课程设计_无线温度采集系统.pdf

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1、中文摘要-I-摘 要 随着工农业生产对温湿度的要求越来越高，准确测量温度变得至关重要。本文设计主要是针对恶劣环境下的工业现场以及高科技大范围的农业现场，布线困难，浪费资源，占用空间，可操作性差等问题做出的一个解决方案。该方案主要是利用热电偶采集外界的温度，利用无线传输实现在上位机显示采集到的温度，并对数据进行相应的对比和处理。本文主要利用两路热电偶采集温度的模拟量，并且利用热电偶串行模数转换器实现信号放大、冷端补偿和 A/D 转换，再由单片机进行处理，并通过无线传输模块将测量的数值传输给 PC 机，在 PC 机上实现数据的对比，从而可以对工业现场和农业现场的环境温度进行实时监测，并且利用该设计

2、还可以实现对热电偶测量准确度的现场检测。本设计结构简单，但应用范围广泛，使用方便，而且节约资源，同时可以进行远距离的监控。关键词关键词：温度数据采集，无线传输，热电偶，单片机，PC 机 Abstract-II-Abstract With the more and more request of industry and agriculture production in the temperature,it become very important to survey the temperature accurately.This article is designed for harsh

3、environments and high-tech industries at the scene of large-scale agriculture at the scene,wiring problems,waste of resources,space,and make operational a poor solution.This design is mainly to use the thermocouple to gather temperature,and then use the wireless transmission to reveal the gathered t

4、emperature on the position machine,and comparison of data and processing the corresponding.This design mainly uses two thermocouple to gather the analog quantity of the temperature and uses the thermocouple serial ADC to achieve signal amplification,cold junction compensation and the A/D conversion,

5、and then the digital quantity will be able to be distinguished by the microchip and then transmitted through the wireless transmission module to the PC,and to achieve the compare of data,then the temperature of the scene of industrial and agricultural can be monitored in any time,and through this de

6、sign we can detect the accuracy of thermocouple at the scene of measurements.This system is of simple structure,but in extensive application range,easy being used.Moreover,it saves resources and also,the long range monitor may be carried on at the same time.Key words:temperature data acquisition,wir

7、eless transmission,thermocouple,single-chip,PC 目录-III-目 录 摘 要.I Abstract.II 目 录.III 第一章 引 言.1 1.1 课题的背景和意义.1 1.2 无线温度采集原理.2 1.3 无线温度采集的发展状况.4 1.4 无线温度采集系统的研究内容.6 第二章 总体方案设计.7 2.1 任务要求.7 2.2 总体方案的论证.7 2.3 总体方案的选择.10 第三章 单元电路的设计.12 3.1 温度传感器信号调理电路.12 3.1.1 热电偶.12 3.1.2 温度数据采集部分的放大电路.18 3.1.3 自动检测部分的信号

8、放大器.21 3.2 无线收发模块.26 3.2.1 无线收发芯片的选择.26 3.2.2 PTR8000 无线数据传输模块.28 3.2.4 PTR8000 的工作过程.32 3.3 单片机与 PC 机接口数据传输电路.32 目录-IV-3.4 单片机.34 3.4.1 单片机的特点.34 3.4.2 单片机系统设计.35 3.4.3 单片机与各芯片的连接电路.36 3.4.3 软件设计.38 3.5 直流稳压电源.40 结 论.42 参考文献.43 致 谢.44 附录一 发射部分电路图.45 附录二 接收部分电路图.46 第一章 引 言-1-第一章 引 言 1.1 课题的背景和意义 随着社

9、会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式已经渗透到社会生活生产的每一个角落，温度测量的准确度在影响生产效益的同时也在逐步得到社会的重视。在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，工作人员可以在这里将控制指令传输给现场执行模块进行各种操作。这样就会产生数据传输问题，由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用

10、无线传输的方式进行数据采集。在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。以上只是简单列举几个现实的例子，在现实生活中，这种温度采集系统

