熱電偶與熱電阻檢測(cè)裝置的測(cè)量

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）多路熱電偶（熱電阻）檢定裝置設(shè)計(jì)學(xué) 院控制工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師2015 年 6 月月 20 日日 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 I 頁(yè)多路熱電偶（熱電阻）檢定裝置設(shè)計(jì)摘 要本文設(shè)計(jì)了一種適用于大型工廠的多路熱電偶熱電阻溫度檢定裝置，本套設(shè)備可以用來(lái)對(duì)使用一段時(shí)間的熱電偶，熱電阻進(jìn)行檢定，來(lái)滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的需求，防止由于某一個(gè)熱電偶的不精確而導(dǎo)致生產(chǎn)出大批劣質(zhì)產(chǎn)品的事件的發(fā)生。本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì) K 型熱電偶進(jìn)行多路檢測(cè)，設(shè)備一次可以檢定十個(gè) K 型熱電偶，既提高了工作速度，又可以保證生產(chǎn)的質(zhì)量，在本次設(shè)計(jì)中還設(shè)計(jì)了上位機(jī)界面，用

2、來(lái)對(duì)熱電偶檢定結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，以及打印和保存。在本次設(shè)計(jì)中我們主要應(yīng)用 MC9S12XS128 進(jìn)行下位機(jī)的控制，這包括對(duì) CD4067的控制來(lái)完成對(duì)不同熱電偶檢定的順序控制，和對(duì) AD7705 放大以及 AD 轉(zhuǎn)換模塊的控制以實(shí)現(xiàn)熱電偶測(cè)溫后的溫度處理步驟。此裝置通過(guò)上位機(jī)處理熱電偶的檢定和定級(jí)，下位機(jī)處理熱電偶的測(cè)溫過(guò)程，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的測(cè)溫過(guò)程的比較，即可得出待測(cè)熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在同一溫度加熱下，測(cè)量值的不同，進(jìn)而確定待測(cè)熱電偶的誤差并將熱電偶分成不同的等級(jí)。關(guān)鍵詞：熱電偶，檢定裝置，上位機(jī) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 II 頁(yè)Multiple thermocou

3、ples (heat resistance) test device designAuthor：Zhou xiao ying Tutor：Qi shi qingAbstractIn this paper, we design a suitable for large factory multiplex heat resistance temperature thermocouple calibration device, this set of equipment can be used to use for a period of time of the thermocouple, heat

4、 resistance for verification, to meet the requirements in the process of industrial production, prevent due to the inaccurate of a thermocouple lead to produce defective products. This design mainly for K type thermocouple multiplex detection, ten thermocouple device can test at a time, can not only

5、 improve the working speed, and can guarantee the quality of production, in this design also designed the PC interface, used to display a thermocouple calibration results of relevant data, and print and save. We mainly in the design application MC9S12XS128 lower machine control, including the contro

6、l of the CD4067 to complete the order of different thermocouple calibration control, and the AD7705 and to enlarge the AD conversion module to realize the control of the temperature of the thermocouple temperature measurement after processing steps.This device by PC processing thermocouple calibrati

7、on and grading, lower machine processing of thermocouple temperature measurement process, comparing with the standard of thermocouple temperature measurement process, can be obtained for the thermocouples and standard thermocouples under the same temperature heating, the measured value is different,

8、 then determine the level of the thermocouple under test. Keywords: Thermocouple, Upper machine, Temperature detection 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 III 頁(yè)目 錄1 緒 論 .11.1 課題背景 .11.2 課題設(shè)計(jì)背景.21.3 熱電偶檢定裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)介 .21.4 本文研究目的和意義.31.5 本章小結(jié) .42 熱電偶自動(dòng)檢定的理論基礎(chǔ) .52.1 熱電偶工作原理.52.2 熱電偶應(yīng)用中的基本定律.72.3 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 .82.4 熱電偶的檢定.102

9、.4.1 熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)化.102.4.2 檢定方法.123 系統(tǒng)硬件組成與實(shí)現(xiàn) .133.1 系統(tǒng)的硬件組成及工作原理.133.2 各個(gè)硬件模塊的功能介紹.143.2.1 檢定爐.143.2.2 模擬開(kāi)關(guān)裝置.143.2.3 模擬轉(zhuǎn)換 AD7705 .153.3 飛思卡爾單片機(jī) MC9S12XS128 最小系統(tǒng) .163.3.1 最小系統(tǒng)原理圖.163.4 RS232 接口 .173.4.1 RS232 接口電路圖.173.5 本章小結(jié) .184 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與編程 .204.1 系統(tǒng)各模塊的流程圖 .204.1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程 .204.1.2 下位機(jī)處理模塊編程 .214.1.3 數(shù)

10、字濾波 .224.1.3 下位機(jī)和上位機(jī)通信 .234.1.3 上位機(jī)的程序流程圖 .244.2 本章小結(jié).265 系統(tǒng)的整體調(diào)試.285.1 硬件調(diào)試 .28 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 IV 頁(yè)5.2 上位機(jī)軟件測(cè)試.28結(jié) 論 .30致 謝 .31參考文獻(xiàn) .32附 錄 .33附錄 A .33附錄 B .34附錄 C .41 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè)1 緒 論1.1 課題背景在我們工業(yè)生產(chǎn)，民用甚至是軍用領(lǐng)域，熱電偶和熱電阻都是必不可少的溫度信息采集的傳感器。各種傳感器都會(huì)因?yàn)槭褂铆h(huán)境因素的各種影響，包括使用的場(chǎng)所，傳感器長(zhǎng)期所處的溫度，以及傳感器所處空

11、間的介質(zhì)和溫濕度的變化，相應(yīng)的其熱電特性會(huì)跟隨這些因素的改變而產(chǎn)生波動(dòng)，在相對(duì)比較惡略的環(huán)境條件下，例如，較高的酸堿度，較高的溫濕度,這種不適合熱電偶工作的條件下熱電特性就會(huì)不符合平常的規(guī)律變化，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確。而且熱電偶測(cè)溫有其自己的適用范圍，如果由于外界環(huán)境以及其他因素導(dǎo)致熱電偶的熱電特性變化超出適用范圍以后，熱電偶測(cè)量的溫度就會(huì)偏離真實(shí)值，使得測(cè)溫越來(lái)越不準(zhǔn)確【1】。因此，為了確保熱電偶檢測(cè)溫度的準(zhǔn)確可靠，符合國(guó)際溫標(biāo)的規(guī)范和要求，我們必須定期對(duì)使用的熱電偶進(jìn)行檢定。在工業(yè)發(fā)展初期我們使用的熱電偶都是由有多年工作經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)確定和控制不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，在保證標(biāo)志點(diǎn)的溫度不變化

12、的前提之下，將我們要進(jìn)行校正測(cè)量的被測(cè)傳感器和我們已知的標(biāo)準(zhǔn)的傳感器進(jìn)行比較【2】。然后人工手動(dòng)的切換標(biāo)序的熱電偶，從而完成多個(gè)熱電偶的檢定。然而，在測(cè)溫的過(guò)程中很難保證溫度能穩(wěn)定在鑒定溫度上下 5 度不變，而且手工操作誤差比較大，時(shí)間較長(zhǎng)，這樣的工藝流程很難確保檢定過(guò)程的精度標(biāo)準(zhǔn)【3】。近年來(lái)，科技的飛速發(fā)展帶動(dòng)了工業(yè)行業(yè)的又一次技術(shù)變革，整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域形成了以計(jì)算機(jī)和各種數(shù)字式儀表為中心的科技創(chuàng)新體系，這將為我們的工業(yè)發(fā)展帶來(lái)又一次春天。我們的科創(chuàng)人員應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)熱電偶分度，熱電偶檢定自動(dòng)化等問(wèn)題進(jìn)行了更深層次的挖掘和研究，并取得了可喜的成果。到目前為止我們已知的，已經(jīng)通過(guò)各項(xiàng)技術(shù)制作

