熱電偶溫度傳感器應用下的高速測溫系統

摘要:本文著(zhù)重對使用熱電偶溫度傳感器進(jìn)行快速測溫系統設計進(jìn)行研究，對其熱惰性的時(shí)間常數給予綜合考慮，借助快速算法達到快速測溫的目的。本系統采用具有冷端補償功能的MAX6675溫度轉換器、AT89C51型單片機、K型熱電偶以及數碼管等多種構件組成溫度采集、轉換、控制、報警、顯示等相應電路及軟件，可達到0.25℃溫度測量精度。該系統先利用熱電偶進(jìn)行溫度采集，所得數據經(jīng)MAX675設備處理后傳送到單片做算法處理，然后將所測溫度值由數碼管顯示出來(lái)。
　　物體的冷熱狀況需通過(guò)溫度來(lái)體現出來(lái)，溫度測量在工農業(yè)生產(chǎn)、國防建設、科技研究等多種領(lǐng)域得到應用。--些特殊場(chǎng)合對測溫速度提出較高要求，比如汽車(chē)運轉中吸人發(fā)動(dòng)機的空氣溫度測量需要小于1s的熱相應;測量航天飛行主發(fā)動(dòng)機的溫度完成時(shí)間應在0.4s內等等，所以設計相關(guān)系統實(shí)現高速測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體,設置為閉合回路"。當焊接端受熱時(shí)有溫差產(chǎn)生，此時(shí)回路中會(huì )有熱電動(dòng)勢產(chǎn)生,這種現象被稱(chēng)作賽貝客效應。將參考端的溫度控制在0℃時(shí)，回路所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢演變?yōu)楹附佣说臏囟葐沃岛瘮?。利用熱電?dòng)勢測量的方式實(shí)施溫度測量的成對金屬導體即為熱電偶。熱電偶所生成熱電動(dòng)勢的大小，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(cháng)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，對三個(gè)溫度的數據進(jìn)行快速采集，再根據這些數據與初始階段的溫度、穩定階段的溫度以及熱時(shí)間的常數相互關(guān)系，最終得出溫度穩定以后計算溫度的數學(xué)公式，得出所測溫度值。
二、系統原理分析
2.1熱電偶應用下高速測溫的基本原理。在熱電偶測溫系統進(jìn)行溫度測量時(shí)，溫度呈緩慢上升狀態(tài)，并且隨著(zhù)時(shí)間的變化，溫度并不是線(xiàn)性變化的過(guò)程，所以結合科學(xué)軟件算法，對熱電偶時(shí)間常數給予考慮是高速測溫實(shí)現的關(guān)鍵。算法依據對等間隔內t1-t3三個(gè)等間隔時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行連續溫度值的采集，然后結合采集溫度值的初始溫度、穩定以后的溫度以及熱時(shí)間的溫度常數關(guān)系，推算出溫度值的推算公式。溫度測量時(shí)隨著(zhù)時(shí)間變化而變化。
　　通過(guò)計算發(fā)現，穩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)。因此該計算方法需要快速對間隔相等的時(shí)間內三個(gè)溫度值采集，然后運用軟件算法進(jìn)行計算，最終達到高速測量溫度的目的。
2.2冷端補償的有效措施。熱電偶高速溫度測量中，用于溫度測量的一端為熱端，測量電路與引線(xiàn)相連接的一端為冷端。在進(jìn)行熱電偶溫度測量時(shí)，冷端溫度值不變，測量溫度與熱電勢值之間具有一定比例關(guān)系。溫度測量時(shí)，當冷端溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì )對測量正確性造成嚴重影響。因此需要采取有效措施進(jìn)行補償，降低因冷端溫度變化而產(chǎn)生的影響。常用的補償方法有分立元氣件補償法、集成電路補償法。由于分立元氣件補償方法的電路比較復雜，并且測量的精度不高，造成的誤差大，集成電路補償法通過(guò)溫度集成轉換芯片進(jìn)行溫度測量，不僅使溫度數值化、補償冷端溫度得到解決，并且可將因熱電偶的非線(xiàn)性測量誤差消除，而且還具有較高的精度，可使電路設計得到優(yōu)化。因此本系統設計時(shí)采用集成電路補充法。
　　集成電路溫度補償方法，利用具有測量溫度數值化及補充冷端溫度功能的專(zhuān)用芯片。一方面環(huán)境溫度通過(guò)敏感度較高的內置二極管轉換為補償電壓，同時(shí)又將補償電壓和熱電勢利用模數轉換設備轉換成數字量表示溫度。二者進(jìn)行相加后，測量結果由串行接口傳輸出來(lái)，該數據代表實(shí)際溫度。該方法工作系統主要由溫度采集、轉換、數據顯示等電路組成。
