1、现代传感器技术及应用课程论文专 业 电力电子 姓 名 马彬涵 班级/学号 研 1306 班/ 2013020181 2013 年 12 月 26 日基于热电偶的数字温度计的设计摘 要数字温度计有许多种，其温度信号的敏感元件也有许多种。前几种热敏元件测温范围比较窄，测温范围比较大的一般使用热电偶作为敏感元件，尤其是在高温测量的情况下，用热电偶作为敏感元件是一个比较理想的选择。使用热电偶测温的另一个优点是，它可以直接将敏感到的温度信号转化成热电势，易于信号的获取和处理。本设计是利用 K 型和 E 型热电偶作为测温敏感元件，将感测到的热电势经过信号转换、放大，标度转换、线性化处理，冷端补偿等步骤数字
2、化显示出来，构成基于热电偶的数字温度计。该种数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便、成本低、测温范围宽、精度高的性质，输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，也可用于测试温度较高的场合。本设计采用线性化辅助曲线进行非线性补偿，并用查询固化在 EEPROM 里的校正值的非线性补偿方法，提供了一种新的非线性补偿用的电路设计途径。并且采用数字式补偿，不用加冷端补偿器，只需根据冷端环境的温度，构造不同冷端温度下的热电偶分度表，在不同的温度下选择不同的分度表。在实验室内非常适用。关键词：热电偶；数字温度计；线性化处理；冷端补偿AbstractThere are many
3、 types of digital thermometer and also temperature sensor signal. A thermocouple sensor is a more ideal choice in the high temperature measurement circumstances. It can be directly change the temperature signal into thermoelectric power is another advantage of using thermocouples to measure temperat
4、ure.The design use K-type and E-type thermocouple as temperature sensitive components. The sensor to the thermoelectric power as a digital display through signal conversion、amplification、scaling converter、linear processing, such as cold-step compensation. It is a basic component of many thermocouple
5、 thermometers. This kind of digital thermometer has many advantages compared with the traditional thermometer, such as readings convenience, low cost, wide range of temperature measurement, high precision and the nature of digital temperature output and so on. So it is mainly used for more accurate
6、temperature measurement or scientific research in laboratories, and can also be used for high temperature testing occasions. This design use auxiliary linear curve as nonlinear compensation and in the EEPROM used for curing, the nonlinear correction compensation method provides a new non-linear comp
7、ensation by way of circuit design. And it use digital compensation, not cold-plus compensation, simply under cold-temperature environment. And it is very applicable in the laboratory.Keywords: thermocouple; Digital Display Instrument; linear processing; cold end compensation第一章 概述本课题的内容是制作 K、 E 型热电偶