13、出了一些工業(yè)上使用的進(jìn)行傳感器校正的檢測(cè)系統(tǒng)，已經(jīng)可以解決大部分情況下的各種傳感器準(zhǔn)確性的檢測(cè)【4】。但由于檢定系統(tǒng)的大部分程序都是采用傳統(tǒng)復(fù)雜的編程語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)的，對(duì)并非從事程序編寫(xiě)的檢測(cè)人員而言，根本無(wú)法 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè)隨時(shí)改動(dòng)系統(tǒng)的程序，使其適用于不同的工業(yè)需求。我們希望達(dá)到的目標(biāo)是:通過(guò)對(duì) C語(yǔ)言基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，掌握一定的 C 語(yǔ)言的基礎(chǔ)之上，在原本已經(jīng)研發(fā)的硬件的基礎(chǔ)上。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件控制的升級(jí)，將檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性提升。讓工程師不但可以對(duì)我們的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行使用，更為之后系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)打下基礎(chǔ)。1.2 課題設(shè)計(jì)背景眾所周知熱電偶溫度傳感器被普遍用于現(xiàn)代工業(yè)

14、現(xiàn)場(chǎng)之中，這就使得產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的熱電偶密切相關(guān)，然而我們使用的溫度檢測(cè)傳感器的熱電特性會(huì)因?yàn)槲覀兪褂玫墓I(yè)環(huán)境的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化。而我們?yōu)榱藵M(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的需求必須使用精準(zhǔn)的檢測(cè)設(shè)備，因此我們必須定期的對(duì)熱電偶進(jìn)行鑒定，以確保其熱電特性的穩(wěn)定，進(jìn)而保證產(chǎn)品質(zhì)量。由于人工操作熱電偶檢定系統(tǒng)存在誤差大，速度慢等缺陷，所以多年來(lái)國(guó)內(nèi)外的計(jì)量部門(mén)都在研究熱電偶的自動(dòng)鑒定裝置。并且近年已經(jīng)成功研制出了多種檢定裝置，并在不斷地完善各種功能，然而大部分的設(shè)備都是體積大，程序固定不能更改，無(wú)法適應(yīng)多變的工業(yè)要求。我們將進(jìn)對(duì)工業(yè)使用的熱電偶和熱電阻的檢測(cè)裝置自身的精度和可靠性進(jìn)行進(jìn)一步的提升

15、。使其能夠滿(mǎn)足高精度需求的場(chǎng)合。并且根據(jù)有關(guān)部門(mén)要求在檢定合格的熱電偶中分出各個(gè)等級(jí)。并將時(shí)間、毫伏電勢(shì)、溫度以表格的形式直觀的在上位機(jī)界面顯示出來(lái)。1.3 熱電偶檢定裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)介在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)，軍用和民用領(lǐng)域所使用到的熱電偶精度的檢測(cè)裝置非常的多。但是所有的檢測(cè)裝置大體上是可以劃分成兩個(gè)類(lèi)別，一種是一體化的裝置，所有的設(shè)備都集成在一起是一個(gè)整體，另一種就是拆分式裝置可以將各個(gè)模塊進(jìn)行拆卸搬運(yùn)，典型結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè)圖 1.1 可拆分的熱電偶檢定裝置實(shí)物圖從圖中可以看出,不論是哪個(gè)廠家的工業(yè)熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng),都必須具備提供均勻溫場(chǎng)的恒溫裝

16、置,相關(guān)溫度控制系統(tǒng),掃描開(kāi)關(guān)以及能夠讀取標(biāo)準(zhǔn)和被校熱電偶毫伏輸出值的高精度數(shù)字萬(wàn)用表。我們將要研發(fā)的熱電偶檢定裝置是通過(guò)能夠提供均勻溫場(chǎng)的恒溫裝置對(duì)熱電偶加熱，熱電偶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、九個(gè)被檢熱電偶組成，都放置在恒溫裝置中，用飛思卡爾單片機(jī) MC9S12XS128，和 AD7705-16 位 AD 轉(zhuǎn)換模塊組成數(shù)據(jù)采集卡，采集多路熱電偶的熱電勢(shì)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后在上位機(jī)上顯示溫度數(shù)值，并根據(jù)有關(guān)部門(mén)規(guī)定計(jì)算測(cè)量誤差，以及待測(cè)熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶偏差，并根據(jù)偏差大小定級(jí)。圖1.2工業(yè)熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)1.4 本文研究目的和意義初期熱電偶檢定是由有工作經(jīng)驗(yàn)的人員控制不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，然后盡量使溫

17、度保持在設(shè)定溫度點(diǎn)不變，將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶測(cè)量的溫度進(jìn)行記錄，然后手動(dòng)的切換不同熱電偶，從而完成多個(gè)熱電偶的檢定。然而，在這其間，溫度難以保持恒定， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè)并且人為操作記錄誤差比較大，耗時(shí)較長(zhǎng)，這樣很難保證檢定過(guò)程的高精度要求【5】。隨著科技的進(jìn)步，技術(shù)的迅速發(fā)展，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到科技就是第一生產(chǎn)力，開(kāi)始將科學(xué)融入到生產(chǎn)中，但是任何的檢測(cè)設(shè)備在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中都會(huì)暴露出越來(lái)愈多的問(wèn)題，熱電偶的檢測(cè)裝置也不例外。在現(xiàn)在的熱電偶檢定裝置中，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備比較復(fù)雜，比如需要購(gòu)買(mǎi)各種的測(cè)量?jī)x器。這些儀器大多都是不同的廠家研制生產(chǎn)的，在生產(chǎn)過(guò)程中的制作工藝，配

18、套研發(fā)的軟件都擁有不同的標(biāo)準(zhǔn)。在拼裝完成之后的系統(tǒng)的兼容性并不好。大多部分的工作都是需要大量的人工，自動(dòng)化程度比較低。這個(gè)階段就是半自動(dòng)檢測(cè)階段。但是后期隨著工業(yè)技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及微電子嵌入式的發(fā)展，工業(yè)使用的熱電偶的檢測(cè)裝置也得到了很大的發(fā)展。不再是部分的拼湊，而是整個(gè)的系統(tǒng)。整個(gè)的設(shè)備就是一個(gè)完善的系統(tǒng)，可以完成檢測(cè)過(guò)程中的每部分工作。自動(dòng)化程度非常高。操作人員可以直接在 PC 端完成，檢測(cè)分析，檢測(cè)結(jié)果打印的各項(xiàng)工作【6】。不過(guò)上面所講述的高自動(dòng)化的檢測(cè)儀器，自身的研發(fā)周期比較長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)工藝有著較高的要求，同時(shí)軟件的開(kāi)發(fā)成本比較高。每個(gè)檢測(cè)裝置的制作都需要對(duì)硬件資源進(jìn)行重新的采購(gòu)，所以

