西安交通大学城市学院
本科毕业设计（论文）开题报告
学生姓名 李佳梦 班 级 测控601 学号 06010280 题 目 基于热电偶的单片机测温系统的设计 指导教师 谢 檬 所在系 电气与信息工程 专 业 测控技术与仪器
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2010 年 3 月
本科毕业设计（论文）开题报告
对 题 目 的 陈 述 1.结合毕业设计（论文）课题的情况，根据查阅的文献资料，撰写1000字左右的文献综述：（说明选题意义、国内外研究现状、主要研究内容及技术方法） 1）课题背景： 热电偶温度传感器利用热电效应将被测物理量（温度）直接转换为电势，其热电势率一般为几十到几?V/ ℃属于一种能量转换型传感器，在大量的热工仪器中，热电偶作为温度传感器得到了广泛使用，成为工程上应用最广泛的温度传感器之一，它具有构造简单、使用方便、准确度高、热惯性小、稳定性及复现性好、温度测量范围宽，并且能够远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制等优点。热电偶测温时，它直接和被测对象接触，不受中间介质的影响，因而测量精度相对较高，并且可以在-200~1600℃范围内进行连续测量，甚至有些特殊热电偶，如钨-铼，可测量高达+2800℃的高温。但是热电偶的热电势与温度呈非线性关系这一缺点增加了显示与处理的复杂性。随着微电子技术的进步和工业实际应用的需要，单片微型计算机（简称为单片机）应运而生。从上世纪MCS-51系列到今天广泛使用的32位嵌入式系统，其应用已经渗透到我们生活的各个方面。MCS-51系列单片机是较早投入嵌入式应用的8位机，其功能齐全，物美价廉，在智能化仪器中应用非常广泛。单片机丰富的接口，应用程序实现硬件功能的特性弥补了热电偶单独测温时不能满足工业要求精度的劣势。 2）选题的意义： 在当前工业技术迅猛发展的时代，现代化的工业现场对温度测量的精度要求越来越高，随着人们对测温系统逐步深入的研究各种各样的温度传感器出现在人们的视野，热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器之一，但由于热电偶的热电势与温度呈非线性关系增加了处理和显示的复杂性。为了满足测温精度的要求单片机和热电偶结合，即基于热电偶的单片机测温系统越来越来重要。因此，基于热电偶的单片机的测温系统的设计这一问题的探索和研究有着很重要的意义。 3）国内外研究现状： 在当前国际形势下，温度测量在工业生产中是非常重要的环节，我国正在研
究体积小，工艺简单，线性度好的，成本低的测温系统，为了达到这个目标，国家科学院邀请了许多国内外著名的专家来我国进行研究试验，在测温这方面我国和世界发达国家还是有一定差距的，比如美国，德国，日本等国家在这方面的技术史比较先进的。 热电偶型温度传感器，是一种应用非常广泛的测温传感器。从理论上讲，任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶，但是为了准确可靠地测量温度，对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。在我国，工程上用于热电偶的材料应满足以下条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。目前在国际上被公认为比较好的热电偶材料只有几种。国际电工委员会（ICE）向全世界推荐8种标准化热电偶。所谓标准化热电偶，就是它以列入标准化文件中，具有统一的分度表。我国已采用ICE标准化生产的热电偶，我国采用的几种标准化热电偶有以下几种：铜-铜镍、镍铬-铜镍、铁-铜镍，镍铬-镍硅等。 