11、已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。因此，对于如何利用无线通信技术进行数据采集，尤其是如何提高无线数据采集的精度等课题的研究就变得非常的有意义。第一章 引 言-2-1.2 无线温度采集原理 1.无线温度采集的原理 无线温度采集的原理如下：温度传感器将被测点的温度采集后输出的模拟信号逐步送往信号放大电路、低通滤波器以及 A/D 转换器（即信号调理电路），然后在单片机的控制下将 A/D 转换器输出的数字信号传送到无线收发芯片中，并通过芯片的调制处理后由芯片内部的天线发送到上位机，在上位机模块

12、中，发送来的数据由单片机控制的无线收发芯片接收并解调，最后通过接口芯片发送到 PC 机中进行显示和处理。2.温度传感器简介 在采集被测点温度时会用到温度传感器。温度传感器就是能够感知和测量环境中某点温度的一种敏感器件，它将环境中的温度或与温度有关的参量的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得被测点在环境中的温度信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、监控、报警系统。温度测量方法有接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温是，温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。目前常用的接触式测温仪表有：1)膨胀式温度计。一种是利用液体和气体的热膨胀及

13、物质的蒸汽压变化来测量温度，如玻璃液体温度计和压力式温度计；另一种是利用两种金属的热膨胀差来测量温度，如双金属温度计。2)热电阻温度计。它利用固体材料的电阻随温度而变化的原理测量温度，如铂电阻、铜电阻和热敏电阻。3)热电偶温度计。它利用热电效应测量温度。4)其他原理的温度计。例如，基于半导体器件温度效应的集成温度传感器、基于晶体的固有频率随温度而变化的石英晶体传感器等。接触式测温的测量方法比较直观、可靠，测量仪表也比较简单。但是，由第一章 引 言-3-于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就有可能破环被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的

14、热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。在接触过程中，有的介质有强烈的腐蚀性，特别在高温时对测温元件的影响更大，从而不能保证测温元件的可靠性和工作寿命。非接触测温时，温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。目前常用的非接触式测温仪表有：1)辐射式温度计。其测量原理是基于普朗克定理，如光电高温计、辐射传感器、比色温度计。2)光纤式温度计。它是利用光纤的温度特性来实现温度的测量，或者仅仅是光纤作为传光的介质。如光纤温度传感器、光纤辐射温度计。目前在高温测量中，应用最广泛的是非接触式测温仪表，主要应用在冶金、铸造、热处理，以及玻璃、

15、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。任何物体处于绝对零度以上时，因其内部带电粒子的运动，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量，只是在低温段这种能量很弱。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。在测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此，可以测量运动物体的温度且不破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，没有上限，可以测量高温。但是，这样的非接触式测温仪表的测量精度一般不高。为了采集特定点的温度，并在上位机上进行显示和控制，要求所使用的温度传感器必需有一定的精度，显然使用非接触式测温仪表就不是非常合

16、适。而在接触式测温仪表中，热电阻式传感器的测温范围主要在中、低温区域（-200650），且线性度较差，只在某一较窄范围内有较好的线性度，由于是半导体材料，其复现性和互换性较差；热电偶传感器是一种将温度转换为电势变化的传感器，在工业生产中，热电偶是应用最广泛的测温元件之一，其主要优点是测温范围广，可以在 1K 至 2800的范围内使用，精度高，性能稳定，第一章 引 言-4-结构简单，动态性能好，把温度转换为电势信号便于处理和远距离传输。这样通过比较可以明显看出，在工业测温上，热电偶是比较实用的温度传感器，因此在本设计中使用的测温仪表也将是热电偶。表 1-1 为国际电工委员会（IEC）推荐的 8

17、种标准化热电偶的特性1。表 1-1 标准热电偶的特性 热电偶种类 优 点 缺 点 B 适于测量 1000以上的高温；常温下热电动势极小，可不用补偿导线；抗氧化、耐化学腐蚀 在中低温领域热电动势小，不能用于600以下；灵敏度低；热电动势的线性不好 R,S 精度高、稳定性好，不易劣化；抗氧化、耐化学腐蚀；可作标准 灵敏度低；不适用于还原性气氛（尤其是氢气、金属蒸汽）；热电动势的线性不好；价格高 N 热电动势线性好；1000以下抗氧化性能良好；短程表序结构变化影响小 不适用于还原性气氛；同贵重金属热电偶相比，时效变化大 K 热电动势线性好；1000下抗氧化性能良好；在廉价金属热电偶中稳定性更好 不适

