姓 名 专业、班级
XXX
性别 X
XXXXX
学号 XXXXXXXX
XXXXXXXXXXXXXX
课程设计题目：热电偶测温系统的设计
课程设计内容提要 单立加测屯测特抵偶字工且大来、机验器造保「匿肿淙灿业线功一化本境、知以种一，亦冷与质热稳温产功环信文述涉域中测单端等的。基泛用的的系本是码偎重化制在。号大热木其丁的础电，统计出方数温过其过独显、片成孔片关偶度妁聽统之程气简该頸药以感各匸是宀点通宀、量、量于用出心、品九它室炖：下此温数为业摘恢要持化础紳及描量领性关偿及。经热从实识为松基计量电昨能「能芯放工端及氏过的设相输定要肢量系位管温他』使输于产，因面测电— 2 M W O awM H W ZB 3U ku 2 0- :a<0K6 5 0 #, 1 W mC, O +z*c #37 *(ffi iW ot, 4 分值 22 22 22 22 22 成绩评定依据 s> 合理二性 成绩评定 7 5 22 设计报告总分 年月 日 1 课程设计任务书 ................................................................. 1 2概述 ......................................................................... 2
2.1系统组成框图 .............................................................. 2 2.2 MQ-2气体传感器原理及特性 ................................................. 2 3热电偶传感器测温系统的单元电路介绍 .................................................. 4
3.1 单片机的介绍 ............................................................ 4 3.2热电偶传感器选型及介绍 ...................................................... 5 3.3 信号处理模块分析 ....................................................... 6
3.3.1 Max6675 332
工作原理 ................................................ 6
热电偶传感器的性能分析 .............................................. 8
3.4 系统显示电路介绍 ........................................................ 9
3.4.1 74HC595 3.4.2
的介绍 .................................................... 9
数码管介绍 ..................................................... 10
4基于热电偶传感器的硬件电路设计 .................................................... 11
4.1 测温电路的设计 ......................................................... 11 4.2 显示电路的设计 ......................................................... 11 5基于热电偶传感器测温系统的软件设计 ................................................. 13
5.1 软件流程图 ............................................................. 13 5.2 C 语言程序 .............................................................. 13 5.3 软件仿真 ............................................................... 16 总结与展望 .................................................................... 17 参考文献 ...................................................................... 18
1 课程设计任务书 作为工业测温中最广泛使用的温度传感
器之一 —— 热电偶，与铂热电阻一 起，约占整个温度传感器总量的 60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接
测量各种生产过程中 -40〜1800匚范围内的液体、 蒸气和气体介质以及固体的表面 温度。
本课题采用的是系统硬件原理框图如图 一、 主要内容
利用热电偶传感器设计以 8051 系列的 AT89C2051 单片机为核心开发热电偶 测温的系统。
二、 基本要求
1 ．实现基本功能：测量、显示、存储、报警、通讯。
2．画出相应的测量电路及推导计算温度的公式。 3．选定所需元器件，写出型号规格。 4．完成 3000 字设计报告。 三、主要技术指标（或研究方 法）
1 ．装置供电电压 220V
2 •测量温度范围： -20〜800 C匚 3．性能可靠，操作简便。
4．明确提高精度和抗干扰能力的措施。
1-1：
2概述
2.1系统组成框图
作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一 起，约占整个温度传感器总量的
一一 热电偶，与铂热电阻一
60%,热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接
测量各种生产过程中 -40〜1800C范围内的液体、 蒸气和气体介质以及固体的表面 温度。
本课题采用的是以
8051系列的AT89C2051单片机为核心开发热电偶测温的
1-1 :
系统。系统硬件原理框图如图
图2-1系统框图
系统框图如图1-1所示，热电偶传感器采集到温度信号传送给信号处理模块， 信号处理由 Max6675单芯片构成，它是Maxim公司新近推出的一个集成了热电偶 放大器、冷端补偿、 A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。
它与
单片机通信读出温度值，经过线性化处理后发给显示电路显示，显示电路是由四 位独立数码管组成。