2.3硬件組成的基本原理。該系統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89C51控制電路、報警電路以及顯示數據的數碼管電路等組成。系統所采用的熱電偶類(lèi)型分度號K型，為了使得受外界干擾信號減少，直接將MAX675與雙絞線(xiàn)連接，利用SPI接口實(shí)現MAX6675數據傳輸功能，利用單片轉換設備控制溫度轉換芯片。該系統具有超量程自動(dòng)報警性能，當所測溫度超過(guò)400℃或者低于0℃時(shí)，系統的報警電路能夠自動(dòng)報警。數據顯示電路在89C51型單片機鎖存器作用下實(shí)現對數碼管的控制，在數碼管進(jìn)行工作時(shí)，具有較大電流的PNP8850型三極管實(shí)施控制，數碼管可將達到規定范圍的測量溫度快速顯示。
2.4基本工作程序。首先利用熱電偶對溫度數據進(jìn)行采集，通過(guò)MAX6675轉換電路將數據進(jìn)行轉換、實(shí)施冷端補償，以及校正，溫度數字量經(jīng)轉換電路處理后以串行的方式傳輸到單片機，通過(guò)單片機軟件算法對數字量進(jìn)行處理。測量溫度如果達到規定標準，數碼管可將溫度值直接顯示出來(lái)。如果不在規定范圍內，單片機所控制的報警系統則會(huì )發(fā)出警報。
三、系統主要構成
3.1硬件部分
3.1.1K熱電偶。在工程建設領(lǐng)域所用的溫度傳感器中,熱電偶的應用最為廣泛。熱電偶可實(shí)現溫度向電量變化的轉換。本系統采用K型熱電偶測溫元件，該類(lèi)型熱電偶與被測目標直接接觸，沒(méi)有中介影響，因此測量精度比較高，常用熱電偶可連續進(jìn)行-50-+1600℃范圍內的溫度測量，其中具有特殊熱電偶最高可測+2800的溫度，最低可測-269℃的溫度，測量范圍非常廣泛;通常情況下，熱電偶的組成是兩根不同材料的金屬絲，結構比較簡(jiǎn)單，并且沒(méi)有開(kāi)頭、大小限制，外部設有保護作用的套管，使用起來(lái)很方便。由于生產(chǎn)對象的不同，所需要的測溫條件和測溫要求有所不同，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溫度轉換芯片。由Maxin公司生產(chǎn)的SPI總線(xiàn)MAX6675專(zhuān)用芯片，可實(shí)現K熱電偶冷端補償及數字化處理熱勢信號，穩定性及可靠性較高，可在自動(dòng)化、儀器儀表、工業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域。MAX6675溫度轉換芯片利用SPI簡(jiǎn)單串行出口輸出溫度數值，測溫范圍在0℃-1024℃之間，具有0.25℃12位分辨率，在片內進(jìn)行冷端補償，利用高阻抗差動(dòng)形式進(jìn)行輸人，可進(jìn)行斷線(xiàn)熱電偶檢測，電源電壓為單一+5V,功耗較低，工作溫度在-20C-+85C的范圍內，具有2000ESD保護功能。該設備采用50貼片8引腳裝封。
3.1.3AT89C51單片機。單片機是系統控制的核心，溫度測量具有方便的接口部位，對整個(gè)系統進(jìn)行綜合考慮，選擇使用由美國ATMEL公司研發(fā)的AT89C51單片機，該單片機帶有4K字節的閃爍可擦除、可編程的只讀儲存設備，具有8位高性能的微處理裝置?？蛇M(jìn)行上百次的只讀儲存裝置反復擦除。該設備利用易失高密ATMEL儲存設備的制造技術(shù)，同工業(yè)標準的輸出管腳和MCS--51指令集相互兼容，閃爍儲存設備與功能較多的8位CPU在單個(gè)芯片中組合。
3.2軟件程序設計。該系統的軟件程序設計包括主系統程序以及溫度采集及轉換、報警、延時(shí)、顯示等子程序功能模塊。其中主程序具有調用子程序的功能，并通過(guò)快速算法對溫度數據實(shí)施處理，由溫度的采集與轉換程序把MAX6675設備轉換而來(lái)的數字量輸入單片機后，對溫度值進(jìn)行正確處理后可生成12數位的溫度值。報警程序通過(guò)對溫度值超值狀況進(jìn)行判斷，顯示系統可將計算所得的溫度顯示出來(lái)。
四、系統的仿真實(shí)驗
　　該系統設計完成后，利用由英國Labcenter公司研制的ProteusISIS實(shí)物仿真機電路分析軟件，在Windows基礎上進(jìn)行系統仿真分析。該軟件實(shí)現了SPICE電路與單片機仿真結合，含有諸如示波器、信號發(fā)生器、邏輯分析設備等多種虛擬設備，并且對主流單片機系統仿真比較支持，可對軟件進(jìn)行調試。在硬件系統仿真過(guò)程中，可實(shí)現單步、全速、斷點(diǎn)設置等調試，同時(shí)還可對寄存器、各種變量當前形態(tài)進(jìn)行觀(guān)察，對第三方軟件環(huán)境調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大。以系統硬件電路及軟件設計為依據，對系統進(jìn)行了仿真測試，在基本原理圖簡(jiǎn)化的情況下實(shí)現了預期設計目的。
結束語(yǔ)
　　本文就熱電偶傳感器應用下的高速測溫系統設計進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，對熱電偶熱惰性的時(shí)間參數綜合考慮，通過(guò)溫度的快速算法達到了高速測量溫度的目的。本文重點(diǎn)分析了系統的工作原理以及硬件組成及軟件設計。通過(guò)仿真實(shí)驗對系統的性能進(jìn)行驗證，其實(shí)驗結果表明，設計完全達到了預期要求。