18、用于还原性气氛；同贵重金属热电偶相比，时效变化大；因短程有序结构变化而产生误差 E 在现有的热电偶中，灵敏度最高；同 J 型相比，耐热性能良好；两极非磁性 不适用于还原性气氛；热导率低具有微滞后现象 J 可用于还原性气氛；热电动势较 K型高 20左右 铁正极易生锈；热电特性漂移大 T 热电动势线性好；低温特性好；产品质量稳定性好；可用于还原性气氛 使用温度低；铜正极易氧化；热传导误差大 1.3 无线温度采集的发展状况 1.传感器网络 无线温度采集系统实际上是一个传感器网络，即将多个传感器通过近距离通信和数据交换技术组成的网络，是近年来迅速发展的新技术，它融传感器与通信技术于一体，具有很大的发展

19、前景。这种传感器网络综合了传感器技术、计算机技术、信息处理技术和通信技术，能够实时监测、采集网络分布区域内第一章 引 言-5-的信息，进行处理后传送到用户。因而传感器网络在检测精度、空间的广度与分辨率等方面都将传感器技术推向了一个新的高度，成为近年来引人注目的高科技领域。20 世纪 90 年代美国五角大楼提出了“智能尘埃”的设计思想，目的是在战场上抛洒数千个微小的具有无线通信功能的传感器模块，用于监控敌人的活动情况。“智能尘埃”对相关原始数据进行过滤，通过自组织的无线传感网络把重要的信息发送给指挥部。2006 年 Dust Networks 公司在Electronica 大会上发布了世界上首个

20、无线传感器网络系统级芯片（SoC）。Dust Networks 在这张名为“智能尘埃”的芯片上集成了构建分配式传感器网络所需的所有硬件和软件功能。经过近几年的发展，这种芯片体积越来越小，功能越来越完备，在天气预报、环境监测以及军事领域的应用前景十分广泛。这种“智能尘埃”就是一种典型的传感器网络。2.无线温度采集系统的发展现状 近几年，无线温度采集系统被广泛应用于工业、农业以及军事等领域中，甚至已经延伸到人们的日常生活中，将会成为人们生活不可或缺的一部分。因此，目前对无线温度采集系统的研究成为很多学者关注的对象。随着对无线温度采集系统的应用越来越广泛，设计方法也越来越多样化。例如，基于 ZigB

21、ee 技术的远程无线温度测控系统，采用 ZigBee 技术的无线传感网络与 GPRS 网络相结合的体系结构，基于 CC2430 芯片设计无线传感节点，并开发其软件，该系统性能稳定，具有灵活性和可扩展性，功耗低，可靠性高；还有基于射频的数据采集与无线传输系统，采用 AT89S52 单片机控制数字式温度传感器采集数据，并用射频芯片 nRF401（采用抗干扰能力较强的 FSK 调制/解调方式）实现数据的发送和接收；还有基于 PXA207 的无线模块监控系统，以 IntelXScale 架构的 PXA207 嵌入式微处理器为核心，集嵌入式 WEB 服务、无线控制、温度采集于一体，实现了智能信息无线网络

22、控制；还有基于蓝牙技术的温度数据采集系统，使蓝牙系统工作在 ISM（Industrial Scientific Medical）公用频段，采用时分双工传输技术和高斯频移键控（GFSK），以二进制格式传输数据，且具有直接进行数字信号输入输出功能，由于蓝牙射频 IC 的外围电路元第一章 引 言-6-件极少（例如 nRF401、240X 系列其外围元件仅 10 个左右），因此不但可以大大简化无线数据传输或遥测系统的设计，还可降低成本，提高系统的可靠性。2 由于计算机技术的迅速发展和普及以及通信技术的飞速发展，目前世界上的科技大国都高度重视无线通信技术在民用和军事方面的应用。无线通信网络已经成功应用于