8、数字温度计，其大体可以采用一般的数字仪表组建方式，其间也有一些是属于热电偶的特殊之处，在制作过程中以区别于其他的数字仪表。常用的温度传感器有热电偶和热电阻两大类，热电偶的工作原理是基于热电效应，将被测温度的大小转变为热电势的大小，热电偶主要是测高温度源。热电阻是将被测温度转换成电阻变化的传感器，敏感元件是金属热敏电阻。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269 （如金铁镍铬） ，最高可达+2800 （如钨-铼） 。构造简单，使用方便。热电偶
9、通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。热电偶分度表中给出的数据是以 0C 为参考点。实际应用时，环境常常不是 0C。为热电偶冷端创造一个 0C 环境，通常的作法是进行冷端补偿。由于热电偶存在冷端补偿问题，在本设计中采用了一种新型的数字温度补偿方法，区别于传统的冷端补偿方法。利用数字电路的优点，在后续的电路中进行补偿。针对于热电偶的非线性特性，本设计中采用了线性化曲线辅助的方法进行非线性的补偿，传统的最小二乘法在实际应用中比较麻烦，实现起来很不方便，通过线性化辅助的方法，基本原则仍然是以折代曲。数字温度测试仪有许多种，其温度信号的敏感元件也有许多种
10、，如：半导体热敏电阻、金属热电阻、集成温度传感器、热电偶等。前几种热敏元件测温范围比较窄，一般在负几十度至正几百度左右，测温范围比较大的一般使用热电偶作为敏感元件，尤其是在高温测量的情况下，用热电偶作为敏感元件是一个比较理想的选择，目前市场上出售的热电偶最高温度可达 2800C。这是使用热电偶测温的优点之一。使用热电偶测温的另一个优点是，它可以直接将敏感到的温度信号转化成热电势，易于信号的获取和处理。本设计是利用 K 型和 E 型热电偶作为测温敏感元件，将感测到的热电势经过信号转换、放大，标度转换、线性化处理等数字化显示出来，构成基于热电偶的数字温度计。本设计的特点是采用了一种新型的非线性补偿
11、的方法，根据不同测量精度选择两种不同型号的热电偶，测量范围为 0至 800（测量精度0.5）和 0至 1300（测量精度1 ） ，与传统的数字电子温度测试仪相比，本设计的数字温度测试仪具有读数直观方便，无读数误差，准确率高，响应速度快，测量精度高，成品体积小，成本低，携带方便，易于和计算机联机进行数据处理等优点，易于实用化。该种温度测试仪可用于测试温度较高的场合，如高温陶瓷烧结、金属材料制备等的温度控制系统中。第二章 系统设计过程数字式显示仪表的基本构成方式图 2-1 所示，图中各基本单元可以根据需要进行组合，以构成不同用途的数字式显示仪表。将其中一个或几个电路制成专用功能模块电路，若干个模块
12、组装起来，即可以制成一台完整的数字式显示仪表。其核心部件是模拟/数字转换器，可以将输入的模拟信号转换成数字信号，以 A/D 转换器为中心，可将显示仪表内部分为模拟和数字两大部分。仪表的模拟部分一般设有信号转换和放大电路，模拟切换开关等环节。信号转换电路和放大电路的作用是将来自各种传感器或变换器的被测信号转换成一定范 围内的电压值并放大到一定幅值，以供后续电路处理。仪表的数字部分一般由计数器，译码器，时钟脉冲发生器，驱动显示电路以逻辑控制电路等组成。经放大后的模拟信号由 A/D 转换器转换成相应的数字量后，译码，驱动，送到显示器件去进行数字显示。2.1 系统设计方案本设计在全局上是采用集成电路芯
13、片组建的模拟/数字混合电路系统，这些芯片都是市场上常见的芯片，而且价格适中，主要是根据实验要求进行选购，使用的集成电路芯片有：(1) 热电偶：K 型（镍铬- 镍硅）和 E 型（镍铬-铜镍）两种型号热电偶(2) 前置放大器：ICL7650 CMOS 斩波稳零单片集成运算放大器(3) A/D 转换器： MC14433 3.5 位双积分型 A/D 转换器(4) 锁存器： 74 系列的 74LS373(5) EEPROM 线性化器：MC28C64(6) 七段数码管转换器：BCD 码到七段码转换器 4511本系统的设计方案图如图 2-1 所示，包括：信号转换、放大电路、A/D 转换、线性化电路及标度变换
