基于单片机的热电偶测温系统的设计

文章编号:1008-0570(2009)08-2-0088-02

(嵌入式与SOC)2009年第25卷8-2期《微计算机信息》

基于单片机的热电偶测温系统的设计

TheDesignofThermocoupleTemperatureMeasurementSystemBasedonSCM

（西安外事学院）

荆海霞周琳勃王仁道廖娜

JINGHai-xiaZHOULin-boWANGRen-daoLIAONa

摘要:在现代化的工业现场,常用热电偶测试高温,测试结果送至主控机。由于热电偶的热电势与温度呈非线性关系,所以必

须对热电偶进行线性化处理以保持测试精度。该系统通过高精度模/数转换器AD7705对热电偶电动势进行采样、放大,并在单片机内采用一定算法实现对热电偶的线性化处理,再通过数/模转换器AD421进行数/模转换产生4mA~20mA电流,送主控中心。

关键词:热电偶;线性化;AD转换;DA转换;单片机中图分类号:TP273文献标识码:A

技术创新

Abstract:Thermocoupleisusedfrequentlyinhigh-temperaturetestinthemodernizedindustryscene,thenthetestresultsaredeliv-eredtomastercontrolmachine.Asthenon-linearrelationshipbetweenthermoelectricpotentialandtemperature,itmustbecarriedoutonthethermocouplelinearprocessinginordertomaintainaccuracyoftest.Thisarticleisforthelinearizationofthermocouple.Thegeneralideaistostudyhigh-precisionA/DconverterAD7705,whichsamplesandenlargesthethermoelectricpotentialfromthethermocouple,touseacertainalgorithmforthelinearizationprocessinginthemicrocontroller,andtoconvertthedatatoproducethe4mA-20mAcurrentthroughhighprecisionA/DconverterAD421.Keywords:Thermocouple;Linearization;ADconversion;DAconversion;Single-chip-micro-computer

1引言

热电偶是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、热惯性小、稳定性及复现性好、温度

自动纪录和集中控制，测量范围宽等优点，适用于信号的远传、

在温度测量中占有重要地位。但由于热电偶的热电势与温度呈

自非线性关系，增加了显示与处理的复杂性；且随着工业发展、

动化的不断加强，对温度精度要求越来越高。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和D/A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。

本文提出的系统以单片机为核心，硬件设计使用高精度模/数转换器AD7705和高精度数/模转换器AD421，分别实现对热电偶电动势的采样、放大、AD转换和对线性化处理的数据转换，软件设计提出一种“最佳非等距离分段算法”，并在程序中

试验结果表明，采用修正后的数据，实现热电偶的线性化处理。

该系统能很好的解决热电偶测试高温的精度问题，使仪器仪表精度达到1/1000，满足工业设计要求。

精度DA转换器AD421，在电路设计上，采用光隔离，控制

AD421完成其功能，AD421为16位高精度数/模转换器，它将来自单片机线性化处理后的数据进行DA转化，产生4mA-20mA电流，送控制中心。

图1系统框图

2.1模/数转换电路

2硬件电路设计

本设计是基于STC89C52单片机的硬件设计。系统总原理

框图如图1所示。

控制电路以单片机为中心，控制其他部分完成各自的功能。其中模/数转换部分采用16位高精度AD转化器AD7705，采用自校准，提高其抗干扰能力和精度；数/模转换部分采用高

荆海霞:教师讲师硕士

-88-360元/年邮局订阅号：82-946图2AD转化电路

模/数转换电路部分，采用16位、双通道、低成本、高精度模/数转换功能的AD7705。AD7705是AD公司推出的16位∑－Δ（电荷平衡式）A/D转换器，包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路、∑－Δ调制器及可编程数字滤波器等，能直接对来自传感器的微弱信号进行A/D转换。此外他还具有高分辨率、宽动态范围、自校准，低功耗及优良的抗噪声性能，因此非常适用于仪表测量和工业控制等领域。使用时通过单片机控制其单双极性、增益倍数、选择通道的输入和