一个测温系统与单片机接轨那是科学的一大进步，单片机应用系统从提出任务到投入运行的整个过程为单片机的开发，基于热电偶的单片机测温系统的设计有硬件和软件的开发，在整个过程中必须具有单片机开发软件，完成单片机程序的设计，编译，模拟调试等功能，同时还必须有下载工具，在现场调试需要单片机来仿真，目前国内外用的是WAVE仿真器。单片机测温系统在国内外的应用较为普遍，因为它操作简单。国际性的问题是如何在测温过程中减少误差，是温度更能精确的测量出来，避免在工业生产过程中出现不必要的危险。 4）主要研究内容： （1）热电偶的温度测量系统的应用场合； （2）单片机的接口扩展（重点是显示模块、键盘控制模块等） （3）热电偶测温的基本原理、热电偶输出调理电路和热电偶的冷端温度补偿； （4）根据设计测量范围和准确度要求选择合适的ADC ；ADC和单片机的硬件连接电路以及软件控制ADC的应用程序设计。 （5）整体硬件实验平台的搭建和C语言编写应用程序（如单片机主程序、显示子程序、键盘扫描子程序等）及程序的调试。 （6） 对系统测试结果的统计和分析。
5）技术方法： 采用MCS-51系列单片机为核心组建硬件系统；选择铜-康铜热电偶作为传感器；选用AD590作为温度传感器，实时测量热电偶冷端温度，实现冷端温度补偿。由测温分辨力和测温范围选择A/D按位数设计显示接口电路。C语言编写符合设计要求的应用程序。 2.课题研究的方案设计（方法、手段、技术路线、可行性论证） 1）方法、手段： 通过复习相关课程和在网络上收集到的相关资料和文献， 深刻理解热电偶的特性、热电偶测温的基本原理及热电偶测温冷端的处理与测温的实现方式，单片机接口电路的扩展和应用程序实现硬件功能的虚拟仪器。按照技术指标的要求设计恰当的测量电路，并设计以MCS-51系列单片机为核心组建硬件系统。 2）技术路线及可行性论证： （1）技术路线： ①理论分析热电偶测温的基本原理及热电偶冷端温度的控制方法，组建测量电路。在分析过程中要考虑误差的来源，如何消除误差等问题，而且设计要满足题目要求的误差范围。 ②根据测量电路图，电路参数指标搭建满足系统要求的硬件电路。在搭建过程中要选择合理的外围电路。 ③选择满足设计要求的电子元器件并画出电路PCB图，焊接电路板。在画制电路板时要考虑数字信号与模拟信号干扰、布线的合理性等。 ④运用C语言编写满足技术要求的程序（单片机主程序、显示子程序、键盘扫描子程序等）对系统进行分析调试使系统尽可能满足设计要求。在调试过程中尽可能的消除系统误差，保证测量结果的准确性。 ⑤对系统进行测试和结果分析，编写测试报告，得出基于热电偶的单片机测温系统的性能。最后写出设计论文报告。 （2）理论分析热电偶测温的基本原理： ①热电偶测温的基本原理如下： 热电偶属于热电式传感器。它利用热电效应将被测物理量（温度）转换为 热电势。两种不同的金属导体A、B串接成一个闭合回路，如图1所示。
当两个结点处于不同温度T≠T0时，导体在回路中产生热电势和相应的热电流，这一现象称为热电效应或称温差电效应。当回路断开，在断开处的电压差就等于热电势，如图2所示，热电势大小与构成热电偶的材料以及两结点的温度有关。 EAB(T,T0)??(T-T0)??(T-T0)2?? 式中EAB(T,T0)——由A,B两种材料组成的热电偶，结点温度为T, T0时的热电势。 α，β?——多项式系数，对于A,B材料一定时为一常量。 T0 热电动势=EAB(T,T0) T0 ΔV=EAB(T,T0) －) B( 图1 热电效应示意图 参比端t0A补偿导线测量端t显示仪表热电势EAB(t,t0)B参比端t0补偿导线 图2 热电偶温度计系统原理图 ②热电偶的冷端补偿方式： 热电偶的热电势大小与热电极材料及两个结点的温度有关。为了实现热电偶测温，测量传感器需保证输出的热电势是被测温度的单调函数，为此必须保持冷端（参考端）温度恒定，或者对冷端温度实时测量。常用冷端补偿方法有三种：0℃恒温法、冷端温度实时测量计算修正法、补偿导线法。本实验采用冷端温度