热电偶温度传感器应用下的高速测温系统

摘要:本文着重对使用热电偶温度传感器进行快速测温系统设计进行研究，对其热惰性的时间常数给予综合考虑，借助快速算法达到快速测温的目的。本系统采用具有冷端补偿功能的MAX6675温度转换器、AT89C51型单片机、K型热电偶以及数码管等多种构件组成温度采集、转换、控制、报警、显示等相应电路及软件，可达到0.25℃温度测量精度。该系统先利用热电偶进行温度采集，所得数据经MAX675设备处理后传送到单片做算法处理，然后将所测温度值由数码管显示出来。
　　物体的冷热状况需通过温度来体现出来，温度测量在工农业生产、国防建设、科技研究等多种领域得到应用。--些特殊场合对测温速度提出较高要求，比如汽车运转中吸人发动机的空气温度测量需要小于1s的热相应;测量航天飞行主发动机的温度完成时间应在0.4s内等等，所以设计相关系统实现高速测温目的具有极高的实用价值。
一、相关定义解析
1.1热电偶。焊接两种不同金属导体,设置为闭合回路"。当焊接端受热时有温差产生，此时回路中会有热电动势产生,这种现象被称作赛贝客效应。将参考端的温度控制在0℃时，回路所产生的热电动势演变为焊接端的温度单值函数。利用热电动势测量的方式实施温度测量的成对金属导体即为热电偶。热电偶所生成热电动势的大小，只和热电极两端温度以及材料有关，而与电极的直径和长度没有关系。
1.2高速算法。高速算法是指间隔相等的时间内，对三个温度的数据进行快速采集，再根据这些数据与初始阶段的温度、稳定阶段的温度以及热时间的常数相互关系，最終得出温度稳定以后计算温度的数学公式，得出所测温度值。
二、系统原理分析
2.1热电偶应用下高速测温的基本原理。在热电偶测温系统进行温度测量时，温度呈缓慢上升状态，并且随着时间的变化，温度并不是线性变化的过程，所以结合科学软件算法，对热电偶时间常数给予考虑是高速测温实现的关键。算法依据对等间隔内t1-t3三个等间隔时间点进行连续温度值的采集，然后结合采集温度值的初始温度、稳定以后的温度以及热时间的温度常数关系，推算出温度值的推算公式。温度测量时随着时间变化而变化。
　　通过计算发现，稳定阶段的温度与三个采集的温度值有关，与其他未知量无关。因此该计算方法需要快速对间隔相等的时间内三个温度值采集，然后运用软件算法进行计算，最终达到高速测量温度的目的。
2.2冷端补偿的有效措施。热电偶高速温度测量中，用于温度测量的一端为热端，测量电路与引线相连接的一端为冷端。在进行热电偶温度测量时，冷端温度值不变，测量温度与热电势值之间具有一定比例关系。温度测量时，当冷端温度发生变化时，会对测量正确性造成严重影响。因此需要采取有效措施进行补偿，降低因冷端温度变化而产生的影响。常用的补偿方法有分立元气件补偿法、集成电路补偿法。由于分立元气件补偿方法的电路比较复杂，并且测量的精度不高，造成的误差大，集成电路补偿法通过温度集成转换芯片进行温度测量，不仅使温度数值化、补偿冷端温度得到解决，并且可将因热电偶的非线性测量误差消除，而且还具有较高的精度，可使电路设计得到优化。因此本系统设计时采用集成电路补充法。
　　集成电路温度补偿方法，利用具有测量温度数值化及补充冷端温度功能的专用芯片。一方面环境温度通过敏感度较高的内置二极管转换为补偿电压，同时又将补偿电压和热电势利用模数转换设备转换成数字量表示温度。二者进行相加后，测量结果由串行接口传输出来，该数据代表实际温度。该方法工作系统主要由温度采集、转换、数据显示等电路组成。
2.3硬件组成的基本原理。该系统所用硬件包括采集温度的热电偶电路，温度处理的MAX6675电路、单片机89C51控制电路、报警电路以及显示数据的数码管电路等组成。系统所采用的热电偶类型分度号K型，为了使得受外界干扰信号减少，直接将MAX675与双绞线连接，利用SPI接口实现MAX6675数据传输功能，利用单片转换设备控制温度转换芯片。该系统具有超量程自动报警性能，当所测温度超过400℃或者低于0℃时，系统的报警电路能够自动报警。数据显示电路在89C51型单片机锁存器作用下实现对数码管的控制，在数码管进行工作时，具有较大电流的PNP8850型三极管实施控制，数码管可将达到规定范围的测量温度快速显示。
