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1、密 级 公 开 学 号衡水学院毕业论文（设计）基于热电偶的测温电路设计论文作者：指导教师：系别：物理与电子信息系专业电子信息工程年级：提交日期：答辩日期：毕业论文（设计）学术承诺本人郑重承诺：所呈交毕业论文（设计）为本人在导师指导下做出的钻研任务以及取得钻研成果。除了文中致谢的地方和特别加以标注外，论文（设计）;中不存在抄袭状况，论文（设计）中不含有其他人曾经发表的研究成果，也不包括别人或其余教学机构获得的研究成果。作者签名： 日 期： 毕业论文（设计）使用授权的说明本人理解并恪守衡水学院的相关保留、运用毕业论文（设计）的规则。即：学校有权保留或向相关部门送交毕业论文（设计）原件或复印件，容许
2、论文（设计）被查阅或借阅；学校能够公开论文（设计）整体或部分内容，可以缩印、取用影印或别的复制手段保存论文（设计）及相干材料。作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 2013级电子信息工程专业毕业论文（设计）论文题目：基于热电偶的测温电路设计摘 要：此文阐述了基于热电偶的测量电路设计，文中针对测温冷端补偿问题，采用了MAX6675芯片。采集两个以上的温度数据，通过初始前后温度的差值关系，计算得到温度的数值。此文应用热电偶以及冷端补偿温度转换芯片MAX6675、STC89C52单片机、LCD1602组件、K型热电偶。温度测量精度可以达到0.3。系统的首要任务是通过热电偶进行温度的采集，数
3、据处理后经MAX6675冷端补偿，最终温度测量数据通过单片机处理后在LCD1602上呈现出来。最后进行系统上的调试仿真，完成作品。关键词：单片机； 热电偶； 冷端补偿 TITLE: DESIGN OF TEMPERATURE MEASURING CIRCUIT BASED ON THERMOCOUPLEAbstract: This paper describes the design of the measurement circuit based on thermocouple. In this paper, the max6675 chip is used to solve the pro
4、blem of temperature compensation. Collect more than two temperature data, through the initial temperature difference between the front and back temperature, calculated the value of temperature. The application of thermocouple cold junction compensation and temperature conversion chip MAX6675, STC89C
5、52 microcontroller, LCD1602 components and k type thermocouple the accuracy of temperature measurement can reach 0.3. The primary task of the system is to collect the temperature by the thermocouple. After the data processing, it is compensated by the MAX6675cold end. Finally, the temperature measur
6、ement data is presented on the LCD1602after the single chip processor. Finally, the system debugging simulation, complete works.Key words: SCM; Thermocouple；Cold Junction CompensationI目 录摘 要IAbstract. II1 绪论11.1 课题背景11.2 工业生产领域的使用11.3 课题的设计目标12 系统原理概述32.1 热电偶测温基本原理32.2 硬件组成原理32.3 热电偶冷端补偿方案.42.4 芯片MA