23、无线抄表、军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制、机器人控制等许多重要领域。1.4 无线温度采集系统的研究内容 由于无线温度采集系统多用于工农业等环境恶劣的领域，而且对温度测量的准确性有着较高的要求。因此，本课题的目的是对被测点的温度进行数据采集，并对所使用的热电偶进行自动检测。具体所做工作如下：1在查阅了大量的科技文献后，分析了各方案的优缺点，并选用合适的热电偶进行温度数据采集。2设计了放大电路等信号处理电路，为实现数据的显示与对比做好准备。3采用无线通信芯片来实现远距离的数字信号传输，使得技术人员可在环境适宜的操控室内进行环境温度的数据采集和处

24、理。4使用单片机实现对数据采集、无线发送与接收的控制，更好地实现了系统的自动化。第二章 总体方案设计-7-第二章 总体方案设计 2.1 任务要求 本次设计的任务，是设计一个基于单片机的无线温度采集系统，测温范围是 01024，用于工业高温炉等工业场所。要求实现在单片机的控制下采集数据信息，经过放大滤波等一系列处理后由无线收发芯片发送至上位机，并在上位机中的单片机的控制下接收数据信号，最后在 PC 机上显示和对比。此外，还需设计上述电路所需的直流稳压电源。2.2 总体方案的论证 能实现本次设计任务要求的方案不只一种，它们各有利弊。工作环境、测量精度、要求不相同时，选择的方案亦有所区别。所以，我们

25、要根据设计的具体要求，对能实现设计的多种方案进行论证，从中选择出适合设计要求的最佳方案。1方案一 方案一的原理框图如图 2-1 所示。方案一所设计的无线温度采集系统主要由一个上位机模块和一个下位机模块组成，上位机模块和下位机模块之间采用无线数据通道联系。上位机模块能对整个无线数据采集系统的运行进行管理和控制，下位机模块主要实现温度的多点数据采集。下位机模块以单片机为控制核心，主要包括温度传感器信号调理电路、模数转换电路和无线发射电路。上位机模块主要是单片机控制下的无线接收电路和PC机与无线收发单元间的串口通信电路。（1）温度传感器信号调理电路 温度传感器信号调理电路主要包括热电偶、信号放大器和

26、低通滤波器，完成温度数据采集的功能。其中热电偶将温度信号转换成电压量；放大器将传感器输出的小信号放大，放大器的输出结果满足模数转换的转换范围。第二章 总体方案设计-8-（2）模数转换电路 模数转换电路是用 A/D 转换器接收来自放大器的模拟信号，并将其转换成数字信号提供给发射电路。（3）无线发射电路 无线发射电路是由单片机控制，从发送端（模数转换）接收数据，并用无线收发芯片对收到的数据进行编码，然后通过输出端口输出。（4）无线接收电路 无线接收电路是接收发射电路发送的信号，通过无线收发芯片进行译码，成为上位机可显示的数据。（5）PC 机与无线收发单元间的通信电路 系统采用一个接口芯片连接 PC

27、 机与无线收发单元，通过该接口芯片实现数据传送和在 PC 机上显示温度采集结果。信号调理电路 图 2-1 方案一 2方案二 方案二的原理框图如图 2-2 所示。方案二所设计的无线温度采集系统同样是无线接收芯片 单片机 接口芯片 PC机 热电偶 信号放大器 低通滤波器 模数转换器 单片机 无线发射芯片 第二章 总体方案设计-9-由一个上位机模块和一个下位机模块构成，上位机模块与下位机模块之间采用无线数据通道联系。上位机模块能对整个无线数据采集系统的运行进行管理和控制，下位机模块主要实现温度的多点数据采集。下位机模块包括两部分电路，一路是数据采集部分，一路是热电偶自动检测部分；上位机是单片机控制下