2.2热电偶测温原理及特性
热电偶简介： 热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度， 并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。
热电偶测温的基本原理：将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电动势 热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect) 。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0C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，热电偶所产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。
热电偶的特性：
1. 组成热电偶回路的两种导体材料相同时，无论两接点温度如 电势等于零。
2. 如果热电偶两接点的温度相同，
T=To，则尽管导体 A，B材料 不同，热电偶
何，回路总热
回路的总电势亦为零。热电偶回路的总电势仅 与两接点温度有关，与的中间温度无关。
3. 在热电偶回路中接入第三种材料的导体时，只要这根导体的两 同，则不会影响原来回路的总热电势。这一性质称
为中间导体定律。
A、B材料 端温度相
3热电偶传感器测温系统的单元电路介绍
3.1单片机的介绍
AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能
CMOS8位单片机，片内
含2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM和128bytes的随机数据 存储器（RAM，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容 标准MCS-51指令系统，片内置通用 8位中央处理器和 Flash存储单元，AT89C2051 单片机在电子类产品中有广泛的应用。
AT89C2051提供以下标准功能：2K字节闪速存储器，128字节RAM, 15 根I/O 口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行 口，一个精密模拟比较器以及两种可选 的软件节电工作方式。空闲方停止 CPU工作但允许RAM定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉 电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个 硬件复位。它的管脚分布如图2-1 0实物图如图2-2。
Pin Configuration
PDIPSOIC
RST匚 fRXD^ 1 P3 0 匚 (TXD) 2 P3 1 r XTAL2 匚 3 XTAL1 匚 4 (THTO) P3 2 匚 5 (TTJT1) P3.3 匚 e (TO) P3.4 匚 7 (T1) P3 5 C a GND匚 9 10 20 □ VCC
19 □ P1 7 18 n PI 6 17 12 516 1 3 15 -1 44斗 13 □ P1.1 (AIN1} 12 □ P1.0 (AINO) 11 □ P3 7
图3-1管脚分布
图3-2实物图
单片机引脚功能说明： VCC:电源电压 GND地
P1 口： P1 口是一组八位双向I/O 口，P1.2 — P1.7内部提供上拉电阻，P1.0 和P1.1内部无上拉电阻，主要是考虑他们分别是内部精密比较器的同相输 入端（AIN0）和反向输入端（AIN1），如果需要应在外部接上拉电阻，P1 口输出缓冲器可吸收2mA的电流并可直接驱动LED。当P1 口引脚写入1时 可作输入端，当引脚P1.2 — P1.7作输入被外部拉低时，它们会因外部的上 拉电组而输出电流。
P3 口： P3 口的P3.0 — P3.5、P3.7 是 内部带有上拉电阻的7个双向I/O 口， P3.6 口没有引出，它作为一个通用的I/O 口但不可访问，但可作为固定输 入片内比较器的输出信号，P3 口缓冲器可以吸收20mA的电流，当P3 口写 入1时，它被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口， 作输入端时，被外部 拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流，它还可以实现AT89C2051的特殊功能， 如图表2-1所示。
口引脚 P3.0 P3」 P32 P3.3 P3.4 P35
功能特性 RXD （串行输入口） TXD （串行输出口） INTO （外中断0） INTT （外中断1） T0 （定时/计数器0外部输入） T1 （定时/计數器1外部输入） 表3-1 P3 口特殊功能 3.2热电偶传感器选型及介绍
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电 偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准 分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使 用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用 于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶 和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准 化热电偶为我国统一设计型热电偶。
热电偶的种类有很多，在这选用的是
K型热电偶， K型热电偶（镍铬-镍
硅热电偶）是目前用量最大的廉金属热电偶，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 : 10，负极（KN）的名义化
学成分为：Ni : Si=97 : 3，其使用温度为-200~1300 C。 K型热电偶具有线 性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强， 价格便宜等优点，能用于氧化性
惰性气氛中。广泛为用户所采用。K型热 电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中， 也不推荐用于弱氧化气氛中。
如图2-3所示，他有两个端
T+和T-，也是热电偶的测量端
图3-3热电偶实物
3.3信号处理模块分析
3.3.1 Max6675 工作原理
信号处理模块主要由单芯片
