内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
第三章 电加热炉智能温度控制系统的硬件设计
3.1检测变换部分
热电偶测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制；需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：
测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可持续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。[14] 3.1.1热电偶测温基本原理
图3.1 热电偶原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图 3.1所示。当导体 A 和 B 的两个执着点 1 和 2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。 3.1.2热电偶的种类及结构
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
7
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
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。
为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
3.1.3热电偶冷端温度补偿
由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过 100℃。
3.1.4温度测量仪表的分类
温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。
3.2输入信号转换部分
从上面的介绍我们知道，本设计使用的是计算机控制，计算机只能接受数字信号，而热电偶输出的是模拟信号，所以必须把模拟信号转换成数字信号，这就需要 A/D 转换。 3.2.1A/D转换类型
模数转换技术是现实各种模拟信号通向数字世界的桥梁，作为将模拟信号转
8
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
换成数字信号的模数转换技术主要有以下几种。
（1）积分型转换 积分型模数转换技术在低速、高精度测量领域有着广泛的应用，特别是在数字仪表领域。积分型模数转换技术有单积分和双积分两种转换方式，单积分模数转换的工作原理是将被转换的电信号先变成一段时间间隔，然后再对时间间隔记数，从而间接把模拟量转换成数字量的一种模数转换方法，它的主要缺陷是转换精度不高，主要受到斜坡电压发生器、比较器精度以及时钟脉冲稳定性的影响。为了提高积分型转换器在同样条件下的转换精度，可采用双积分型转换方式，双积分型转换器通过对模拟输入信号的两次积分，部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差，提高了转换精度。双积分型转换方式的特点表现在：精度较高，可以达到 22 位；抗干扰能力强，由于积分电容的作用，能够大幅抑止高频噪声。但是，它的转换速度太慢，转换精度随转换速率的增加而降低，每秒 100～300 次（SPS）对应的转换精度为 12 位。所以这种转换方式主要应用在低速高精度的转换领域。
（2）逐次逼近型转换 逐次逼近型转换方式在当今的模数转换领域有着广泛的应用，它是按照二分搜索法的原理，类似于天平称物的一种模数转换过程。也就是将需要进行转换的模拟信号与已知的不同的参考电压进行多次比较，使转换后的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。逐次逼近型转换方式的特点是：转换速度较高，可以达到 100 万次/秒（MPSP）；在低于 12 位分辨率的情况下，电路实现上较其他转换方式成本低；转换时间确定。但这种转换方式需要数模转换电路，由于高精度的数模转换电路需要较高的电阻或电容匹配网络，故精度不会很高。
（3）并行转换 并行转换方式在所有的模数转换中，转换速度最快，并行转换是一种直接的模数转换方式。它大大减少了转换过程的中间步骤，每一位数字代码几乎在同一时刻得到，因此，并行转换又称为闪烁型转换方式。并行转换的主要特点是它的转换速度特别快，可达 50MPSP，特别适合高速转换领域。缺点是分辨率不高，一般都在 10 位以下；精度较高时，功耗较大。这主要是受到了电路实现的影响，因为一个 N 位的并行转换器，需要 2N－1 个比较器和分压电阻，当 N＝10 时，比较器的数目就会超过 1000 个，精度越高，比较器的数目越多，制造越困难。[12]
本设计采用逐次逼进式A/D转换器ADC0832。
9
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
3.2.2 ADC0832芯片介绍
ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。ADC0832 具有以下特点：
8位分辨率； 双通道A/D转换；
输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在0~5V之间； 工作频率为250KHZ，转换时间为32μS； 一般功耗仅为15mW；
8P、14P—DIP（双列直插）、PICC 多种封装；
商用级芯片温宽为0°C to~+70°C，工业级芯片温宽为。40°C ~85°C； 芯片顶视图：（图3.2）
图3.2ADC0832芯片顶视图
芯片接口说明：
CS_ 片选使能，低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND 芯片参考0 电位（地）。 DI 数据信号输入，选择通道控制。
10
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
DO 数据信号输出，转换数据输出。 CLK 芯片时钟输入。
Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。 ADC0832 与单片机的接口电路如图3.3所示。
图3.3ADC0832与单片机接口电路
ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
3.3单片机微处理部分
单片机要完成的任务是：接收ADC0832发出的数字量，进行标度变换，线性化，进行PID运算，输出数字量一路给DAC0832控制调功器，一路给74LS164驱动显示。市场上流行的单片机有很多种，基于各种因素，本次设计选用STC89C51单片机。
STC89C51系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗、的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟机器周期可任意选择，最新的D版内部集成MAX810专业复位电路。 3.3.1 STC89C51特点 ? ? ?
增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU 共组电压：5.5V~3.4V(5V单片机)
工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0-80 MHz,实际工作频率可
11