19、在整個(gè)的過(guò)程中會(huì)造成資源的較大浪費(fèi)。我們的系統(tǒng)希望達(dá)到的目標(biāo)是：在已經(jīng)有的硬件基礎(chǔ)上，加以更新改造，并且能夠在上位機(jī)上顯示在某一時(shí)間各個(gè)熱電偶測(cè)量的溫度，輸出的 MV 熱電勢(shì)，繪制溫度和熱電勢(shì)的函數(shù)圖像，方便與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行對(duì)比，并且根據(jù)計(jì)算，為各個(gè)熱電偶定級(jí)。1.5 本章小結(jié)本章節(jié)主要是針對(duì)熱電偶檢測(cè)裝置的簡(jiǎn)單介紹。并對(duì)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外技術(shù)的發(fā)展做了簡(jiǎn)單的介紹。下面對(duì)本論文進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。第一章：緒論是針對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所制作的熱電偶熱電阻的檢測(cè)裝置的發(fā)展情況做一個(gè)簡(jiǎn)單的概述。第二章：主要是針對(duì)本次設(shè)計(jì)的熱電偶檢測(cè)裝置的原理進(jìn)行介紹，并且對(duì)對(duì)系統(tǒng)的整體方案進(jìn)行分析說(shuō)明。第三章：主要是針對(duì)

20、本次設(shè)計(jì)中所涉及到的硬件電路模塊的原理和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。對(duì)硬件器件的選取進(jìn)行說(shuō)明。第四章：主要是對(duì)設(shè)計(jì)中所使用的軟件模塊的編寫(xiě)原理，實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行分析說(shuō)明。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè)對(duì)上位機(jī)模塊的程序編寫(xiě)進(jìn)行介紹。第五章：主要是針對(duì)該畢業(yè)設(shè)計(jì)的硬件和軟件部分先進(jìn)行模塊的調(diào)試，然后機(jī)型硬件和軟件結(jié)合的整體測(cè)試，以及上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信測(cè)試。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè)2 熱電偶自動(dòng)檢定的理論基礎(chǔ)2.1 熱電偶工作原理在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)生活中，我們需要對(duì)生產(chǎn)流程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的采集處理，以便于對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程工藝進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。隨著現(xiàn)在工業(yè)要求的不斷

21、提升，為了實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的準(zhǔn)確控制，對(duì)生產(chǎn)流程中的參數(shù)需要準(zhǔn)確的測(cè)量和分析。本文涉及到的工業(yè)生產(chǎn)中的參數(shù)就是溫度。而對(duì)溫度的測(cè)量主要是通過(guò)熱電偶和熱電阻對(duì)不同生產(chǎn)流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控。而對(duì)于我們經(jīng)常使用的溫度測(cè)量傳感器的原理如圖中表示：圖中的 A 和 B 表示的是由不同的材料通過(guò)特殊的工業(yè)生產(chǎn)制作成的一個(gè)可以導(dǎo)電的導(dǎo)體，將這兩個(gè)導(dǎo)體連接形成一個(gè)可以導(dǎo)電的回路。在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置因?yàn)橥饨绲臏囟劝l(fā)生變化的時(shí)候就會(huì)形成一個(gè)溫度的差值，這樣就是在 A 和 B 之間的電路中產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)我們稱(chēng)之為熱電勢(shì)。而且這個(gè)熱電勢(shì)的大小是和外界的溫度差值成正比例關(guān)系的。當(dāng)外界的溫度差值不斷的增大，那么回

22、路中的電動(dòng)勢(shì)也會(huì)不斷地增加。這種現(xiàn)象就是我們傳感器的工作原理，稱(chēng)之為溫差熱電效應(yīng)。下圖中表示的傳感器就是熱電偶【7】。圖2.1 熱電偶工作原理圖隨著現(xiàn)在科技的發(fā)展，特別是微電子，材料學(xué)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展。熱電偶的種類(lèi)和測(cè)量溫差范圍都在不斷的增多變大。于此同時(shí)，決定傳感器品質(zhì)的測(cè)量精度也在不斷的變大。同時(shí)由于其原理和材料的特性決定，傳感器的滯后效應(yīng)比較小，這樣就保證了信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，保證了流程控制的有效性【8】。所以在現(xiàn)在的工業(yè)控制領(lǐng)域 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè)中，熱電偶和熱電阻作為生產(chǎn)流程中的溫度采集傳感器有著非常廣泛的使用。下面我們就針對(duì)從溫差到電勢(shì)差的計(jì)算原理進(jìn)行簡(jiǎn)

23、單的介紹。就和圖中所顯示的，如果在 A,B 兩個(gè)導(dǎo)體之間存在一個(gè)溫度差，而兩個(gè)溫度分別是 T 和 T0.那么導(dǎo)體的兩端就會(huì)因?yàn)檫@個(gè)溫度差值的存在而形成熱電勢(shì)。熱電勢(shì)的數(shù)值不僅是收到了)T(T,E 0ab兩端接口的溫度差值的影響，同樣也會(huì)因?yàn)閷?dǎo)體的長(zhǎng)度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化【9】。具體的計(jì)算表達(dá)式如下所示： )T(T,E-)(TE-)T(T,E+(T)E=)T(T,E 0a0ab0bab0ab（2.1）在物理學(xué)學(xué)習(xí)中，在電磁學(xué)中我們接觸過(guò)珀?duì)栙N效應(yīng)。根據(jù)該原理我們知道，如果 AB 兩個(gè)導(dǎo)體因?yàn)閮?nèi)部可以擁有自由移動(dòng)的電子所以形成電流，但是由于內(nèi)部的單位面積的電子可能是不一樣的。所以如果我們和上圖中

24、將 AB 兩個(gè)導(dǎo)體連接到一起的時(shí)候，在兩個(gè)導(dǎo)體中就會(huì)因?yàn)閱挝幻娣e的電子的數(shù)目的不同而形成電子的定向移動(dòng)。當(dāng)最后電子的數(shù)目達(dá)到一致的時(shí)候，停止移動(dòng)。這樣的話就會(huì)是 A,B 兩個(gè)導(dǎo)體因?yàn)殡娮用芏鹊牟煌謩e帶上正電荷和負(fù)電荷，從而形成電勢(shì)差值。這個(gè)差值不僅僅是我們選擇的導(dǎo)體的材料有關(guān)聯(lián)，同樣也會(huì)因?yàn)橥饨绲臏囟葦?shù)值的不同而形成不同的電勢(shì)差值【10】。具體的表達(dá)式如下所示： （2.2）)()(ln)(TNTNeKTTeBAAB （2.3）)()(ln)(0000TNTNekTTeBAAB為什么一個(gè)固定的導(dǎo)體因?yàn)閮啥说臏囟炔幌嗤€會(huì)形成一個(gè)電視差值。這是因?yàn)?，?dǎo)體中因?yàn)樽陨硖匦缘脑驎?huì)擁有眾多的自由移動(dòng)

