氧化。可用于高于 1200。900时，敏感度 39 V/，略低于 K 型。在本文中用到的温度传感器就选用了 K 型热电偶，也是下面重点介绍的。2.1.3. K 型热电偶对于一种温度传感器来讲，K 型热电偶一般和记录仪表，显示仪表，和电子调节器配套一起使用。各种生产中从 0到 1300范围的气体介质和液体蒸汽以及固体的表面温度可以直接用 K 型热电偶测量。感温元件、安装固定装置和接线盒等组成 K 型热电偶。K 型热电偶是如今使用量最大的廉金属热电偶，它的用量是其他热电偶的总和。K 型热电偶丝的直径一般为 1.24.0mm。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr
19、=90:10，负极（ KN）的名义化学成分为：Ni:Si=97：3，其使用温度为 -2001300。K 型热电偶的优点是线性度好，灵敏度高，热电动势较大，稳定性和均匀性较好，价格便宜，抗氧化性能强，能用于氧化性惰性气氛中。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。热电偶测温必须由热电偶、显示仪表和连接导线三部分组成。下图是最简单的热电偶测温示意图如图 2.2。本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页图 2.2 热电偶温度计示意图按照上图组成的热电偶蕊及测温电偶丝 1 ，假如将热电偶的热端加热，使冷、热两端的温度变得不同，则在该热电偶的回路
20、中就会产生热电势，这种物理现象就称为热电现象( 即热电效应)。在热电偶回路中产生的电势由相接触电势和温差电势两部分组成。接触电势：它是一种热电势，由两种电子密度不同的导体相互接触时产生。当两种不同的导体 A 和 B 相互接触，假设导体 A 和 B 的电子密度分别为 Na 和Nb 并且 NaNb，则在两导体的接触面上，电子在两个方向的扩散率就会不相同，由导体 A 扩散到导体 B 的电子数比从 B 扩散到 A 的电子数要多。导体 A 失去电子从而显正电，导体 B 获得电子则显负电。因此，在 A、B 两导体的接触面上便形成一个由 A 到 B 的静电场，这个电场将阻碍扩散运动继续进行，同时加速电子向相
21、反的方向运动，使从 B 到 A 的电子数增多，最后达到动态的平衡状态。此时 A、B 之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。这个电势只和两种导体的性质相接触点的温度有关，当两种导体的材料一定时，接触电势只和它的接点温度有关。温度越高，则导体中的电子就越活跃，由 A 导体扩散到 B 导体的电子就会越多，致使接触面处所产生的电位差越大。下一节中将介绍一种 K 型热电偶温度转换芯片，也是本课题中要用到的主要芯片。2.1.4. MAX6675 芯片介绍在工业检测系统中，热电偶是一种具有结构简单、使用方便、制造容易、测温范围宽、测温精度高等特点的主要测温元件，被广泛应用在工业温度控制过程中。但热电偶输出电势非常微弱，并且存在冷端温度的误差和输出电势与被测温度的非线性问题，容易引起较大的测量误差，特别是在以单片机为核心器件的智能装置中，需要进行复杂的信号放大、查表线性、A/D 转换、温度补偿及数字化输出接口等软硬件的设计，软件编写任务重，硬件芯片使用过多，不能够适应现阶段产品集成化、模块化的需要。MAX6675 是 MAXIM 公司推出的 K 型热电偶串行模数转换器，它能够独立完成信号放大、线性化、冷端补偿、A/D 转换以及 SPI 串口数字化输出功