28、的无线接收电路和 PC 机与无线收发单元间的串口通信电路。（1）温度传感器信号调理电路 数据采集部分的信号调理电路主要包括热电偶温度采集电路的电流信号输出和信号放大器 2 个模块，完成被测热电偶的数据采集功能。其中热电偶温度采集电路的电流信号输出是 420mA 的弱电流；放大器将上一级输出的 420mA 的弱电流转换为电压信号并放大，放大器的输出结果满足模数转换的转换范围。热电偶自动检测部分的信号调理电路主要由标准热电偶、信号放大器组成，完成对被测热电偶的自动检测功能。其中标准热电偶将高温炉被测点温度信息转换成电压量；信号放大器将标准热电偶输出的小信号放大，放大器的输出结果满足模数转换的转换范

29、围。（2）模数转换电路 模数转换电路是用 A/D 转换器接收来自放大器的模拟信号，并将其转换成数字信号提供给发射电路。（3）无线发射电路 无线发射电路是由单片机控制，从发送端（模数转换）接收数据，并用无线收发芯片对收到的数据进行编码，然后通过输出端口输出。（4）无线接收电路 无线接收电路是接收发射电路发送的信号，通过无线收发芯片进行译码，成为上位机可显示的数据。（5）PC 机与无线收发单元间的通信电路 系统采用一个接口芯片连接 PC 机与无线收发单元，通过该接口芯片实现数第二章 总体方案设计-10-据传送和在 PC 机上显示温度数据采集的结果以及被测热电偶的检定结果。图 2-2 方案二 2.3

30、 总体方案的选择 方案一与方案二的共同之处在于，二者都使用了热电偶、信号放大器、模数转换器、无线收发芯片、单片机以及 PC 机，基本的工作方式很相似。二者的不同之处可通过原理图看出。方案一是对一个定点进行温度数据采集，经过各部分电路的处理后，通过无线通信的方式发送到 PC 机上进行显示，很显然，这是典型的一路无线温度采集系统；方案二是在温度数据采集的同时对使用的热电偶进行自动的现场检定，两部分的数据通过无线传输的方式发送到 PC 机上进行显示和对比，从而确定被测热电偶的性能情况，这是带自动检定的无线温度采集系统。热电偶使用一段时间后，为保证其准确度和正常使用，要进行周期检定。工业上通常采用直接

31、比较法检定，比较法检定是被测热电偶和标准热电偶直接比较的一种检定方法。检定时，把被测热电偶与标准热电偶捆扎在一起送入检定炉，测量端应位于检定炉均匀的高温区中，检定炉内的温度应恒定在被测温度点3。热 电 偶温 度 采集 电 流信 号 输出 信号放大器 模数转换器 无线发射芯片 信号调理电路 单片机 无线接收芯片 单片机 接口芯片 PC机 信号放大器 模数转换器 标 准 热电偶 第二章 总体方案设计-11-在工业上，传统的检定装置由程序给定器、PID 调节器、温度显示记录仪、可控硅等组成控制系统来控制温度，等待炉温稳定后，用手动电位差计测量毫伏电动势，或用惠斯登电桥手动测量热电偶，然后手动查表、数

32、据处理。这种方法操作繁琐、耗时长、浪费能源，也易带来一些人为误差。方案二设计的就是一种简易的带有自动检定装置的无线温度采集系统，可以自动给定检定温度4。从根本上说，方案一与方案二的工作原理十分相似，但是它们有着最大的区别就是方案二有热电偶自动检定系统，可以对使用中的热电偶进行现场检定，这对提高温度测量精度和提高工作效率有着至关重要的意义。最后，通过比较，我们可以看出方案二相对于方案一来说有着不可替代的优势，因此我们确定方案二为本次设计的最终方案。第三章 单元电路的设计-12-第三章 单元电路的设计 基于第二章总体方案的设计，在这一章中，将总体电路划分为温度传感器信号调理电路、无线收发模块、电平

33、转换器、单片机电路以及直流电源稳压电路。下面分别介绍它们的工作原理及电路结构。3.1 温度传感器信号调理电路 图 3-1 数据采集部分的信号调理电路 图 3-2 热电偶自动检定部分的信号调理电路 上位机中数据采集部分的信号调理电路框图如图 3-1 所示，热电偶自动检定部分的信号调理电路框图如图 3-2 所示。数据采集部分的信号调理电路由热电偶温度采集电流输出电路和信号放大电路组成；热电偶自动检定部分的信号调理电路由标准热电偶和信号放大器组成。这一模块的功能就是将采集到的温度数据转换成电信号并放大，为进行后面的无线数据发送做好准备。3.1.1 热电偶 1.热电偶的功能 热电偶传感器是一种将温度变