Max6675完成，它内部集成了调节信号放大、
12
位A/D转化器、非线性补偿和数字控制电路。通过个芯片可以直接测量出温度 的原始数据，经单片机解算得到温度值。主要功能：
①简单的SPI串行口数据
输出；②0C〜+1024 C的测温范围，5V供电；③12位0.25 C的分辨率，④ 片内冷 端补偿、⑤高阻抗差动输入、⑥热电偶断线检测、⑦单一 功耗特性、⑨ 工作温度范围-20C〜+85C。它的管脚分布图
+5V的电源电压、⑧低 2-4所示。
GND 1 8 NC.T* 2
MAX6675
2J SO
T\\ OS
Yl SCK
VQC 4
图3-4管脚分布图
Max6675内部具有将热电偶信号转换为与 放大器，T+和T-输入端连接到低噪声放大器
ADC输入通道兼容电压的信号调节 A1,以保证检测输入的高精度，同
A1放
时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器 大，再经过 A2电压跟随器缓冲后，被送至
ADC的输入端。在将温度电压值转换
为相等价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是 Max6675周围温度与 0C实际参考值之间的差值。对于 为41卩V/C,电压可由线性公式
K型热电偶，电压变化率
Vout=（41卩V/C） X （tR -tAMB）来近似热电偶的特
性。上式中， Vout为热电偶输出电压（ mV, tR是测量点温度；tAMB是周围温 度。它的内部框图如图
2-5所示。
MAX6675采用标准的 SPI串行外设总线与 MCU接口，且MAX6675只能作为从
设备。MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图 2-6所示，MAX6675 SPI接口时序
如图2-7所示。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下： 提供时钟信号给 SCK由SO读取测量结果。
MCU使CS变低并
CS变
CS变低将停止任何转换过程；
高将启动一个新的转换过程。一个完整串行接口读操作需 16个时钟周期，在时
钟的下降沿读 16个输出位，第 1位和第15位是一伪标志位，并总为 0;第14 位到第3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；第 输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由 器操作，T-必须接地，并使能地点尽可能接近 器件身份码，第 0位为三态。
2位平时为低，当热电偶
MAX6675实现，为开放热电偶检测 GND脚，第1位为低以提供 MAX6675
图3-7 Max6675 与MCU接口 时序
3.3.2 热电偶传感器的性能分析
在测温应用中，芯片自热将降低 MAX6675温度测量精度， 误大小依赖 MAX6675 封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在 布线时使用大面积接地技术提高
MAX6675温度测量精度。
MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声影响，可在 MAX6675的电源引脚附近接入
1只0.1卩F陶瓷旁路电容。
MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。该器件可将周围温度 通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，
为了产生实际热电偶温度测量
值，MAX6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。该器件内部电路将
二极管电压和热电偶电压送到 的冷端与芯片温度相等时，
ADC中转换，以计算热电偶的热端温度。当热电偶 MAX6675可获得最佳的测量精度。因此在实际测温应
用时，应尽量避免在 MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误 差。
提高的测量精度措施：热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高：
①尽量采用不能从测量区域散热的大截面导线；②如必须用小截面导线，则只能 应用在测量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线；③避免受能拉紧导线的 机械挤压和振动；④ 当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；⑤在
度额定值范围内使用热电偶导线；⑥避免急剧温度变化；⑦在严劣环境中，使用
合适的保护套以保证热电偶导线；⑧仅在低温和小变化率区域使用扩展导线；⑨ 保持热电偶电阻的事件记录和连续记录。
温
3.4系统显示电路介绍
341 74HC595 的介绍
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595是具有8位移位寄存器（如图2-8工作时序）和一个存储器，三态 输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在SCHcp的上升沿输 入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移 位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入
（Ds）,和一个串行输出（Q7 ）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有 一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能0E时（为低电平），存储寄 存器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有 高阻关断状态。它的管脚分布和各管脚功能如图2-9所示。
P1NMNG SYUBOL PIN e DESCRIFHON gnxind(0V) senal dateoiflput master reset (ac伽日 LOW) shift (eglster dock Input sbrage 旳础 InpiM output enable (actwLOW} serial data Input 15,1-7 parallel data output & MR SKgi STCP OE o5 吨叵
9 to 11 12 13 14 5叵 珂三
Rgd Pin oanjiguration.
