1、摘 要隨著工農業生產對溫濕度的要求越來越高，準確測量溫度變得至關重要。本文設計主要是針對惡劣環境下的工業現場以及高科技大范圍的農業現場，布線困難，浪費資源，占用空間，可操作性差等問題做出的一個解決方案。該方案主要是利用熱電偶采集外界的溫度，利用無線傳輸實現在上位機顯示采集到的溫度，并對數據進行相應的對比和處理。本文主要利用兩路熱電偶采集溫度的模擬量，并且利用熱電偶串行模數轉換器實現信號放大、冷端補償和A/D轉換，再由單片機進行處理，并通過無線傳輸模塊將測量的數值傳輸給PC機，在PC機上實現數據的對比，從而可以對工業現場和農業現場的環境溫度進行實時監測，并且利用該設計還可以實現對熱電偶測量準確度

2、的現場檢測。本設計結構簡單，但應用范圍廣泛，使用方便，而且節約資源，同時可以進行遠距離的監控。關鍵詞：溫度數據采集，無線傳輸，熱電偶，單片機，PC機Abstract With the more and more request of industry and agriculture production in the temperature, it become very important to survey the temperature accurately. This article is designed for harsh environments and high-tech in

3、dustries at the scene of large-scale agriculture at the scene, wiring problems, waste of resources, space, and make operational a poor solution. This design is mainly to use the thermocouple to gather temperature, and then use the wireless transmission to reveal the gathered temperature on the posit

4、ion machine, and comparison of data and processing the corresponding. This design mainly uses two thermocouple to gather the analog quantity of the temperature and uses the thermocouple serial ADC to achieve signal amplification, cold junction compensation and the A / D conversion, and then the digi

5、tal quantity will be able to be distinguished by the microchip and then transmitted through the wireless transmission module to the PC, and to achieve the compare of data, then the temperature of the scene of industrial and agricultural can be monitored in any time, and through this design we can de

6、tect the accuracy of thermocouple at the scene of measurements. This system is of simple structure, but in extensive application range, easy being used. Moreover, it saves resources and also, the long range monitor may be carried on at the same time.Key words: temperature data acquisition, wireless

7、transmission, thermocouple, single-chip, PC目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 引 言11.1 課題的背景和意義11.2 無線溫度采集原理21.3無線溫度采集的發展狀況41.4無線溫度采集系統的研究內容6第二章 總體方案設計72.1任務要求72.2總體方案的論證72.3總體方案的選擇10第三章 單元電路的設計123.1溫度傳感器信號調理電路123.1.1 熱電偶123.1.2溫度數據采集部分的放大電路183.1.3自動檢測部分的信號放大器213.2 無線收發模塊263.2.1無線收發芯片的選擇263.2.2 PTR8000無線數據傳輸

8、模塊283.2.4 PTR8000的工作過程323.3單片機與PC機接口數據傳輸電路323.4 單片機343.4.1 單片機的特點343.4.2 單片機系統設計353.4.3 單片機與各芯片的連接電路363.4.3 軟件設計383.5直流穩壓電源40結 論42參考文獻43致 謝44附錄一 發射部分電路圖45附錄二 接收部分電路圖46第一章 引 言1.1 課題的背景和意義隨著社會的進步和生產的需要，利用無線通信進行溫度數據采集的方式已經滲透到社會生活生產的每一個角落，溫度測量的準確度在影響生產效益的同時也在逐步得到社會的重視。在工業現場，由于生產環境惡劣，工作人員不能長時間停留在現場觀察設備是否