2.4基本工作程序。首先利用热电偶对温度数据进行采集，通过MAX6675转换电路将数据进行转换、实施冷端补偿，以及校正，温度数字量经转换电路处理后以串行的方式传输到单片机，通过单片机软件算法对数字量进行处理。测量温度如果达到规定标准，数码管可将温度值直接显示出来。如果不在规定范围内，单片机所控制的报警系统则会发出警报。
三、系统主要构成
3.1硬件部分
3.1.1K热电偶。在工程建设领域所用的温度传感器中,热电偶的应用最为广泛。热电偶可实现温度向电量变化的转换。本系统采用K型热电偶测温元件，该类型热电偶与被测目标直接接触，没有中介影响，因此测量精度比较高，常用热电偶可连续进行-50-+1600℃范围内的温度测量，其中具有特殊热电偶最高可测+2800的温度，最低可测-269℃的温度，测量范围非常广泛;通常情况下，热电偶的组成是两根不同材料的金属丝，结构比较简单，并且没有开头、大小限制，外部设有保护作用的套管，使用起来很方便。由于生产对象的不同，所需要的测温条件和测温要求有所不同，热电偶的类型有可分为铠装型热电偶、普通型热电偶、热膜型等。
3.1.2MAX6675温度转换芯片。由Maxin公司生产的SPI总线MAX6675专用芯片，可实现K热电偶冷端补偿及数字化处理热势信号，稳定性及可靠性较高，可在自动化、仪器仪表、工业等生产领域。MAX6675温度转换芯片利用SPI简单串行出口输出温度数值，测温范围在0℃-1024℃之间，具有0.25℃12位分辨率，在片内进行冷端补偿，利用高阻抗差动形式进行输人，可进行断线热电偶检测，电源电压为单一+5V,功耗较低，工作温度在-20C-+85C的范围内，具有2000ESD保护功能。该设备采用50贴片8引脚装封。
3.1.3AT89C51单片机。单片机是系统控制的核心，温度测量具有方便的接口部位，对整个系统进行综合考虑，选择使用由美国ATMEL公司研发的AT89C51单片机，该单片机带有4K字节的闪烁可擦除、可编程的只读储存设备，具有8位高性能的微处理装置。可进行上百次的只读储存装置反复擦除。该设备利用易失高密ATMEL储存设备的制造技术，同工业标准的输出管脚和MCS--51指令集相互兼容，闪烁储存设备与功能较多的8位CPU在单个芯片中组合。
3.2软件程序设计。该系统的软件程序设计包括主系统程序以及温度采集及转换、报警、延时、显示等子程序功能模块。其中主程序具有调用子程序的功能，并通过快速算法对温度数据实施处理，由温度的采集与转换程序把MAX6675设备转换而来的数字量输入单片机后，对温度值进行正确处理后可生成12数位的温度值。报警程序通过对温度值超值状况进行判断，显示系统可将计算所得的温度显示出来。
四、系统的仿真实验
　　该系统设计完成后，利用由英国Labcenter公司研制的ProteusISIS实物仿真机电路分析软件，在Windows基础上进行系统仿真分析。该软件实现了SPICE电路与单片机仿真结合，含有诸如示波器、信号发生器、逻辑分析设备等多种虚拟设备，并且对主流单片机系统仿真比较支持，可对软件进行调试。在硬件系统仿真过程中，可实现单步、全速、断点设置等调试，同时还可对寄存器、各种变量当前形态进行观察，对第三方软件环境调试及软件编译具有支持功能，并且原理图的绘制功能比较强大。以系统硬件电路及软件设计为依据，对系统进行了仿真测试，在基本原理图简化的情况下实现了预期设计目的。
结束语
　　本文就热电偶传感器应用下的高速测温系统设计进行了简单分析，对热电偶热惰性的时间参数综合考虑，通过温度的快速算法达到了高速测量温度的目的。本文重点分析了系统的工作原理以及硬件组成及软件设计。通过仿真实验对系统的性能进行验证，其实验结果表明，设计完全达到了预期要求。