25、的電子，而當(dāng)兩邊有一定的溫度的差值的時(shí)候。因?yàn)闇囟鹊牟煌?，所以分布在不同地方的自由移?dòng)的電子就具有了不同的動(dòng)能。這樣由于電子的動(dòng)能不同就會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部差生電子的定向移動(dòng)，這樣就會(huì)在導(dǎo)體的兩邊形成一定的溫度差值【11】。如上邊講述的原理的，電勢(shì)差值是和導(dǎo)體材料自身的單位面積的電子數(shù)量和導(dǎo)體兩邊的溫度差值相關(guān)聯(lián)的。我們將上面的算式進(jìn)行一個(gè)相應(yīng)的整合，那么就會(huì)得到一個(gè)完整的計(jì)算公式。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè)圖 2.2 熱電偶閉合回路電勢(shì)分布圖上邊的計(jì)算公式就是一個(gè)熱電偶傳感器的自身特性的表現(xiàn)，是衡量熱電偶自身性能的重要數(shù)值。其數(shù)值的變化是由熱電偶傳感器所選擇的兩個(gè)導(dǎo)體的性質(zhì)所決

26、定的。因此如果在工業(yè)生產(chǎn)中我們將 A，B 兩個(gè)導(dǎo)體的自身材料已經(jīng)確定，那么這個(gè)參數(shù)就已經(jīng)確定了。剩下的就是兩個(gè)導(dǎo)體之間的溫度差值。根據(jù)不同的溫度差值我們會(huì)在熱電偶兩端得到不同的熱電動(dòng)勢(shì)。如果再將傳感器的一端的溫度確定下來(lái)，那么用來(lái)直接測(cè)量另一端的溫度的話，這樣根據(jù)計(jì)算公式我們就可以確定一個(gè)被測(cè)量的溫度和測(cè)量出來(lái)的熱電動(dòng)勢(shì)之間的比例關(guān)系【12】。具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：)()(),(0tCtfttEAB （2.4）根據(jù)這樣的比例關(guān)系我們就可以確定熱電偶測(cè)量溫度的原理。只要是將熱電偶傳感器自身所產(chǎn)生的電勢(shì)差值檢測(cè)端，那么根據(jù)我們推導(dǎo)出來(lái)的公式逆向運(yùn)算就會(huì)得到我們需要的被測(cè)溫度數(shù)值。我們可以把這個(gè)

27、關(guān)系用函數(shù)曲線進(jìn)行表示，也可以逆向整理成一個(gè)新的數(shù)學(xué)方程式。2.2 熱電偶應(yīng)用中的基本定律(l)熱電偶材料均勻介質(zhì)如果我們?cè)谥谱鳠犭娕紓鞲衅鞯臅r(shí)候。A，B 兩導(dǎo)體都是使用一個(gè)相同的材料制作成的。那么不管我們?cè)鯓痈淖儫犭娕嫉拈L(zhǎng)度，被測(cè)溫度，在熱電偶中都不會(huì)產(chǎn)生我們所需要的熱電動(dòng)勢(shì)。但是根據(jù)我們這里所講述的均勻介質(zhì)，我們制作熱電偶的兩個(gè)導(dǎo)體一定是兩個(gè)介質(zhì)非常均勻不同的材料。那么在實(shí)際的測(cè)量中，導(dǎo)體兩端就會(huì)因?yàn)樗幍臏囟鹊牟煌沟脙?nèi)部的電子形成不同方向的移動(dòng)進(jìn)而形成不同的熱電勢(shì)數(shù)值【13】。（2)中間導(dǎo)體定律 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè)如果我們?cè)谥谱鳠犭娕嫉臅r(shí)候不僅僅是使用了

28、A 和 B 兩個(gè)導(dǎo)體，而是加入了第三種導(dǎo)體材料的話。如果我們使用的第三種導(dǎo)體材料自身兩端的溫度是相同的，沒(méi)有形成溫度差，那么這個(gè)外加的第三導(dǎo)體就不會(huì)對(duì)熱電偶測(cè)量產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生什么影響。所以我們?cè)趯?duì)熱電偶的實(shí)際使用過(guò)程中，可以在回路中自己添加任何的傳感器和儀器，這樣方便了熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。 (3)中間溫度定律在熱電偶的生產(chǎn)制作過(guò)程中我們不管是選用什么樣的導(dǎo)體材料。只要是在熱電偶的測(cè)量端和自身設(shè)定的溫度端口可以產(chǎn)生一個(gè)溫度差值。那么這個(gè)溫度差值所對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)都是和熱電偶傳感器在工作的過(guò)程中設(shè)置溫度和被測(cè)溫度分別形成的熱電勢(shì)的數(shù)值之和是相等的【14】。具體的數(shù)學(xué)表示計(jì)算式如下所示。)

29、,(),(),(233121ttttttABABAB （2.5）2.3 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償根據(jù)我們上邊講述的熱電偶的測(cè)量原理我們知道，對(duì)于傳感器自身而言，最重要是保證傳感器自身設(shè)置的冷端值不發(fā)生變化，這樣根據(jù)外界溫度產(chǎn)生的溫度差值才是可靠有效的數(shù)值。對(duì)應(yīng)的形成的熱電動(dòng)勢(shì)才是真正的數(shù)值，可以真實(shí)地反映出溫度的實(shí)際變化。但是我們熱電偶實(shí)際的生產(chǎn)制造的過(guò)程中由于各種因素的作用，以及熱電偶傳感器在實(shí)際的使用過(guò)程中，不能很好的保證這個(gè)溫度是一直不發(fā)生改變的。所以我們采用另一種方式來(lái)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)?，F(xiàn)在廠家最多使用的就是對(duì)冷端這邊進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償，這樣就可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。根據(jù)我們之前介紹的中間溫度的

30、定力，我們可以得到這樣一個(gè)計(jì)算公式： )0 ,(),()0 ,(00ttttEEE （2.6）根據(jù)數(shù)據(jù)公式我們可以推論得知。當(dāng)傳感器制作中將熱端的溫度設(shè)置為恒定的時(shí)候，那么如果我們的冷端產(chǎn)生了變化，那么對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)也會(huì)發(fā)生一定的變化。因此如果我們要得到一個(gè)準(zhǔn)確的被測(cè)溫度和實(shí)際的熱電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系曲線的話，那么我們就要保證冷端溫度是一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值【16】。所以我們必須要對(duì)實(shí)際的冷端進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償。廠家在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，我們經(jīng)常采用的冷端的補(bǔ)償方法分別是：冷端恒溫法、 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè)補(bǔ)償導(dǎo)線法、冷端溫度校正法、電橋補(bǔ)償法、二極管補(bǔ)償法、集成溫度電路補(bǔ)償法等

31、 (l)冷端恒溫法把熱電偶傳感器的冷端放置在標(biāo)準(zhǔn)的 0 攝氏度的溫度下，我們選用的是一個(gè)冰水混合液體。然后將傳感器的冷端放入，這樣就保證了，電動(dòng)勢(shì))0 ,(0tE是一個(gè)恒等于 0 的數(shù)值。那么這時(shí)候使用傳感器測(cè)量被測(cè)溫度，就能實(shí)現(xiàn)被測(cè)量溫度和傳感器所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)數(shù)值是一一對(duì)應(yīng)的。通過(guò)這樣的補(bǔ)償方法會(huì)使得系統(tǒng)自身的系統(tǒng)誤差在0.001左右。而且該補(bǔ)償方法在被測(cè)溫度的計(jì)算過(guò)程也很容易。不過(guò)實(shí)際的 0 攝氏度的溫度我們是無(wú)法長(zhǎng)期保持的，所以該種補(bǔ)償方法只是局限在實(shí)驗(yàn)室中。在工業(yè)生產(chǎn)生活中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 (2)補(bǔ)償導(dǎo)線法我們溫度補(bǔ)償?shù)哪康木褪菫榱俗尡粶y(cè)溫度和產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)具有一個(gè)很好的比例關(guān)系。所以