16 | posifivB 弭叩 ly voltage 图3-9 管脚分布和管脚功能
_FTjn_jn_jn_j^Tjn_J7Tjn_jn_j_LJrTjn_J7Tjn_jn-jnj^
342 数码管介绍
数码管按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数 码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接至U +5V，当某一字段发光二极 管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相 应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公 共阴极（COM）的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字 段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。原理如图2-10所示。
+5V
a b c d e g dp
CD
CD
共阳极 数码管
4基于热电偶传感器的硬件电路设计
4.1测温电路的设计
本此设计系统的原理图如图
2-11所示，通过 Max6675与单片机的通信即可
从Max6675读出要检测的温度，电路简单，精度高，容易实现，大大简化了硬件 的设计。
热电偶采集到温度信息，经过 Max6675处理后送给单片机，这样单片机就活
动了要测量的温度信息。
图4-1单片机测温电路
4.2显示电路的设计
如图2-12所示，单片机通过串口把要显示的温度发送给 74595,在数码管上
显示，12脚是数据控制端接单片机的 P1.4 ,11脚是时钟输入端接单片机的 P3.114脚是串行数据输入端接单片机的
P3.0。
，
5基于热电偶传感器测温系统的软件设计
5.1软件流程图
热电偶测温流程图
2011 年 6 月 21 日 Tuesday
开始
图5-1软件流程图
5.2 C语言程序
#in elude #defi ne uchar un sig ned char sbit step = P1A4; sbit cs = P1A5; sbit sck = P1A6; sbit so = P1A7; uchar code tab[] = {0xA0,0xFC,0x89,0xC8, 0xD4,0xC2,0x82,0xF8, 0x80,0xC0,0x90,0x86, 0xA3,0x8C,0x83,0x93}; /* 延时子程序 */ void delay(uint z) { uint x,y; for(x = z; x>0;x--) for(y =110;y>0;y--); } /* 读取温度子程序 */ uint readtemper(void) { uchar i; uint value; sck = 0; cs = 0; // 停止转化，开始读取温度 for(i = 0;i < 16;i ++) { value <<=1; sck = 0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); if(so) value |=0x0001; sck = 1; sck = 0; } cs = 1; delay(10); return value; void main() { cs = 1; sck = 1; while(1) { uchar wend1,wend2,wend3,wend4; uint temp; float temperature; uchar tempg,templ; temp = readtemper(); // temp = 0x7f00; temp = temp&0x7ff8; temp >>= 3; templ = temp&0x0ff; tempg = (temp>>8)&0x0f; temperature = (1023.75*(tempg*256+templ))/4095; temp = temperature; wend1 = temp/1000; wend2 = temp%1000/100; wend3 = temp%100/10; wend4 = temp%10; SBUF = tab[wend4]; while(!TI); TI = 0; SBUF = tab[wend3]; while(!TI); TI = 0; SBUF = tab[wend2]; while(!TI); TI = 0; SBUF = tab[wend1]; while(!TI); // 强制转化类型 TI = 0; step = 1; _nop_(); _nop_(); step = 0; delay(IOO); } 5.3软件仿真 1234567s q2 1234567s q电电电 .-_ 1 2 3 4 5 6 . _ _ 7 qfi«««« 1 2 3 4 5 6 7 q处畀5电 Q Q Q Q Q Q O 2 3 4 5 6 / 7 QQ Q Q Q Q Q Q Q 74HC595 Q Q Q Q Q Q Q U4) 74HC595 U5 74HC595 U6 74HC595 C MO 1 1 D DX D X T SS O P S S -4 C MO C S S C R M g T 4 D X T 图5-2软件仿真图 总结与展望 本文设计应用中，主要进行了以下几方面 的工作 : (1) 本文在前半部分详细系统比较了测温方法的优缺点及为何 K 型热电偶 测温，这使我们更加了解本设计的设计目的及要求。 (2) 在 了解测温 技术实 现原 理和热电偶传感器工作原理 的基 础上研究和分 析了 系统设计方案，并对测温系统中遇到的不同的场景进行了分析； (3) 完成测温系统的硬件选型和电路设计； (4) 完成测温系统的软件流程图设计； 本文通过对热电偶测温系统的设计过程及分析得出如下结 论 : 热电偶测温系统对有限一定范围温度的测量具有较高的精度， 最小分辨率为 0.25 摄氏度，其主要技术指标达到了系统设计的要求； 本文关于热电偶测温系统的设计，虽然可以满足一般工业的需求，也做了一 些尝试性的探索工作，但是还存在很多不完善的地方，仍有许多方面有待进一步 深入研究 : (1) 需对热电偶传感器和系统电路设计可靠性进行进一步的研究； (2) 本文在系统的精度方面研究非常局限，并没有做到非常精确，这就要求 以后在这方面还有更近一步研究。 (3) 就本课题而言，本文只测温进行了辅助决策，并末实现真正工业意义上 的测温控制，今后还应在控制的实现上进一步深入的探讨，这类研究将对工业测 温及家庭测温等测温场合有着深远的影响，是一个值得深入的方向。 参考文献 [1] 河道清，张禾，谌海云，传感器与传感器技术 •科学出版社.2008年6月 工 [2] 张毅刚，彭喜元.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨 业大学出版社 ，2003, 10-21. [3] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术 [M].北京：北京航空航天大 学 出版社，1993,29-33. [4] 康华光，电子技术基 础（模拟部分），高教出版社，2003 ⑸ 李建忠，单片机原理及应用，西安电子科技大学出版社， [6]何希才，传感器及其应用实例，机械工业出版社， 2003.82007.11 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容