7、X6675功能简介43 硬件设计53.1 系统MCU设计与电路分析53.1.1 系统MCU的简介分析53.1.2 主控制器MCU简介53.1.3 主控制器电路设计63.2 显示接口电路设计63.2.1 FYLCD1602主要参数63.2.2 FYLCD1602显示功能说明73.3 温度采集电路设计84 系统软件思路设计94.1 开发软件平台94.2 主要编程思想94.3 温度检测传感器驱动程序设计104.4 系统误差的调试104.5显示程序设计104.6 温度采集转换程序设计125 系统测试部分13结语14参考文献15致谢16III1 绪论1.1 课题背景当今现世，科学技术迅速发展的同时也促进
8、了传感器、单片机和微机控制等高科技技术的深层次发展。当遇见有测温的需求的情况时，可以通过热电偶的相关功能来实现，并且能够快速、秘密的将信息进行传输，与传统的各类传感器相比，这个方法更加方便、容易。基于热电偶测量温度系统的重要组成部分，监测功能通过屏幕数据显示来实现，该系统有着十分强大的功能，可靠度、智能水平等也比较高，同时安装方便且具有较好的普适。 而且随着现代工业的发展，温度测量涉及很多领域。基于热电偶的测温系统，用热电偶对温度进行来反馈。电路采用不同类型的热电偶，热电偶温度范围广，其优势大大提高了测温精度，热电阻传统的方式数据不精确。基于热电偶的测温系统，逐步成为社会应用主流。1.2 工业
9、生产领域的使用国民经济发展，温度检测技术也在不断的加强。跟温度息息相关的行业发展呈现不同态势。国外是钢铁行业发展迅速。英国是工业革命发源地，一般采用高精度温度测量炼钢，而且效率大大提高。并且全方位的安装了温度和其他检测装置，尽可能加大纯钢率。日本，法国，荷兰制造业发展也很迅速，比如冰箱，空调。国外的温检装置相对较好，优点集中，耐用易上手。国内的有关温检行业发展较快，一些检测温度的产品应运而生。相比国外的温度制品来说，国内的种类繁多的温度控制仪，种类结构各异，但是也有很大进步。正由于如此，很多国内优秀的钢铁制造业火速崛起，渐渐的成为中国经济发展的带头先锋。根据国内外的发展状况，工业制造业用的温度
10、检测装置有很广阔的发展空间，对经济行业来说有很重要的作用。1.3 课题的设计目标采用传感器技术，信号处理原理技术和单片机的应用技术。K型热电偶具有测量温度范围广、测试场合随性通用、内部电路通俗易懂。用热电偶实现温度的检测，将温度信号通过传感器进行信号的采集并通过MAX6675芯片转换成数字信号，再依靠单片机AT89C2051进行数据的剖析和处理，为LCD1602液晶显示电路提供数据。第 5 页 共 21 页2 系统原理概述2.1 热电偶测温基本原理 热电势效应是热电偶测温的内在原理，热电势产生的基础是闭合回路内有电流产生，形成温度差。应用两种热电极，温度高的一端为温端，温度低端为冷端，冷端通常
11、为恒温。感知热源后，传感器把感知常数转化为电压，外围电路芯把电压变换为数字量，最后传送到MCU。这样测得热电动势后即可知晓被测物体的温度。当两种有差别的导体形成闭合回路时，将一个节点置于温度为T另一个节点至于温度为T0的热源环境中，则该回路内发生热电势效应。热电势的取值反应两点温度的差值，T0不变，热电势会随温度T变化。内部得到热电势的取值，而由此可以得到温度T的数值。K型热电偶是工业常用的工具，能够测量各种生产中0到1300区间任何物质的温度。这种小装备可将温度量转换成电压的，它结构简略，有较高的精度、较高的稳定性，广泛温度测量范围，在温度测量中占据极高的地位。2.2 硬件组成原理温度传感器
12、采集电路、MAX6675芯片温度补偿电路、STC89C52单片机管控电路、LCD1602显示电路作为硬件主要部分。为了排除外界的干预信号，经双绞线使K型热电偶经与MAX6675芯片相连。采取STC89C52单片机对具备冷端补偿功能的转换芯片MAX6675进行控制，把MAX6675芯片经过SPI传输的数据。显示电路由STC89C52单片机通过锁存器对数码管控制，再通过数码管显示出来。硬件组成原理图如图2-1所示。2.3 热电偶冷端补偿方案一种通俗的芯片MAX6675，可以和热电偶搭配使用，用来弥补A/D转换、数字化测量以及冷端缺失的问题。由于内带有LE敏感二极管，可以很容易监测到温度变化，通电状
13、态下即会产生数据电压，数模转换器可以将补偿电压转换为温度，也可以将热电势转变为电压，相加后从串行接口输出的测量数据，很简便的就得到所测得温度数据。图2-1 硬件组成原理图2.4 芯片MAX6675功能简介MAX6675是美国生产的作为热电偶感温测量冷端补偿的专用芯片，通过对热电势作数据处理，达到信号放大数字化测量的效果。由于拥有很高实用性，普遍应用于工业仪表领域等。其内部结构框如图2-2。图2-2 MAX6675内部结构框图3 硬件设计3.1 系统MCU设计与电路分析3.1.1 系统MCU的简介分析系统硬件部分主要分为K型热电偶冷端补偿组合，液晶屏显示，MCU构成的三大组成部分。根据系统主要实