34、化转换为电势变化的传感器。在工业生产中，热电偶是应用最广泛的测温元件之一。在数据采集与控制系统中，热电偶处于 标准热电偶 信号放大器 信号放大电路 热电偶温度采集电流输出 第三章 单元电路的设计-13-研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，对系统的功能起了决定性的作用。因此，只有根据系统要求，选择合适的热电偶，才能得到精确可靠的温度数据。2.热电偶的工作原理 目前对热电偶的工作原理有两种解说，都应该是正确的，下面我们将分别介绍这两种说法。（1）热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在 Seeb

35、eck电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在 0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。（2）两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这

36、种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。3.热电偶的几个注意事项 热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1)热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；第三章 单元电路的设计-14-2)热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差

37、有关；3)当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，则热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。4.热电偶的冷端补偿 由热电偶测温公式得知，热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定时，才能通过测量热电势的大小得到热端的温度。当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必需首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，在考虑将冷端处理为 0，这称为热电偶的冷端处理和补偿。下面介绍几种冷端处理的方法：1)补偿导线法 补偿导线在 100（或 200）以下的温度范围内，具有与热电偶相同的热电特性，用它连

38、接热电偶可起到延长热电偶冷端的作用。热电偶补偿导线通常有补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层组成。热电偶补偿导线有两方面的功能：其一实现冷端迁移；其二是降低电路成本。当热电偶与测量仪表距离较远时，使用补偿导线，可节约热电偶材料，尤其对贵金属热电偶来说，经济效益更是明显。2)热电偶冷端温度恒温法 在一个保温瓶里放冰水混合物，1 个标准大气压下（101.325kPa）冰和纯水的平衡温度为 0，在密封的盖子上插入若干支试管，试管的直径尽量小，并有足够的插入深度。试管底部有少量高度相同的水银或变压器油，若放水银则可把补偿导线与铜导线直接插入试管中的水银里，形成导电通路，不过在水银上面应加少量蒸馏水并用

39、石蜡封结，以防止水银蒸发和溢出。若改用变压器油代替水银，则必须使补偿导线与铜导线接触良好。自由端恒温法适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。3)冷端补偿电桥法 第三章 单元电路的设计-15-补偿电桥法是利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值，补偿电桥的 4 个桥臂中有一个臂是铜电阻作为感温元件，其余 3 个臂由阻值恒定的锰铜电阻制成。桥臂铜电阻必须和热电偶的冷端处于同一温度下。电桥在 0设计的铜电阻的阻值与其余 3 个桥臂电阻相等，这时电桥处于平衡状态。当冷端温度变化（比如升高），热电偶产生的热电势也将变化（减小），而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化

40、并使电桥两端的电压也发生变化（升高）。如果参数选择得好且接线正确，电桥产生的电压正好与热电势随温度变化而变化的量相等，整个热电偶测量回路的总输出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。本次设计的无线温度采集系统主要用于工业高温测控方面，因此对热电偶的准确度要求较高，在这里我们并不采用以上几种热电偶冷端补偿的方法，而是使用一种芯片，关于该芯片的介绍将在后面的内容中提到。5.标准化热电偶 由热电偶测温原理可知，由两种不同金属 A 和 B 构成一个闭合回路就可以组成热电偶，但为了保证测温精度和工程上的各项技术指标，按照工业标准化的要求，可分为标准化热电偶和非标准化热电偶两种。所谓标准化热电偶，是指

41、工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。国际电工委员会（IEC）共推荐了 8 种标准化热电偶，标准化热电偶分度表及热电极材料如表 3-1 所示。表 3-1 标准化热电偶分度表及热电极材料 热电偶分度号 热电极材料 正极 负极 S 铂铑10 纯铂 R 铂铑13 纯铂 B 铂铑30 铂铑6 第三章 单元电路的设计-16-K 镍铬 镍硅 T 纯铜 铜镍 J 铁 铜镍 N 镍铬硅 镍硅 E 镍铬 铜镍 下面主要介绍四种标准热电偶：1)铂铑10-铂热电偶（S 型）铂铑10-铂热电偶为贵金属热电偶。电极