32、我們要保證冷端的實(shí)際溫度是一個(gè)恒定的數(shù)值。我們把熱電偶傳感器的冷端通過(guò)導(dǎo)線連接，延長(zhǎng)出來(lái)并放入一個(gè)溫度恒定的環(huán)境中。這樣的補(bǔ)償方法也有一個(gè)局限性，那就是要保證這個(gè)用作延伸的導(dǎo)線在一定的溫度范圍之中和熱電偶傳感器有一樣的熱電效應(yīng)，只有這樣才能保證我們外加的導(dǎo)體不會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)量數(shù)值產(chǎn)生影響。(3)冷端溫度校正法如果在 t0值已經(jīng)確定的前提之下。我們可以使用熱電效應(yīng)和傳感器一樣的導(dǎo)線將冷端延伸連接到 t0處。這樣我們可以通過(guò)熱電偶的分度數(shù)值表查看實(shí)際的 E（t0,0） ，然后測(cè)出熱電偶回路的熱電勢(shì) E（t，t0）,最后通過(guò)計(jì)算然后得到最終的被測(cè)量溫度的數(shù)值。 (4)電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償，顧名思義就是

33、將測(cè)量系統(tǒng)中鏈接上一個(gè)不平衡電橋。利用我們外加上的電橋會(huì)在熱電偶傳感器的冷端的溫度數(shù)值發(fā)生變化的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)變化的電壓數(shù)值。后期將熱電偶傳感器的冷端偏離之前測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行分析運(yùn)算，這樣就可以保證傳感器的檢測(cè)精度。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè)圖 2.3 電橋補(bǔ)償電路上面顯示的就是要在傳感器中添加的一個(gè)不平衡橋。下面就針對(duì)這個(gè)不平衡橋進(jìn)行相應(yīng)的介紹。 上圖中的電阻 R1、R2、R3 都是一個(gè)精密電阻，并且該電阻自身的溫度系數(shù)非常的準(zhǔn)確。R5 是一個(gè)限流電阻，R5 的電阻數(shù)值是根據(jù)熱電偶傳感器的分度號(hào)碼以及其進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆秶鷣?lái)決定。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示： （2.7）abVtEt

34、tEV)0 ,(),(000根據(jù)上式中我們可以知道，如果選擇對(duì)了精密電阻 R1，R2，R3 的數(shù)值，那么就會(huì)使得)0 ,(0tE與 Vab的數(shù)值相等，從而抵消相互之間的影響。這樣就可以盡量的減少冷端溫度的自身變化對(duì)熱電偶傳感器最終輸出的熱電勢(shì)差的影響。不過(guò)這個(gè)補(bǔ)償方案也有自身的局限性，補(bǔ)償?shù)臏囟确秶荒苁?0 攝氏度到 50 設(shè)置度之間，而且只有在 20 攝氏度的時(shí)候才能夠?qū)崿F(xiàn)全補(bǔ)償。在其他溫度下只能進(jìn)行欠補(bǔ)償或者是過(guò)補(bǔ)償。這樣的話就達(dá)不到想要的補(bǔ)償效果。2.4 熱電偶的檢定熱電偶的檢定主要是針對(duì)熱電偶的工作性能進(jìn)行檢測(cè)，包括傳感器自身的熱電特性是否滿(mǎn)足要求。實(shí)際的操作步驟就是先對(duì)傳感器的外觀

35、進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題，然后在測(cè)量范圍內(nèi)選擇一個(gè)固定的溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，然后查看傳感器的熱電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值是否是穩(wěn)定，是否符合傳感器的設(shè)計(jì)要求。像這種工業(yè)使用傳感器的檢定都是需要根據(jù)國(guó)家規(guī)定的檢測(cè)流程進(jìn)行的。2.4.1 熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)化根據(jù)有關(guān)部門(mén)所公布的資料顯示，到現(xiàn)在為止，科研工作者已經(jīng)對(duì)三百多種的熱 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè)電偶傳感器的制作材料進(jìn)行的研究和分析。技術(shù)人員在其中選擇了其中七種性能和材質(zhì)都非常實(shí)用的熱電偶材料進(jìn)行研制。生產(chǎn)出來(lái)的傳感器在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在我國(guó)的國(guó)標(biāo)規(guī)定熱電偶傳感器的材料有九種【17】。正在制定的專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有三種。在國(guó)標(biāo)中所指

36、的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶指的就是國(guó)家規(guī)定的在一定的允許誤差的范圍之內(nèi)，同時(shí)傳感器產(chǎn)生的熱電勢(shì)和被測(cè)溫度具有線性關(guān)系，并且具有統(tǒng)一的分布表的熱電偶傳感器。對(duì)應(yīng)的非標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶傳感器，在測(cè)量的溫度范圍和數(shù)量級(jí)別上沒(méi)有固定的數(shù)值，也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表。這樣的傳感器主要是作為某些工業(yè)控制的特殊環(huán)節(jié)進(jìn)行使用【18】。下圖表示的就是國(guó)家規(guī)定的各種熱點(diǎn)偶傳感器的名稱(chēng)，對(duì)應(yīng)的分度號(hào)碼，等級(jí)以及對(duì)應(yīng)的測(cè)量溫度范圍和系統(tǒng)自身的誤差范圍。表表 2.1 工作用熱電偶測(cè)溫范圍及允差工作用熱電偶測(cè)溫范圍及允差熱電偶名稱(chēng)分度號(hào)等級(jí)測(cè)溫范圍允差-4011001.5或0.4t鎳鉻-鎳硅(鋁)K-4013002.5或0.75t-4011001

37、.5或0.4t鎳鉻硅-鎳硅N-4013002.5或0.75t-408001.5或0.4t鎳鉻-銅鎳E-409002.5或0.75t-407501.5或0.4t鐵-銅鎳J-407502.5或0.75t016001或1+（t-1100）*0.003鉑銠 10-鉑S016001.5或0.25t016001或1+（t-1100）*0.003鉑銠 13-鉑R016001.5或0.25t60017000.25t鉑銠 30-鉑銠 6B60017004或0.5t 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè)圖 2.4 雙極法熱電偶檢定原理圖2.4.2 檢定方法在熱電偶傳感器的檢定方法中，我們經(jīng)常使用的就是

38、雙極比較法。這是最基本的一種檢測(cè)方法，適用范圍很廣。下面將對(duì)該檢測(cè)方法的原理進(jìn)行相應(yīng)的介紹和分析。將待檢測(cè)的傳感器和標(biāo)準(zhǔn)的傳感器一起放到我們事先已經(jīng)設(shè)定好溫度的檢定爐中。將兩個(gè)傳感器的冷端都通過(guò)熱點(diǎn)特性相同的傳感器延伸到冰水混合物中。然后等檢定爐中的溫度上升到我們?cè)O(shè)定好的溫度之后，將檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定放置幾分鐘，讓傳感器的測(cè)量端到達(dá)一個(gè)平衡狀態(tài)。這樣檢定爐自身的溫度和設(shè)定溫度之間的差值應(yīng)該不會(huì)大于正負(fù)五攝氏度。這時(shí)候就進(jìn)行下一步的檢測(cè)，測(cè)量順序如下所示：標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè) 1檢測(cè) 2檢測(cè) n標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè) 1檢測(cè) 2檢測(cè) n之后再進(jìn)行傳感器數(shù)值的讀取的時(shí)候需要非常的迅速，這樣可以保證數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間比較相近。測(cè)量的時(shí)

