熱電偶溫度傳感器應用下的高速測溫系統(tǒng)

摘要:本文著重對使用熱電偶溫度傳感器進行快速測溫系統(tǒng)設計進行研究，對其熱惰性的時間常數(shù)給予綜合考慮，借助快速算法達到快速測溫的目的。本系統(tǒng)采用具有冷端補償功能的MAX6675溫度轉(zhuǎn)換器、AT89C51型單片機、K型熱電偶以及數(shù)碼管等多種構(gòu)件組成溫度采集、轉(zhuǎn)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(tǒng)先利用熱電偶進行溫度采集，所得數(shù)據(jù)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(shù)碼管顯示出來。
　　物體的冷熱狀況需通過溫度來體現(xiàn)出來，溫度測量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設、科技研究等多種領域得到應用。--些特殊場合對測溫速度提出較高要求，比如汽車運轉(zhuǎn)中吸人發(fā)動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)動機的溫度完成時間應在0.4s內(nèi)等等，所以設計相關系統(tǒng)實現(xiàn)高速測溫目的具有極高的實用價值。
一、相關定義解析
1.1熱電偶。焊接兩種不同金屬導體,設置為閉合回路"。當焊接端受熱時有溫差產(chǎn)生，此時回路中會有熱電動勢產(chǎn)生,這種現(xiàn)象被稱作賽貝客效應。將參考端的溫度控制在0℃時，回路所產(chǎn)生的熱電動勢演變?yōu)楹附佣说臏囟葐沃岛瘮?shù)。利用熱電動勢測量的方式實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勢的大小，只和熱電極兩端溫度以及材料有關，而與電極的直徑和長度沒有關系。
1.2高速算法。高速算法是指間隔相等的時間內(nèi)，對三個溫度的數(shù)據(jù)進行快速采集，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)與初始階段的溫度、穩(wěn)定階段的溫度以及熱時間的常數(shù)相互關系，最終得出溫度穩(wěn)定以后計算溫度的數(shù)學公式，得出所測溫度值。
二、系統(tǒng)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(tǒng)進行溫度測量時，溫度呈緩慢上升狀態(tài)，并且隨著時間的變化，溫度并不是線性變化的過程，所以結(jié)合科學軟件算法，對熱電偶時間常數(shù)給予考慮是高速測溫實現(xiàn)的關鍵。算法依據(jù)對等間隔內(nèi)t1-t3三個等間隔時間點進行連續(xù)溫度值的采集，然后結(jié)合采集溫度值的初始溫度、穩(wěn)定以后的溫度以及熱時間的溫度常數(shù)關系，推算出溫度值的推算公式。溫度測量時隨著時間變化而變化。
　　通過計算發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定階段的溫度與三個采集的溫度值有關，與其他未知量無關。因此該計算方法需要快速對間隔相等的時間內(nèi)三個溫度值采集，然后運用軟件算法進行計算，最終達到高速測量溫度的目的。
2.2冷端補償?shù)挠行Т胧犭娕几咚贉囟葴y量中，用于溫度測量的一端為熱端，測量電路與引線相連接的一端為冷端。在進行熱電偶溫度測量時，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系。溫度測量時，當冷端溫度發(fā)生變化時，會對測量正確性造成嚴重影響。因此需要采取有效措施進行補償，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溫度集成轉(zhuǎn)換芯片進行溫度測量，不僅使溫度數(shù)值化、補償冷端溫度得到解決，并且可將因熱電偶的非線性測量誤差消除，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(tǒng)設計時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(shù)值化及補充冷端溫度功能的專用芯片。一方面環(huán)境溫度通過敏感度較高的內(nèi)置二極管轉(zhuǎn)換為補償電壓，同時又將補償電壓和熱電勢利用模數(shù)轉(zhuǎn)換設備轉(zhuǎn)換成數(shù)字量表示溫度。二者進行相加后，測量結(jié)果由串行接口傳輸出來，該數(shù)據(jù)代表實際溫度。該方法工作系統(tǒng)主要由溫度采集、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示等電路組成。