《现场总线技术应用200例》

您的论文得到两院院士关注单片机开发与应用

工作模式的选择等；用AD584基准芯片为AD7705采集模块提供基准电压，使AD7705可以正常且稳定的工作。模/数转换部分电路如图2所示。

2.2数模转换电路

数/模转换部分采用16位高精度数/模转换器AD421。AD421是美国AD公司推出的一种单片高性能数模转换器(DAC)，它由电流环路供电，16位数字信号以串行方式输入，4-20mA电流输出，可实现低成本的远程智能工业控制。AD421内部含有电压调整器可提供+5V，+3.3V或+3V输出电压，还含有+1.25V，+2.5V基准电源，均可为其自身或其它电路选用。AD421采用Σ-ΔDAC结构，保证16位的分辩率和单调性，其积分线性误差为±0.001%，失调误差为±0.1%，增益误差为±0.2%，其标准的三线串行接口可在10Mbps下运行，便于与通用微处理器或微控制器相连。由于篇幅有限，这里只给出了DA转换电路的主要组成部分，其中起隔离作用的光耦合电路略去。电路如图3所示。

4试验及结果分析

整体设计和调试，以K分度热电偶为例。通过调节滑动变阻器，模拟补偿后的K分度热电偶的热电势，送入AD7705完成模/数转换,转换后的数据送入单片机进行线性化处理，使处理后单片机输出的数据与温度呈现线性关系；最后再将线性化后的数据，送至AD421经数/模转换，输出电流值。

试验结果数据如下表所示：

可见，该误差已在1‰内，满足了工业生产的要求。

5结束语

本文以STC89C52单片机为核心，进行对系统控制和线性化算法的运算，充分利用AD7705内带校准系统，使A/D转换精度更好，同时采用AD421完成D/A转换；在算法处理上，提出一种“最佳非等距离分段算法”，使得线性化算法具有运算量小、处理速度快、占用内存小等优点。测试结果表明，该系统已满足工业标准1‰的要求。

本文作者创新点：为了保证成本，仍沿用了传统的以单片机为核心的热电偶测温系统的处理方法，但由于采用了良好的线性化算法，编程又采用可节约内存的汇编语言，使得测量速度快，测量结果能满足工业标准的要求。参考文献

朱月秀，冷祖祁.单片机基础(第3版)[M].北京:北京航[1]李广第，

空航天大学出版社,2007.6

[2]孙红均,张涛,王超.智能仪器仪表[M].北京:清华大学出版社,2007

[3]陈正,喻红.热电偶测温的线性化处理模块[J].计量技术,1999,12:23-25

周凤星，马亮．基于单片机的电阻炉温度控制系统设[4]吕小红，

计［J］．微计算机信息，2008,6-2：119-120作者简介:荆海霞（1976-），女，山西万荣人，西安外事学院信息工程学院专职教师，讲师，2003年毕业于西北工业大学电子工程系系统工程专业，硕士。主要从事电子线路、信号与系统、数据融合方面的教学与科研工作。

Biography:JINGHai-xia(1976-),female,borninWanrongofShanxiProvince,receivedtheMaster’sdegreeinNorthWesternPolytechnicalUniversity,lectureofXi’anInternationalUniversi-ty,engagedintheteachingandscientificreseachofelectroniccircuits,signalsandsystemsanddatafusion（710077西安外事学院信息工程学院）荆海霞周琳勃王仁道

廖娜

（CollegeofInformationEngineering，Xi’anInternationalUniversity，Xi’anShanxi，710077，China）JINGHai-xia

技术创新

图3DA转化电路

3软件设计

软件是整个系统的灵魂，它是算法和功能实现的关键。该部分主要完成的任务是：（1）A/D转换器的配置、启动和数据读取。（2）对信号的线性化处理。（3）D/A转换器的配置和数据读取。其中线性化算法主要参考“最佳非等距线性插值算法在热敏电阻测温中的应用”，提出一种“最佳非等距离分段算法”，根据标度转换，在不同的分段上推导出y?kx?b的线性化算法。该算法运算量小，程序中不进行查表，提高了程序的运行速度，使热电偶线性化处理速度得以提高。根据以上任务得主程序流程图如图4所示。

ZHOULin-boWANGRen-daoLIAONa

通讯地址：（710077西安西安外事学院（北教学区）信息工程学

院）荆海霞

图4DA转化电路

《PLC技术应用200例》

(收稿日期:2009.07.05)(修稿日期:2009.08.05)

邮局订阅号：82-946360元/年-89-