39、候爐子中的溫度變化也不會(huì)很大。在外界環(huán)境較為理想的情況下，就可以求出熱電偶傳感器的平均電動(dòng)勢(shì)。然后經(jīng)過(guò)公示轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)值。最后處理就可以得到每個(gè)被檢測(cè)的熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶在檢測(cè)溫度上的測(cè)量差值。從而判斷熱電偶傳感器性能的好壞。2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了一些關(guān)于熱電偶的基本原理知識(shí)，熱電偶的基本定律包括中間溫度定律、中間導(dǎo)體定律、熱電偶材料均勻介質(zhì)。熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償方法包括冷端恒 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè)溫法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、冷端溫度矯正法、電橋補(bǔ)償法。熱電偶在檢定過(guò)程中使用的雙極性法的基本介紹，熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)化的簡(jiǎn)單闡述。3 系統(tǒng)硬件組成與實(shí)現(xiàn)3.1 系統(tǒng)的硬

40、件組成及工作原理我們本次設(shè)計(jì)的熱電偶的檢測(cè)系統(tǒng)的主要的硬件結(jié)構(gòu)如下。該系統(tǒng)主要是使用單片機(jī)系統(tǒng)，傳感器部分，16 位的一個(gè) AD 轉(zhuǎn)換的模塊，信號(hào)放大模塊，串口通信部分，以及最終進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的上位機(jī)部分。整體的機(jī)構(gòu)圖如下所示：檢定爐十六選一模擬開(kāi)關(guān)A/D轉(zhuǎn)換控制芯片RS232上位機(jī)打印機(jī)圖 3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè)圖 3.2 系統(tǒng)的硬件電路原理圖3.2 各個(gè)硬件模塊的功能介紹整個(gè)的系統(tǒng)包括放置各個(gè)傳感器的檢定爐。傳感器部分以及信號(hào)處理部分，主控部分，通信部分以及上位機(jī)打印部分。下面我們就針對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的原理說(shuō)明和功能介紹。3.2.1 檢定

41、爐我們將被測(cè)的傳感器放置在一個(gè)受熱比較均勻的物體中，我們稱(chēng)之為檢定爐。在這個(gè)裝置中我們自己設(shè)定幾個(gè)檔位的溫度作為標(biāo)識(shí)溫度。這幾個(gè)溫度分別是 20 攝氏度，40 攝氏度，50 攝氏度以及 70 攝氏度。這幾個(gè)設(shè)定的溫度將作為被測(cè)的傳感器和標(biāo)準(zhǔn)的傳感器檢測(cè)的一個(gè)相對(duì)的溫度。在實(shí)際的設(shè)置中我們選擇的是一個(gè)熱水杯來(lái)模擬整個(gè)檢定爐。這樣既可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的檢測(cè)需求，更使制作過(guò)程更加的簡(jiǎn)單便捷。3.2.2 模擬開(kāi)關(guān)裝置在針對(duì)多個(gè)熱電偶傳感器進(jìn)行選擇控制的時(shí)候，使用專(zhuān)用的芯片進(jìn)行選擇功能。芯片主要的功能就是開(kāi)關(guān)的控制。芯片自身不但可以用作系統(tǒng)部分之間信號(hào)的傳輸，同時(shí)可以進(jìn)行不同時(shí)刻處理數(shù)據(jù)，而且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)

42、中多個(gè)控制回路信號(hào)的巡回檢 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁(yè)測(cè)。芯片的電路圖：圖 3.3 CD4067 原理圖CD4067 芯片一共是有 24 個(gè)引腳。這款芯片為控制系統(tǒng)提供了 16 個(gè)的通道的開(kāi)關(guān)。而且如圖中看到的，芯片自身有四個(gè)的可以進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入的端口。除了剩下的電源接口和一個(gè)控制接口 C 以外，芯片剩下的接口都是輸入輸出通道接口和普通的 IO接口。芯片自身對(duì)電壓的要求是 3 伏到 15 伏。在該系統(tǒng)中我們對(duì)芯片的供電電壓是5v。芯片的控制邏輯如圖所示。芯片的作用就像是一個(gè)單刀十六至開(kāi)關(guān)一樣的。至于芯片控制的哪個(gè)通道導(dǎo)通是通過(guò)芯片的 ABCD 的地址碼決定的。芯片在使

43、用的時(shí)候，輸入端分別連接到多個(gè)的熱電偶傳感器，同時(shí)將芯片的輸入控制端口連接到芯片的三個(gè)不同的 I/O 端口。通過(guò)芯片的三個(gè)控制端口，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)熱電偶的選擇通斷。在通道選擇之后，就針對(duì)熱電偶的傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。表表 3.13.1 CD4067I/OCD4067I/O 口對(duì)照表口對(duì)照表輸入輸入輸入輸入輸入導(dǎo)通CA3A2A1A0LLLLLI0O/ILLLLHI1O/ILLLHLI2O/ILLLHHI3O/ILLHLLI4O/ILLHLHI5O/ILLHHLI6O/I 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè)LLHHHI7O/ILLHHLI8O/I3.2.3 模擬轉(zhuǎn)換 AD7705當(dāng)針對(duì)熱

44、電偶的傳感器通道選擇完成之后，就對(duì)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)的模擬量傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該轉(zhuǎn)換芯片使用 AD7705 實(shí)現(xiàn)。AD7705 芯片主要是進(jìn)行模擬信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息然后輸出給控制芯片。在本系統(tǒng)中，我們使用 AD7705 把傳感器傳輸回來(lái)的低電平的信息，經(jīng)過(guò)芯片自身的處理之后，輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量的信息。同時(shí)該芯片在進(jìn)行自身的信息處理的時(shí)候，可以進(jìn)行數(shù)字濾波。這樣就保證了信息的準(zhǔn)確性。主要是通過(guò)串行接口實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的通信的控制的。此串行通信主要是有三個(gè)端口與外部進(jìn)行接線。通信的過(guò)程中芯片自身會(huì)進(jìn)行一點(diǎn)的自我校驗(yàn)，用來(lái)減少在通信過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。AD7705 在工作的時(shí)候可以使用兩個(gè) ADC 的通道進(jìn)

45、行數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換。使用的是3V 到 5V 的電源給芯片供電。共有 16 個(gè)引腳。其中包括電源和地線的接口，以及芯片的選擇控制端口 CS，芯片自身的復(fù)位引腳 RESET，芯片的時(shí)鐘輸入引腳 SCLK 以及芯片的輸入輸出引腳。芯片的諸多特性決定了它較為廣泛的用途。芯片的接口電路如下所示：圖 3.4 AD7705 電路原理圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè)我們將通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)選中的信號(hào)接入到 AD7705 的模擬量輸入引腳。經(jīng)過(guò)芯片自身的信息處理，將對(duì)應(yīng)的數(shù)字量信息傳輸給控制芯片。然后控制芯片在進(jìn)行相應(yīng)的處理。該硬件部分是這個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)輸入端口。該部分的信息處理的成敗關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的