2.3硬件組成的基本原理。該系統(tǒng)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(shù)據(jù)的數(shù)碼管電路等組成。系統(tǒng)所采用的熱電偶類型分度號K型，為了使得受外界干擾信號減少，直接將MAX675與雙絞線連接，利用SPI接口實現(xiàn)MAX6675數(shù)據(jù)傳輸功能，利用單片轉(zhuǎn)換設備控制溫度轉(zhuǎn)換芯片。該系統(tǒng)具有超量程自動報警性能，當所測溫度超過400℃或者低于0℃時，系統(tǒng)的報警電路能夠自動報警。數(shù)據(jù)顯示電路在89C51型單片機鎖存器作用下實現(xiàn)對數(shù)碼管的控制，在數(shù)碼管進行工作時，具有較大電流的PNP8850型三極管實施控制，數(shù)碼管可將達到規(guī)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(shù)據(jù)進行采集，通過MAX6675轉(zhuǎn)換電路將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、實施冷端補償，以及校正，溫度數(shù)字量經(jīng)轉(zhuǎn)換電路處理后以串行的方式傳輸?shù)絾纹瑱C，通過單片機軟件算法對數(shù)字量進行處理。測量溫度如果達到規(guī)定標準，數(shù)碼管可將溫度值直接顯示出來。如果不在規(guī)定范圍內(nèi)，單片機所控制的報警系統(tǒng)則會發(fā)出警報。
三、系統(tǒng)主要構(gòu)成
3.1硬件部分
3.1.1K熱電偶。在工程建設領域所用的溫度傳感器中,熱電偶的應用最為廣泛。熱電偶可實現(xiàn)溫度向電量變化的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用K型熱電偶測溫元件，該類型熱電偶與被測目標直接接觸，沒有中介影響，因此測量精度比較高，常用熱電偶可連續(xù)進行-50-+1600℃范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)比較簡單，并且沒有開頭、大小限制，外部設有保護作用的套管，使用起來很方便。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(zhuǎn)換芯片。由Maxin公司生產(chǎn)的SPI總線MAX6675專用芯片，可實現(xiàn)K熱電偶冷端補償及數(shù)字化處理熱勢信號，穩(wěn)定性及可靠性較高，可在自動化、儀器儀表、工業(yè)等生產(chǎn)領域。MAX6675溫度轉(zhuǎn)換芯片利用SPI簡單串行出口輸出溫度數(shù)值，測溫范圍在0℃-1024℃之間，具有0.25℃12位分辨率，在片內(nèi)進行冷端補償，利用高阻抗差動形式進行輸人，可進行斷線熱電偶檢測，電源電壓為單一+5V,功耗較低，工作溫度在-20C-+85C的范圍內(nèi)，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(tǒng)控制的核心，溫度測量具有方便的接口部位，對整個系統(tǒng)進行綜合考慮，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(jié)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。可進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在單個芯片中組合。
3.2軟件程序設計。該系統(tǒng)的軟件程序設計包括主系統(tǒng)程序以及溫度采集及轉(zhuǎn)換、報警、延時、顯示等子程序功能模塊。其中主程序具有調(diào)用子程序的功能，并通過快速算法對溫度數(shù)據(jù)實施處理，由溫度的采集與轉(zhuǎn)換程序把MAX6675設備轉(zhuǎn)換而來的數(shù)字量輸入單片機后，對溫度值進行正確處理后可生成12數(shù)位的溫度值。報警程序通過對溫度值超值狀況進行判斷，顯示系統(tǒng)可將計算所得的溫度顯示出來。
四、系統(tǒng)的仿真實驗
　　該系統(tǒng)設計完成后，利用由英國Labcenter公司研制的ProteusISIS實物仿真機電路分析軟件，在Windows基礎上進行系統(tǒng)仿真分析。該軟件實現(xiàn)了SPICE電路與單片機仿真結(jié)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(tǒng)仿真比較支持，可對軟件進行調(diào)試。在硬件系統(tǒng)仿真過程中，可實現(xiàn)單步、全速、斷點設置等調(diào)試，同時還可對寄存器、各種變量當前形態(tài)進行觀察，對第三方軟件環(huán)境調(diào)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(tǒng)硬件電路及軟件設計為依據(jù)，對系統(tǒng)進行了仿真測試，在基本原理圖簡化的情況下實現(xiàn)了預期設計目的。
結(jié)束語
　　本文就熱電偶傳感器應用下的高速測溫系統(tǒng)設計進行了簡單分析，對熱電偶熱惰性的時間參數(shù)綜合考慮，通過溫度的快速算法達到了高速測量溫度的目的。本文重點分析了系統(tǒng)的工作原理以及硬件組成及軟件設計。通過仿真實驗對系統(tǒng)的性能進行驗證，其實驗結(jié)果表明，設計完全達到了預期要求。