热电偶线性化LED显示.docx

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智能仪表综合训练设计说明书
题目:热电偶线性化LED显示学生姓名:x
学号:08x
专 业:测控技术与仪器
班级:2008-1
指导教师:x
内蒙古科技大学课程设计论文
中文摘要
进入21世纪,
自动化、智能化水平越来越高,人们的工作和生活水平明显提高。
为了给现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施,智能仪器的研究就尤为显得重要。现代智能仪器的研究还主要处于对单片机软件开发的研究阶段。
本设计以STC89C52RC单片机为核心,由热电偶测量热端温度T,经过放大电路和ADC0832进行模数转换,再由单片机进行线性化处理,最后由4位LED显示器显示测量温度。该设计的软件由C51语言编写,采用模块化结构设计。
关键词:热电偶;A/D转换器;单片机;线性化;LED显示。
前言和概述
前言
热电偶是一种应用广泛的测温元件,工业生产中的许多仪器设备都要用热电偶测温、控温,在热加工中热电偶的应用更是必不可少,另外在汽车、家用电器中也经常使用热电偶。热电偶一般用来检测-200°C〜1600°C的温度,热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。
热电偶测温原理
T0
冷端

热电偶是一种将温度变化转换为热电势变化的温度检测元件,由两段不同的金属/合金线构成,一段用作正端,另一段用作负端。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。只要两个接点处的温度不同(设T>T0)时,则在该回路中就会产生电流,这种现象称为热电效应。与此相应的电动势称为热电动势。导体A,B构成的闭合回路称为为热电偶,导体A,B称为热电极。热电偶的两个接点中,温度为T的一端称为热端,温度为T0的一端则称为冷端。
由于在同一金属导体中,温差电势极小,可忽略。因此在一个热电偶回路中起绝对作用的是接触电势。所以回路总的热电势可以近似宝石为:
EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)
热电偶冷端温度补偿
热电偶测温时,冷端温度必须为0C,否则将产生测量误差。当冷端温度波动较大时,必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个稳定的地方,然后再考虑将冷端处理为0C,这称为热电偶的冷端温度补偿。
热电偶的补偿导线通常由补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层组成。冷端温度补偿方法有很多,女如冰点法、恒温迁移法、计算修正法、电桥补偿法、二极管补偿法、集成温度传感器补偿法、软件补偿法等。
由于电桥补偿法有结构简单、使用方便、硬件投资少等诸多优点,工业现场最长用的就是电桥补偿法。它是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度t0的变化对输出电势的影响,
在补偿导线末端放置一个同电阻Rcu,通过选择合适的补偿电桥参数(电桥设计在0°C时平衡),使电桥产生的输出电压uab的大小正好补偿因冷端温度t0而引起的热电势EAB(t0,0),即
U=Eab(t,to)+Eab(to, 0)=EAB(t, 0) d・2)
从而消除了冷端温度对测量结果的影响,实现了冷端补偿。
线性化简介
结束

本设计采用分段直线拟合方法,既节省大量存储器,又有很高的测量精度,。
光进行线性化还不够,还要进行标度变换。在该热电偶测温仪表中,需要将测量的温度通过热电偶转换成0〜+5V的电压信号,再将对应的电压信号经A/D转换,转换成对应的00〜FFH的数字量DX。之后还需要将DX值滤波,滤波后的码值为NX,最后在程序进行过程中,将转换成实际测量温度的显示码值。在这个信号转换过程,就是标度变换。
线性化标度变换的前提是被测量参数值与A/D转换结果为线性关系。线性表度变换公式(2):
A=(A-A)二l+A ()
xmon-No
M 0
该式是线性化标度变换的通用公式。()式中:
A。:一次测量仪表的下限;
Am:一次测量仪表的上限;
AX:实际测量值(工程量);
N。:仪表下限所对应的数字量;
nm:仪表上限所对应的数字量;
NX:测量时所对应的数字量。
其中,Am、A0、nm、N0对于某一固定的被测参数来说都是常数,不同的参数有着不同的值。为了使程序设计简单,一般把一次测量仪表的下限A0所对应的A/D转换值置为0,也即N0=0,这样可以简写成:
A=(A-A)—^+A ()
X M 0N 0
M
在很多测量系统中,仪表下限值A0一般都等于零,即A0=0,此时,对应的N0,下式可进一步化简:
A=A亠 ()
X MN
M
或是
()
A—A
N=x 0N
XA-AM
M 0
内蒙古科技大学课程设计论文
第二章总体方案设计
热电偶温度计因其具有结构简单、性能稳定、测温范围宽、测量精度高、动态性能好、使用方便及便于维护等优点,被广泛应用于各种大型工业领域。但由于热电偶的热电势与温度呈非线性关系,增加了显示与处理的复杂性;且随着工业发展、自动化的不断加强,对温度精度要求也越来越高。为了提高热电偶测量温度的精度,必须从硬件和软件两方面同时入手。硬件设计必须使用高精度A/D器件,软件设计必须设计出合理的满足工业要求的线性化算法,从这两方面解决热电偶测试高温的精度问题。
。该系统硬件结构由热电偶、冷端温度补偿、放大器、A/D转换器、单片机和4位LED显示器组成。热电偶测温是产生的热电动势经冷端温度补偿后,输出mV信号,经过放大器放大后,在ADC0832做A/D转换并做线性化处理,得到数字信号在单片机内经过运算转换为温度信号,并送到LED显示所测得的温度。
热电偶
冷端温度补偿
■
放大器
■
A/D转换器
■
单片机
1
A
JP-

