发布时间 : 星期一 文章MCS-51单片机温度检测系统的设计更新完毕开始阅读15d356285727a5e9856a61b3
2006级本科毕业设计论文
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度不同时，如果T＞T0 （如图4.2热电效应），在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，此种现象称为热电效应。该电动势就是著名的“塞贝克温差电动势”，简称“热电动势”，记为EAB，导体A，B称为热电极。接点1通常是焊接在一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端(或工作端热端）。接点2要求温度恒定，称为参考端（或冷端）。由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。
图4.2 热电效应（T>T0）
热电动势是由两种导体的接触电势（珀尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。
导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体A与B接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NA＞NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则获得电
子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子的扩散，达到动平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其大小为：
eAB??kT/e?ln?NA/NB? 式 4-1
式中k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；
e——电子电荷量，e＝1.6×10-19 C； T——接触处的温度，K；
NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。
因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温端（T）电子将向低温端（T0）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电势，它与温度的关系为：
e???dTT0T 式4-2
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端的温度有关。
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式中σ为汤姆逊系数，表示温差1℃所产生的电动势值，其大小与材料性质及两
导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB(T)与eAB(T0)，又因为T＞T0，在导体A和B中还各有一个温差电势。所以闭合回路总热电动势EAB(T,T0)应为接触电动势和温差电势的代数和，即：
EAB?T，T0??eAB?T??eAB?T0?????A??B?dT 式4-3
T0T对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度T的单值函数，即EAB(Ｔ,T0)=f(T)。这就是热电偶测量温度的基本原理。
在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。 4.2.3 系统组成
R2R6R110K1123U3DALM32410K100K1R5432U3CA11LM324C20.1PRW15001200KVTL1R349.1KL3C10.1PR49.1K地
图 4.3 热电偶测温回路组成
4.2.4 系统分析计算
此电路是反相比例运算电路和同相运算放大电路，热电偶传输来的弱电流信号经过次电路的两极放大，最终得到一个直流电压值，输入到A/D转化器中。
反相例运算运算电路，输入信号从反相输入端输入，同相输入端通过电阻接地。放大倍数 A=-R2/R1=-100K/10K=-10 其中负号表示输出电压与输入电压的相位相反，改变R1和R2的比值，即可改变其放大倍数。其中运放的同相输入端接有电阻R3，参数选择应使两输入端外接直流通路等效电阻值平衡，即R3=R1//R2，静态时，使输入级偏置电流平衡并让输入级的偏置电流在运算放大器两个输入端的外接电阻上产生相等的压降，以便消除放大器的偏置电流及其漂移的影响，故R2又称平衡电阻。
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同相比例运算放大电路，输入信号从相同输入端输入，而反相输入端通过电阻接地，并引入负反馈。其放大倍数A=1+（RW1+R6）/R5其总的放大倍数A=-R2/R1*（1+（RW1+R6）/R5）通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量。
4.2.5 芯片LM324的介绍
由于热电偶产生的电量过小，所以要经过两级放大。LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图4.4所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
图4.4 LM324外形图
图4.5 外部连接示意图
4.2.6 常用的几种热电偶
适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40～50种。
国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为标准化热电偶，我国标准化热电偶也有8种。分别是：铂铑10-铂(分度号为S)、铂铑13-铂(R)、铂铑30-铂铑6(B)、镍铬-镍硅(K)、镍铬-康铜(E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。下面介绍两种常见材料的热电偶的使用参数。
镍铬-镍硅(镍铝)热电偶：
镍铬为正极，镍硅为负极，分度号为K。其特点是：使用温度范围宽（-50～1300℃），
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高温下性能较稳定，热电动势和温度的关系近似线性，价格便宜，因此是目前用量最大的一种热电偶。它适用于在氧化性和惰性气氛中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃
镍铬-康铜热电偶：
这种热电偶分度号为“E”。它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金(铜55%，镍45%)。测温范围为-200～+1000℃。其特点是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。
由于应用场合和测温环境的不同，在选择热电偶的分度号上是有所不同的，其原因是制作热电偶的材料不同，决定了它的特性，从而直接导致了所测温度环境的选择。在此设计中，温度显示系统用在电阻炉炉温的显示中，所以我们选择了镍铬-镍硅(镍铝)热电偶，分度号为K。
4.3 A/D转换器---ADC0809介绍
A/D转换器(Analog-Digital Converter)是一种能把输入模拟电压或电流变成与其成正比的数字量的电路芯片，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。 A/D转换接口技术的主要内容是合理选择A/D转换器和其他外围器件，实现与单片机的正确连接以及编制转换程序。
ADC0809是逐次逼近型8位单片A/D转换芯片。片内有8路模拟开关，可以输入八个模拟量，单极性，量程为0—5伏，典型的转换速度为100μS，片内带有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。其性能价格比有明显的优势，是目前比较广泛采用的芯片之一。
4.3.1 ADC0809的工作过程
ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 4.3.2 ADC0809管脚结构图
模数转换芯片ADC0809的管脚分布如下图4.6所示：