14、、计数译码和数码显示与数码输出等几个部分组成。开发环境如下：(1) PC 机一台(2) 示波器一台(3) 万用表一个(4) 频率计一个(5) 高精度电源一台(6) 面包板一块(7) 剥线钳，镊子各一个(8) 导线，不同阻值电阻若干1 被测信号与信号转换选择温度传感器比选择其它类型的传感器所需要考虑的内容更多。首先，必须选择传感器的结构，使敏感元件在规定的测量时间之内达到所测流体或被测表面的温度。其次，响应时间是选择传感器的另一个基本依据，通常用时间常数来表示。图 2-1 数字温度计的设计方案图动态温度的测量比较复杂，只有通过反复测试，尽量接近地模拟出传感器使用中经常发生的条件，才能获得传感器动
15、态性能的合理近似。热电偶是基于热电效应，将被测温度信号转换为热电势，在这里，使用烘箱等作为热源，采用 K 型（镍铬-镍硅）和 E 型（镍铬-铜镍）热电偶作为测温元件。这两种型号的热电偶的测温范围比较宽，其特性曲线可以用线性化来近似。从热电偶所得到的电压值还不是真正所需的电压值，因为热电偶的温度特性表即热电偶分度表，是在其冷端温度为 0时测得的，而通常情况下，热电偶的冷端是暴露在环境温度下，也就是说，其测出的电压值受环境温度的影响，此时就需要对其进行冷端温度补偿。常用的补偿方法是采用冷端温度补偿器，一些冷端温度补偿器可以根据环境温度测出补偿电势，然后与热电偶测得的热电势叠加，从而获得真实的电压值
16、。本设计采用数字温度补偿的方法，不需要加冷端补偿器，在后续的数字电路中对冷端温度进行补偿，这样做的优点是电路设计简单，精度高。2 放大电路热电偶输出的热电势信号，其大小只有毫伏级，不能作为后续电路的输入信号，必须进入前置放大器进行信号放大。因此选用 ICL7650 作为放大器，它具有极低的输入失调电压（典型值为1uV） ，失调电压的温漂和时漂也极低，分别为 0.01V/C 和 3.33nV/d。也可选用 OP-07 超低失调运算放大器作为前置放大器，但是失调电压比 ICL7650 要大，因此，本方案采用 ICL7650 作为放大器。ICL7650 的使用方法比较简单，它和其他的运算放大器的使用
17、方法类似，为了更好的起到放大的作用，需要对该芯片有一个电容补偿元件，电容的型号为 104 即可。3 A/D 转换考虑到本设计属于是一定范围内的温度测量系统，温度变化过程比较平稳，不需要高速的 A/D 变换器，所以采用 3.5 位的双积分型的 A/D 转换器 MC14433。MC14433 是美国数码输出数字显示时钟计数译码逻辑控制电路模拟开关A/D 转换基准电源放大电路信号转换被测信号线性化电路及标度变换Motorola 公司推出的单片 3.5 位 A/D 转换器，其中集成了双积分式 A/D 转换器所有的CMOS 模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等
18、特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容元件即可构成一个完整的 A/D 转换器。4 线性化电路及标度变换利用查询 EEPROM 的非线性补偿方法，可以将非线性补偿和标度变换一起完成，简化电路设计。AD 转换器的输出作为地址码访问 EEPROM 时，EEPROM 存放的表格内容将被取出，送入显示器以显示被测的温度。 K 型热电偶的温度特性曲线是非线性的，为了在数字转换部分使电路简化，就应当在这里对非线性进行补偿，从它的温度特性曲线可以看出，采用通常的折线法或最小二乘法都可以，不过就加大了计算的复杂程度，而且在后续的 A/D 转换时就要采用高性能，多通道的器件，也就增加了整个设
19、计的经济成本，为此，采用了借助线性化辅助曲线的方法。按照这种方法制作 EPPROM 内的温度表格，这样把主要的精力用在寻找非线性补偿的方法上，简化了电路的设计，只需把计算出的温度表格输入到存储器中即可，而且这种利用线性化辅助曲线进行非线性补偿的方法，计算简单，易行，精度高(根据参考点和最小分度值的选取)，分辨率高，不仅适用于温度补偿系统还可以在近似的情况中应用。只要后续转化器件的精度高，就允许将参考点选取的更近，将最小分度值选取的更小。测量结果就更接近实际温度值。5 数字显示与数码输出从 EEPROM 线性化器读出的数分别送到四个七段码的译码器之中，从里面送出的数码是 BCD 码，然后把 BC
20、D 数码通过 4511 转换为七段码，若采用的是共阴极的数码管，可以直接把 4511 的输出接到数码管的限流电阻上，然后接到七段码上，但通常使用的是共阳极的数码管，这时就需要把 4511 输出的七段码经过非门 74HC04 做一下反向，然后再通过限流电阻接到七段码上，限流电阻一般可以根据具体情况来选择，这里选择 240 欧姆的阻值。在此采用的是静态显示方法，没有采用动态显示,所以将所有的数码管的选通管脚都接到高电平，虽然比较耗费电源，但是没有加入动态显示部分，节省了一部分成本。2.2 系统工作系统的工作过程如下：当选用 K 型热电偶测温时，若被测温度经过热电偶和数字温度补偿器后的热电势为20.