单片机采用STC89C52RC进行核心编程;用8位A/D转换器ADC0832实现0-5V
模拟电压到8位数字量的转换;J1_164LED显示器实现温度t以及A/D转换值的实时显
内蒙古科技大学课程设计论文
第三章硬件设计方案
热电偶线性化LED显示硬件原理图见附录A

T2/
1
40
VCC
T2EX/
2
39


3
38


4
37


5
36


6
35


1
34


8
33

RST
9
32

RXD/
10
31
EA
TXD/
11
30
ALE/PR0G
INT0/
12
29
PSEN
INT1/
13
28

T0/
14
27

T1/
15
26

WR/
16
25

RD/
-图
'
2引脚图N3/AU
XTAL2
18
23

XTAL1
19
22

STC89C52RC系歹U单片机,
是宏晶科技推出的的
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的8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择,可以用串口()下载用户程序,实现在线编程功能。,各部分引脚描述::
〜(32-39):P0口是开漏双向口,可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入。P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节,在访问外部数据存储器时作数据总线,此时通过内部强上拉输出1。
—(1-8):P1口是带内部上拉的双向I/O口,向P1口写入1时,P1口被内部上拉为高电平,可用作输入口。当作为输入脚时,被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。
P1口第2功能:
T2():定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出。
T2EX():定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制。
—(21-28):P2口是带内部上拉的双向I/O口,向P2口写入1时,P2口被内部上拉为高电平,可用作输入口。当作为输入脚时,被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性)。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址(******@DPTR),此时通过内部强上拉传送1。当使用8位寻址方式(******@Ri)访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。
—(10-17):P3口是带内部上拉的双向I/O口,向P3口写入1时,P3口被内部上拉为高电平,可用作输入口。当作为输入脚时,被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性)。P3口还具有以下特殊功能:
RxD():串行输入口
TxD():串行输出口
INT0():外部中断0
INT1():外部中断
T0():定时器0外部输入
T1():定时器1外部输入
WR():外部数据存储器写信号
RD():外部数据存储器读信号
EA引脚(31):外部程序存储器选择信号,低电平有效;在复位期间CPU
检测并锁存EA引脚的电平状态,当读引脚为高电平时,从片内程序存储器取指令,只有当程序计数器PC超出片内程序存储器地址编码范围时,才转到外部程序存储器中取指令;当该引脚位低电平时,一律从外部程序存储器中取指令。
~PSEN(29):程序存储使能。当执行外部程序存储器代码时,PSEN每个机器周期被激活两次,在访问外部数据存储器时PSEN无效,访问内部程序存储器时PSEN无效。
ALE(30):低8位地址锁存信号,在访问外部程序存储器时,ALE下降沿锁存从P0口输出的低8位地址信息A7—A0,以便随后将P0口作为数据总线使用;在正常情况下,ALE输出信号为1/6振荡频率,并可用作外部时钟或定时信号。
XTAL1(19):片内晶振电路反向放大器输入端,接CPU内部时钟电路;XTAL2(18):片内晶振电路反向放大器输出端;
(9):复位信号输入端,咼电平有效;