46、準(zhǔn)確性。所以 AD7705 這部分的硬件必須保證一定的精度。根據(jù)系統(tǒng)示意圖，在進(jìn)行完模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，數(shù)字量的信息就會(huì)傳輸給控制芯片。3.3 飛思卡爾單片機(jī) MC9S12XS128 最小系統(tǒng)3.3.1 最小系統(tǒng)原理圖圖 3.5 最小系統(tǒng)原理圖針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)化之后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的芯片就是 xs128。下面就針對(duì)該控制芯片進(jìn)行相應(yīng)的介紹說(shuō)明。MC9S12XS128 是飛思卡爾的一個(gè) 16 位的控制芯片。該芯片具有鎖相環(huán)功能，可以將芯片的速度提升到 80Mhz。這樣就提升了系統(tǒng)的整體反應(yīng)能力，信息的傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理的速度都得到了快速的提升。由 16 位中央處理單元CPU12X、128KB 程序 F

47、lash、8KB 數(shù)據(jù) Flash 組成片內(nèi)存儲(chǔ)器。同時(shí)還包括兩個(gè)異步串行通訊接口（SCI）一個(gè)串行外設(shè)接口（SPI） 、一個(gè) 8 通道輸入捕捉輸出比較定時(shí)器模塊（TIM）16 通道 12 位 AD 轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個(gè) 8 通道脈沖寬度調(diào)制模塊（PWM） ，91 個(gè)獨(dú)立的數(shù)字 I/O 口，其中某些數(shù)字 I/O 口都具有中斷和喚醒功能，1個(gè) CAN 2.0 A/B 標(biāo)準(zhǔn)兼容模塊（MSCAN） ?？刂菩酒槍?duì)數(shù)字量進(jìn)行處理之后，就會(huì)將所有的數(shù)字信息經(jīng)過(guò)串口通信模塊傳 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè)輸給上位機(jī)進(jìn)行顯示。3.4 RS232 接口3.4.1 RS232 接口電路圖圖

48、 3.6 MAX 202 接口電路圖現(xiàn)在經(jīng)常使用的通信方式有 RS232 和 RS485 通信。下面就針對(duì)這兩個(gè)通信的特點(diǎn)進(jìn)行介紹分析。當(dāng)模塊與模塊之間的通信距離在十幾米到幾千米的距離的時(shí)候，我們采用的是 RS485 總線進(jìn)行通信。RS485 在信息發(fā)送的時(shí)候使用的是平衡發(fā)送，而總線在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的時(shí)候使用的是差分接收的方式。這種信息的傳輸方式?jīng)Q定了 RS485可以抑制共模干擾的影響，可以確保通信的信息的準(zhǔn)確性。RS485 在通信的時(shí)候采用的是半雙工的工作方式，這樣就可以使得通信過(guò)程中任何時(shí)候都只有一個(gè)位置是發(fā)送信息的狀態(tài)。所以，在進(jìn)行通信的時(shí)候需要給發(fā)送信息的電路輸入一個(gè)高電平，作為使能信號(hào)

49、進(jìn)行控制。RS485 在工業(yè)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樵谕ㄐ胚^(guò)程中存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以進(jìn)行多點(diǎn)之間的通信。在工業(yè)控制中組織形成網(wǎng)絡(luò)控制。由于我們的通信距離較短，所以選用的就是 RS232 的通信方式進(jìn)行通信。RS232 采用的是三線制進(jìn)行通信的。分別是發(fā)送端口，接收端口和 GND 端口。在進(jìn)行通信的時(shí)候 RS232 的電平是正負(fù)電平之間不斷的轉(zhuǎn)變的。其中 RS232 的高電平范圍是正的 5 伏到正的 15 伏。而負(fù)電平是負(fù)的 5 到 15 負(fù)之間。在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候，發(fā)送端口的驅(qū)動(dòng)器輸出的正電平 5V 到 15V。當(dāng)通信沒(méi)有信息發(fā)送的時(shí)候，總線上的電平就是普通的 TTL 電平。通信總線上從數(shù)據(jù)

50、傳輸?shù)拈_(kāi)始到數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，總線上的電平在 TTL 電平和 RS232 電平之間不斷地變換，最后恢復(fù)到 TTL 電平。該串口通信的波特率有 50 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁(yè)到 19200 不等?？偩€的信息傳輸速度可以滿(mǎn)足本次設(shè)計(jì)對(duì)通信速度的要求。表表 3.23.2 MAX202MAX202 接口標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)9 針端口號(hào)25 針端口號(hào)名稱(chēng)方向功能32TXD輸出發(fā)送數(shù)據(jù)(transmit data)23RXD輸入接收數(shù)據(jù)(receive data)74RTS（低）輸出請(qǐng)求發(fā)送(request to send )85CTS（低）輸入允許發(fā)送(clear to send)66DSR

51、（低）輸入數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好(data set ready)57GND-信號(hào)地(signal ground)18DCD（低）輸入載波檢測(cè)(carrier detect)420DTR（低）輸出數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備(data term read)922RI輸入振鈴指示(ring indicator)3.5 本章小結(jié)本章節(jié)主要是針對(duì)下位機(jī)的硬件的各個(gè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的介紹和分析。下位機(jī)主要是將信息進(jìn)行采集，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，然后將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)上。下位機(jī)的最前端就是可選擇的四個(gè)通道所對(duì)應(yīng)的傳感器。將被測(cè)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)的傳感器同時(shí)放到設(shè)定好溫度的爐子中。然后將傳感器返回的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分析，最后通過(guò) MAX202 的

52、通信模塊將信息上傳到上位機(jī)中。硬件部分在實(shí)際的制作中先通過(guò)面包板將元器件連接進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題之后在使用洞洞板進(jìn)行焊接。然后針對(duì)各個(gè)模塊在進(jìn)行測(cè)試。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁(yè)4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)與編程4.1 系統(tǒng)的各個(gè)模塊的流程圖4.1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁(yè)圖 4.1 系統(tǒng)總體流程圖系統(tǒng)總體流程圖如圖 4.1 所示。主要分為兩個(gè)部分，分別是下位機(jī)和 PC 上位機(jī)端口。系統(tǒng)整體的工作流程和上圖的流程圖所表示的是一樣的。下面再進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明。系統(tǒng)在工作的時(shí)候，我們需要先把傳感器放置在預(yù)先設(shè)置好的爐子之中，然后將溫度設(shè)定

53、好。通過(guò)上位機(jī)來(lái)控制選擇測(cè)量哪個(gè)傳感器。然后被測(cè)熱電偶傳感器和標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶傳感器將檢測(cè)的熱電動(dòng)勢(shì)的信號(hào)傳輸給我們系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。將電壓的 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁(yè)模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量信息。然后將數(shù)字量的溫度信息傳輸給主控芯片。控制芯片將數(shù)字信息進(jìn)行一定的數(shù)字信號(hào)處理之后，通過(guò) max202 總線和 PC 端口的上位機(jī)連接。將經(jīng)過(guò)一定的軟件算法處理的溫度信息傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)端接收到數(shù)據(jù)之后再進(jìn)行一定的計(jì)算處理，顯示出被測(cè)熱電偶傳感器和標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶傳感器之間的數(shù)據(jù)差別。將信息處理完畢，在上位機(jī)進(jìn)行實(shí)際的顯示，然后可以將最后的結(jié)果進(jìn)行打印。4.1.2 下位機(jī)處