42、线径规定为 0.5mm，其正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为 10，含铂为 90。负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为 1300，短期最高使用温度为 1600。S 型热电偶具有准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等优点。其物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，使用于氧化和惰性气氛中，使用广泛。S 型热电偶缺点是热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资大。2)铂铑30-铂铑6（B 型）铂铑30-铂铑6热电偶为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm，其正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑

43、合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为 1600，短期最高使用温度为 1800。B 型热电偶具有准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等优点，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不是用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中。它还有一个明显的优点是参比端不需进行冷端补偿，因为在 050范围内，热电势小于 3V。B 型热电偶缺点是热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。3)镍铬-镍硅热电偶（K 型）镍铬-镍硅热电偶是目前使用量最大的廉价金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和，正极（KP）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:1

44、0,负极（KN）的名义化第三章 单元电路的设计-17-学成分为：Ni:Si=97:3。其使用温度为-2001300。K 型热电偶具有线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性较好，抗氧化性强，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中。K 型热电偶不能在高温下直接用于还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。4)镍铬-铜镍热电偶（E 型）镍铬-铜镍热电偶又称镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。其正极（EP）为镍铬10合金，化学成分与 KP 相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为 55的铜、45的镍及少量的钴、锰、铁等元素。该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之

45、最，易制成热电偶堆来测量微小温度变化。E 型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。标准化热电偶的热电势与温度之间的关系如图 3-1 所示。图 3-1 标准热电偶的热电势与温度之间的关系 由于本次设计主要是针对工业上的温度采集，热电偶不可避免的要用在高温环境中，而且工业测温根据性质的不同可能会对热电偶的精度、灵敏度等技术指标有着不同的要求，因此通过以上对各种标准化热电偶的比较，我们决定选用 K 型热电偶来完成本次设计。第三章 单元电路的设计-18-3.1.2 温度数据采集部分的放大电路 1.放大电路的功能 放大电路是把输入信

46、号进行放大以供后续电路使用的电路，在设计中一般都会使用集成运放来完成此功能。由于使用热电偶进行温度数据采集得到的电信号很微弱，只有经过放大电路放大后才能满足后续电路对信号的处理范围。因此可看出，放大电路在整个系统中发挥着举足轻重的作用。2.集成运放简介 集成运放是以双端为输入，单端对地为输出的直接耦合型高增益放大器，是一种模拟集成电子器件。集成运放内部电路包括四个基本组成环节，分别是：输入级、中间级、输出级和各级的偏置电路。对于高性能、高精度等特殊集成运放，还要增加有关部分的单元电路。例如：温度控制电路、温度补偿电路、内部补偿电路、过流或过流保护电路、限流电路、稳压电路等。图 3-2 所示为集

47、成运放内部电路方框图5。输入 输出 图 3-2 集成运放内部电路方框图 目前广泛应用的电压型集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。集成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。按照集成运算放大器的参数来分，集成运算放大器可分为如下几类。输入级 中间级 输出级 偏置电路 第三章 单元电路的设计-19-1)通用型运算放大器 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类

48、器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例A741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的 LF356 都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。2)高阻型运算放大器 这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般idr（9101210），IBI为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用 FET 作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有 LF356、LF

49、355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的 CA3130、CA3140 等。3)低温漂型运算放大器 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有 OP-07、OP-27、AD508 及由 MOSFET 组成的斩波稳零型低漂移器件 ICL7650 等。4)高速型运算放大器 在快速 A/D 和 D/A 转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽GBW一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高

50、的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有 LM318、A715 等，其S50 70V/sR，20MHzGBW。5)低功耗型运算放大器 由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有 TL-022C、TL-060C 等，其工作电压为2V第三章 单元电路的设计-20-18V，消耗电流为50 250A。目前有的产品功耗已达微瓦级，例如 ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10W，可采用单节电池供电。6)高压大功率型运算放大器 运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器