14、现的功能，基于热电偶测温电路测量装置的总体构架框图都是以单片机为中心，在其基础上与其他模块进行链接，组成最后完整的系统构架。系统构架如图3-1所示。LCDK型热电偶MAX6675MCU图3-1 系统构架图3.1.2 主控制器MCU简介单片机是高性能的微处理器，它还叫做微控制器，带有可删除只读存储器。CPU、内存、总线、外存、接口、定时器、实时时钟等都集成在一块芯片上。单片机还叫做微控制器，它属于最小的计算机体系。它的质量轻，体积小，开发便利，减轻了简单电路设计学习时的复杂程度。3.1.3 主控制器电路设计系统用的主控制器是STC89C52，该芯片有40个引脚。此设计由5V直流稳压电源供电。电路
15、由复位和晶振电路构成。复位电路是在单片机的引脚RST上接上电阻与电容，达到单片机的复位。取用11.0592MHz无源晶振作为晶振电路，两个30pF电容达到并联谐振的效果。最小系统外围电路如图3-2所示。图3-2 最小系统外围电路3.2 显示接口电路设计3.2.1 LCD1602主要参数主要参数如表3-1所示。表3-1 LCD1602主要参数表项目参考值逻辑工作电压（Vdd）+4.8 +5.2VLCD 驱动电压（Vdd-Vo）+3.0 +5.0V工作温度（Ta）-20 +70（宽温）储存温度(Tsto)-30 + 80（宽温）工作电流（背光除外）1.7mA(max)工作电流（背光）24.0mA(
16、max)在外观上，FYLCD1602智能显示液晶屏大小是5*8的数字点阵模，根据系统设计要求能够很清楚的显现出所需要的数字和字母。该液晶屏为单色显示屏。液晶屏可以根据不同的需求设置背光，不需要背光时电流更小，对屏的损坏也会减少；但是白天可以设置成低背光，用以增长液晶显示屏的使用寿命。根据不同的需求可以对亮度经行适当调整，达到最佳的使用效果。3.2.2 FYLCD1602显示功能说明 FYLCD1602为终端环保智能液晶显示屏幕，内部带有阿拉伯数字、子文字母、符号字母、极为方便。当给LCD1602上电后，该模块将恢复到默认状态，并根据相应的按键设置显示时间。FYLCD1602的数字显示是系统使用
17、的主要方面的，且此功能被最大化用于该系统。FYLCD接口电路设计电路如图3-3所示。图3-3 显示模块接口电路图3.3 温度采集电路设计作为一种特殊的测温元件，热电偶具备构造简单、宽广的测温区间、测量精度高的优势。其电路图结构也比较简单，通俗易懂。其电路如图3-4所示。图3-4 温度采样电路示意图MAX6675芯片的T+和T-需要跟K型热电偶两端分别单独相连，T-引脚接地才能使传感器短路检测。温度采集程序非常简便，冷端补偿芯片MAX6675把热电偶传感器采集到的温度数据处理，再传输给单片机控制模块。温度的采集在实现功能的环节是最重要的环节，温度采集失效将影响整个系统的效果。热电偶作为一种简单新
18、型传感器易上手，这里需要的是把MAX6675的引脚正确连接。4 系统软件思路设计4.1 开发软件平台STC89C52是功耗低、几乎无干扰的STC89C52单片机。该设计使的软件开发工具是VC+6.0。VC+6.0是很优越的STC89C52单片机的软件开发工具，其操作简洁，功能强大，有很好仿真功能，故选它为开发工具。开发平台是Keil-uVision4。它增强开发人员的效率，更好更平稳地加速了程序开发。4.2 主要编程思想软件部分也是该系统重要组成部分，硬件只是实现模块的有机链接，软件编程部分才是系统的大脑支配。经过编写，运行，调试，软件部分基本可以实现所需要的大部分功能。流程图4-1所示。开始
19、MAX6675串行数据读取热电偶单片机对数据进行快速算法处理判断温度是否超出范围调用显示子程序返回图4-1 主程序流程图4.3 温度检测传感器驱动程序设计程序初始化，执行步骤代码，过程中进入不同中断，对温度实时监测。中断程序执行后，数据经过初始化入口进入内部计算模块，通过转换计算出所需要的温度值，显示在LCD显示屏上。驱动流程图如图4-2所示。启动写入测温命令数据端口定义读出温度数据并显示计算温度值图4-2 驱动流程图4.4 系统误差的调试传感器或多或少会有误差，这都是在所难免的，最大的问题是如何实现把误差最小化。首先是传感器本身决定硬件误差。虽然最重要的冷端补偿问题得到解决，但基于所需要的传
20、感器的温度范围，精确度大小，传感器反应速度等一系列的问题，最终选定了K型号。还有如今传感器种类繁多，根据设计等多方面因素，分析出此传感器可以温度误差在2摄氏度左右，是一款相对稳定的传感器。接着编程方法造成软件误差。空气中的温度时时刻刻都在发生这变化，但温度的测量不可能短时间的更新。这就会造成很可能在观测者观察温度的时候出现温度滞后的情况，降低了温度检测的精确度。因此，在设计中应该充分考虑，经行反复的运行和调试，让检测误差缩到最小。4.5显示程序设计对经过单片机处理后的温度值进行显示处理是显示子程序的主体任务。借用数码管来显示，先把处理后的温度数据增大十倍，然后提取各个位上的数值，从百位到小数点