54、理模塊編程圖 4.2 溫度模塊處理流程圖下位機(jī)模塊編程是在溫度的采集開(kāi)始的。整個(gè)系統(tǒng)最開(kāi)始的部分就是將溫度信息轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)?？刂屏鞒叹秃蜕蠄D所顯示的一樣。我們通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，將具體的熱電勢(shì)和溫度之間的表格信息存儲(chǔ)在單片機(jī)中。其中熱電偶分度表主要是有兩種， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁(yè)分別是精度達(dá)到 1 度的和分度為 10 的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。為了防止在表格查找的時(shí)候存在太大的誤差。我們通過(guò)軟件處理將熱電偶返回的電視差值和溫度曲線進(jìn)行一個(gè)線性化的處理，盡量的減少數(shù)據(jù)處理過(guò)程中存在的誤差。在將熱電偶傳感器的輸入熱電勢(shì)采集回來(lái)之后通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換芯片將模擬量的信息轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量

55、。在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)候就需要對(duì) AD7705 進(jìn)行編程處理。下面就簡(jiǎn)單介紹一下該款模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的具體軟件編程實(shí)現(xiàn)。在主控芯片對(duì) AD7705 進(jìn)行操作的時(shí)候需要分別對(duì)狀態(tài)寄存器，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寄存器，以及和上位機(jī)進(jìn)行通信的通信寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。芯片自身有四個(gè)工作狀態(tài)，通過(guò)設(shè)置狀態(tài)寄存器就可以改變。分別是正常的工作狀態(tài)，如果寄存器的 MD0和 MD1 都是 0 的時(shí)候該芯片就是在正常狀態(tài)下運(yùn)行。這個(gè)時(shí)候芯片可以直接進(jìn)行模擬量到數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng) MD0=1 并且 MD1=0 的時(shí)候芯片是工作在自校準(zhǔn)的狀態(tài)。顧名思義在這種工作狀態(tài)下，芯片不會(huì)馬上進(jìn)行轉(zhuǎn)換工作，需要對(duì)通道寄存器進(jìn)行操作然后激

56、活校驗(yàn)，在自己校驗(yàn)完成之后芯片就會(huì)重新回歸到正常的工作狀態(tài)。第三種和第四種是我們不經(jīng)常使用的，分別是零標(biāo)度的一個(gè)校驗(yàn)和滿(mǎn)標(biāo)度的校驗(yàn)。對(duì)狀態(tài)寄存器設(shè)置完成之后，需要對(duì)芯片的數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行設(shè)置。本芯片的數(shù)據(jù)寄存器是一個(gè)十六位的只能讀的寄存器，需要先對(duì)寄存器進(jìn)行清除。不可以向本寄存器寫(xiě)任何的數(shù)據(jù)和命令。之后需要對(duì)芯片的通信寄存器進(jìn)行操作。通信寄存器是一個(gè)支持讀功能同時(shí)也支持寫(xiě)功能的八位的數(shù)據(jù)寄存器。如果芯片需要和外部的任何設(shè)備進(jìn)行通信就必須對(duì)本寄存器進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)選擇該寄存器可以對(duì)其他的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行相應(yīng)的操作。在下位機(jī)進(jìn)行模擬量和數(shù)字量之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化之后。系統(tǒng)還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一下算法的處理。下

57、面就針對(duì)濾波算法進(jìn)行相應(yīng)的介紹。4.1.3 數(shù)字濾波控制芯片接收到 AD7705 上傳的數(shù)字量的信息之后，就會(huì)對(duì)數(shù)字信息先進(jìn)行一下數(shù)字濾波處理。下面就對(duì)控制芯片中使用的數(shù)字濾波算法進(jìn)行檢驗(yàn)要的說(shuō)明。下位機(jī)的主要作用就是對(duì)傳感器的信息進(jìn)行采集并且將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)上。在任何的系統(tǒng)中不管是由于輸入信號(hào)自身引起的，還是系統(tǒng)所處的環(huán)境因素引起的，系統(tǒng)中都會(huì)存在一些噪聲和其他干擾。這樣干擾對(duì)最后的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生或大或 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁(yè)小的影響。所以我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中都會(huì)加入一些濾波部件，包括硬件濾波和軟件上利用程序進(jìn)行的濾波。硬件濾波的方法主要是加入電阻和電容組

58、成一些 RC 濾波電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲干擾的濾除。在軟件方面的濾波算法主要是有限制幅值的濾波算法，滑動(dòng)平均值，算術(shù)平均值濾波中位值濾波等幾種。其中滑動(dòng)平均值算法主要是在有一定的固定的周期的系統(tǒng)中使用的，使用這樣的濾波算法可以很好的抑制周期性的干擾。但是對(duì)應(yīng)的該種濾波算法也有自己的缺陷那就是靈敏度比較低，如果是出現(xiàn)了很多的偶然性誤差的話就會(huì)失去作用。中位值濾波雖然自身可以對(duì)偶然性的誤差有很好的作用。對(duì)溫度和液位這種緩慢變動(dòng)的測(cè)試系統(tǒng)有很好的作用效果。在這個(gè)系統(tǒng)中我們使用的就是軟件方面的濾波。經(jīng)常使用的濾波算法有很多，這里我們使用的是將兩種濾波算法相結(jié)合的一種濾波算法。程序中將算術(shù)平均濾波和幅值濾波

59、相結(jié)合。其中算術(shù)平均值主要是通過(guò)多次的采樣，將多個(gè)的數(shù)字量信息進(jìn)行采集之后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。這樣濾波方法可以較為有效的將系統(tǒng)的隨機(jī)干擾所產(chǎn)生的誤差處理掉，但是缺點(diǎn)在于由于采樣數(shù)據(jù)較多，計(jì)算量較大，耗時(shí)比較長(zhǎng)，所以在對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)中不建議使用。我們本次的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不高，所以采用該濾波方法。還有一個(gè)就是限制幅度的濾波，該種濾波的使用是因?yàn)槲覀兪孪纫呀?jīng)設(shè)定好了爐子的溫度，所以因?yàn)闇囟炔钪邓a(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)這個(gè)模擬量的幅值也是一個(gè)確定的范圍之中。這種濾波的優(yōu)勢(shì)也是可以減少隨機(jī)誤差對(duì)系統(tǒng)的影響。4.1.3 下位機(jī)和上位機(jī)通信上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信主要是通過(guò)串口進(jìn)行的。在通信的過(guò)程

60、中主要是上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送指令，收到指令之后下位機(jī)開(kāi)始控制采集不同通道的傳感器信息。然后進(jìn)行分析處理再通過(guò) max202 傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)收到信息之后會(huì)發(fā)送一個(gè)命令告訴下位機(jī)已經(jīng)收到了準(zhǔn)確的信息。為了保證下位機(jī)傳輸?shù)挠行院蜏?zhǔn)確性，根據(jù) Modbus RTU 通信協(xié)議自己編寫(xiě)了一部分的通信協(xié)議。報(bào)文由起始符、首部、載荷（用戶(hù)數(shù)據(jù)） 、結(jié)束符組成，起始符和結(jié)束符為固定字符。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 26 頁(yè)表表 4.14.1 ModbusModbus RTURTU 通信協(xié)議通信協(xié)議首部域名稱(chēng)說(shuō) 明起始符定義數(shù)據(jù)報(bào)文開(kāi)始，1 個(gè)字節(jié)，固定為 0 x68設(shè)備碼為與其它協(xié)議兼容，該