21、636mv，经过放大器的 K 型倍数放大后的 A/D 输入电压为 0.394V，那么 A/D 转换器的输出读数为： /*20.394/2*0394xRNUA/D 转换器输出的 BCD 码是 0011 1001 0100，直接用 BCD 码去寻址，然后 EEPROM将该单元的 BCD 码输出到相应的 4511 上，它将输入 BCD 码转换成七段输出，直接驱动共阴极型七段数码管，进行读数显示。 当选用 E 型热电偶测温时，若被测温度经过热电偶和数字温度补偿器后的热电势为27.452mv，经过放大器的 E 型倍数放大后的 A/D 输入电压为 0.450V，那么 A/D 转换器的输出读数为： /*20
22、.45/2*045xRNUA/D 转换器输出的 BCD 码是 0100 0101 0000，直接用 BCD 码去寻址，然后 EEPROM将该单元的 BCD 码输出到相应的 4511 上，它将输入 BCD 码转换成七段输出，直接驱动共阴极型七段数码管，进行读数显示。 可以用上述方法编制出 K 型和 E 型的分度表格，其它的测量参数表格的编制方法与这种表格方式类同。2.3 性能指标测量温度范围：0+800 ，0+1300 测量精度：0.5（0+500） ，1（500+1300）外形尺寸：可以根据不同使用环境制定。第三章 试验过程根据第二章所讲述的设计过程，搭建电路图，调试实验结果并且处理有关的数据
23、。具体过程如下：3.1 调试流程用稳压电源调出5v，5v，2v 和地，把电源接入电路，仔细检查预防把5v 和5v 接反。 （电源的电压如图 2-2 所示）图 2-2 +5V 和-5V 电源的接法接入电源后可以先接入热电偶，看看是否能一次性通过。如果 LED 有稳定的显示，通过调节放大器 ICL7650 的反馈电阻（电位器） ，来使温度显示和实验台所示温度一致，然后再通过降低或升高实验台温度，检验温度计是否也随之变化。若变化，基本成功。如果上步没有通过，再尝试如下调试：（1）用万用表测量面包板上的电源线路是否供电正常，有没有非正常的断点，可以先从驱动电路的电源线（即5v，5v 和地线）查起。发现
24、断点，即用导线自行连接好。（2）用万用表测量 ICL7650 是否有输出，即看该芯片是否工作正常起了放大作用。如果工作不正常，可尝试替换该芯片。（3）用万用表测量 AD 转换芯片（mc14433p）的相应输入输出拐脚是否有电压，即检测该芯片是否正常工作。（4）同样的方法，分别用万用表检测其他的芯片是否正常工作。（5）若各个芯片正常工作，而显示很不稳定。可以检查是不是稳压电源没有接好，EEPROM 芯片是否坏了。经过如上步骤，基本可以调试成功。3.2 调试经验在实验过程中碰到的问题和解决的方法。（1）LED 没有显示，用万用表测量，发现某些芯片不工作。解决方法：通过用万用表测试发现有些芯片不工作
25、后，用万用表测量驱动电路的电压，发现有些非正常的断点（即由于面包板质量有问题，而导致的本应该是连通的两点，却断线了） ，然后用导线把这些断点连接起来后，驱动电路的问题解决了。（2）LED 显示很不稳定。 解决方法：1、用稳压电源代替实验台上的电源。2、确保EEPROM（AT28C64）的 27 拐脚接了5v。3、如果这样还显示不稳定，把 EEPROM 拿出来，检查 EEPROM 是否坏了，或者再重新烧一次芯片，即可解决这个问题。（3）对于 MC14433 的输出，EEPROM 28C64 没有反应。解决方法：参考 28C64 的管脚图及功能，其中 W*为写使能，正常使用时应置高电平；G*是输出
26、使能，应置低电平，而原理图中悬空，就带来了不稳定性。E*是使能端，应置低电平。在调试的过程中，要注意检查电路，防止有漏线的情况，同时也要注意查看实际使用的芯片功能及连接方式，防止已有的电路图连线错误。还有就是显示不稳定的问题，原因是实验 台的电源不稳定。在换用标准电源后，稳定性提高很多。3.3 实验有关数据及处理实验中所用的电路及部分示数如图 2-3 和图 2-4 所示。图 2-3 实验中所用的电路 图 2-4 实验中的实际温度与数码管显示的温度表一 实验有关数据数据处理（采用最小二乘法）实际温度X( ) 45.0 47.8 50.0 53.6 54.2 56.0 57.0 58.0 62.0数码管显示温度 Y() 41.3 44.5 45.3 46.9 47.7 48.5 51.2 52.0 52.8热电偶输出Ux(mv) 7.1 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8.0运算放大器输出 Uy(mv) 15.8 20.0 20.5 22.6 23.6 24.6 26.0 26.5 27.6