21、最后一位，分别相应的在数码管位上以动态显现出来。细节流程如图4-3所示。开始温度*10温度对1000取整运算得到百位送段码显示温度对1000取得运算得到百位送段码显示温度对1000取余后对100取得运算得到十位送段码显示温度对100取后对10去整运算得到个位送段码显示温度对10取余得到小数位送段码显示结束图4-3 显示细节流程图4.6 温度采集转换程序设计 程序启动之后，会进行依次的执行代码，中途会进入不同的中断。为了对温度实时监测，程序内包含中断代码。中断代码执行后，经初始端口的定义，输入计算的值并经过计算， LCD1602上显示得数即为所需要的最终数据。流程图如图4-4所示。开始初始化16
22、位数据读取段偶位为1提取12温度数据延时170ms返回图4-4 温度采集转换流程图5 系统测试部分在整个设计完成以后，需要对系统进行整体测试，发现其中的问题加以改正。当装置的软硬件部分有机连接之后，就要在模拟环境中对系统进行检查和整改。检测出有问题的部分需要再在进行改正。反复进行使系统达到最优化。记录是否可以使软件所运行的功能在硬件上有效的实施。而且硬件部分主要是显示部分和传感器部分，是否可以正常运行，是否可以正常显示，也是要检测的关键。测量出的结果最好能与其他使温湿度测试仪的测量结果进行比对，从而提高系统的精确度。首先进行硬件检测，查电路焊接是否异常，节点是否连接正常，是否有效，并保证不出现
23、短路现象，检查各个模块是否正常。接下来进行软件测试，查看液晶显示器上的初始数据，测试不同温度，观察程序是否正常显示。经过一系列严格的测试，基本实现预期的要求。检测过程中出现不显示现象和误差大的问题得到解决，可以使用。系统仿真图如图5-1所示。图5-1 系统仿真图结语本文主要阐释了基于热电偶的测温系统设计的实践经验，该实践中考虑到热电偶测温冷端补偿问题。通过对电路原理进行简单的描述，MAX6675把热电偶测温线性化的繁琐、数字形成、冷端补偿难题集中在一个芯片上来处理，按照算法经SCT89C52单片机软件编程完成了温度的精确测量，很好地完成了任务要求。热电偶测温系统技术，广泛应用于工业、仓库、生产
24、的方方面面，需求很大。热电偶测温系统应用范围很广，提高了生产效率，助推了新型电路传感器的使用和经济发展。毕业设计是将我们大学期间的所学到的只是理论与实践相结合的过程，能够清晰让我们认识到自己认知的局限性。可能因为自身知识的局限性与准备时间不充分，设计的弊端还是有的，比如实用性方面。所以更希望在未来进一步锻炼自身，在实际当提升自己。参考文献1 李静，曲贵波，吴东艳.基于K型热电偶的中低温度测量系统的设计J.黑龙江工程学院学报，2016，05:43-45.2 王冰，任勇峰，贾兴中，刘兴俊.一种基于热电偶CJC测温电路的设计J.电子器件，2016，04:907-912.3 王闯，热电偶温度信号的采集
25、及其标定方法研究D.中北大学，2016.4 闫鑫，热电偶高精度检测电路与信号处理方法研究D.中国计量学院，2015.5 王晓丹，多通道高精度测温存储系统的研究D.中北大学，2015.6 董继超，宫虎，曾其勇，王羿，段巍，房丰洲，基于薄膜热电偶的超精密车削瞬态切削温度的测量J.纳米技术与精密工程，2016，04:310-314.7 曾小信，邱立运.热电偶测温采集精度的影响因素及优化方法J.自动化与仪表，2016，09:37-40.8 曾小信，邱立运.热电偶测温采集精度的影响因素及优化方法J.自动化与仪表，2016，09:37-40.9 何晓文，周雪纯.一种基于函数型的热电偶非线性校正方法J.电子
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28、e in animal tissue under exposure to acoustic radiation force impulseJ. Journal of Medical Ultrasonics,2015,421.致谢感谢我的同学，感谢他们的鼓励和帮助。大学期间，我们朝夕相处，休戚与共，共同进步，共同发展。期待在不久的未来，我们共创辉煌。感谢我的母校。是它，给了我一个宽阔的学习平台；是它，让我不断吸取新知，充实自己；是它，让我的梦想进一步得以实现。 在论文完成之际，还要感谢的指导老师侯晓云在这期间对我的细心指导和帮助。作为老师，帮我点拨迷津，让我如沐春风；作为师长，对我体贴入微，让我感念至深。能师从侯老师，我为自己感到自豪。需要特别感谢的是我的父母。父母之情深如海，在我的人生道路上，就如同启明星般一直指引着我前行。在面临人生选择的迷茫之际，为我筹谋，对我无私的爱与关怀是没有理由放弃拼搏的动力。我会怀着一颗感恩的心向前拼搏，创造属于我的完美世界！第 19 页 共 16 页