9、運行正常，就需要采集數據并傳輸數據到一個環境相對好的操控室內，工作人員可以在這里將控制指令傳輸給現場執行模塊進行各種操作。這樣就會產生數據傳輸問題，由于廠房大、需要傳輸數據多，使用傳統的有線數據傳輸方式就需要鋪設很多很長的通訊線，浪費資源，占用空間，可操作性差，出現錯誤換線困難。而且，當數據采集點處于運動狀態、所處的環境不允許或無法鋪設電纜時，數據甚至無法傳輸，此時便需要利用無線傳輸的方式進行數據采集。在農業生產上，不論是溫室大棚的溫度監測，還是糧倉的管理，傳統上都是采取分區取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和糧倉占地面積大，檢測目標分散，測點較多，傳統的方法已經不能滿足當前農業發展

10、的需要。當前的科技水平下，無線通信技術的發展使得溫度采集測量精確，簡便易行。在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會安裝室內溫度采集控制系統，其原理就是利用無線通信技術采集室內溫度數據，并根據室內溫度情況進行遙控通風等操作，自動調節室內溫度濕度，可以更好地改善人們的居住環境。以上只是簡單列舉幾個現實的例子，在現實生活中，這種溫度采集系統已經被成功應用于工農業、環境監測、軍事國防、機器人控制等許多重要領域，而且類似于這種溫度采集系統的無線通信網絡已經被廣泛的應用到民用和軍事領域。因此，對于如何利用無線通信技術進行數據采集，尤其是如何提高無線數據采集的精度等

11、課題的研究就變得非常的有意義。1.2 無線溫度采集原理1.無線溫度采集的原理無線溫度采集的原理如下：溫度傳感器將被測點的溫度采集后輸出的模擬信號逐步送往信號放大電路、低通濾波器以及A/D轉換器（即信號調理電路），然后在單片機的控制下將A/D轉換器輸出的數字信號傳送到無線收發芯片中，并通過芯片的調制處理后由芯片內部的天線發送到上位機，在上位機模塊中，發送來的數據由單片機控制的無線收發芯片接收并解調，最后通過接口芯片發送到PC機中進行顯示和處理。2.溫度傳感器簡介在采集被測點溫度時會用到溫度傳感器。溫度傳感器就是能夠感知和測量環境中某點溫度的一種敏感器件，它將環境中的溫度或與溫度有關的參量的信息轉

12、換成電信號，根據這些電信號的強弱便可獲得被測點在環境中的溫度信息，從而可以進行檢測、監控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、監控、報警系統。溫度測量方法有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。接觸式測溫是，溫度敏感元件與被測對象接觸，經過換熱后兩者溫度相等。目前常用的接觸式測溫儀表有：1) 膨脹式溫度計。一種是利用液體和氣體的熱膨脹及物質的蒸汽壓變化來測量溫度，如玻璃液體溫度計和壓力式溫度計；另一種是利用兩種金屬的熱膨脹差來測量溫度，如雙金屬溫度計。2) 熱電阻溫度計。它利用固體材料的電阻隨溫度而變化的原理測量溫度，如鉑電阻、銅電阻和熱敏電阻。3) 熱電偶溫度計。它利用熱電效應測量溫度。

13、4) 其他原理的溫度計。例如，基于半導體器件溫度效應的集成溫度傳感器 、基于晶體的固有頻率隨溫度而變化的石英晶體傳感器等。接觸式測溫的測量方法比較直觀、可靠，測量儀表也比較簡單。但是，由于敏感元件必須與被測對象接觸，在接觸過程中就有可能破環被測對象的溫度場分布，從而造成測量誤差。有的測溫元件不能和被測對象充分接觸，不能達到充分的熱平衡，使測溫元件和被測對象溫度不一致，也會帶來誤差。在接觸過程中，有的介質有強烈的腐蝕性，特別在高溫時對測溫元件的影響更大，從而不能保證測溫元件的可靠性和工作壽命。非接觸測溫時，溫度敏感元件不與被測對象接觸，而是通過輻射能量進行熱交換，由輻射能的大小來推算被測物體的溫

14、度。目前常用的非接觸式測溫儀表有：1) 輻射式溫度計。其測量原理是基于普朗克定理，如光電高溫計、輻射傳感器、比色溫度計。2) 光纖式溫度計。它是利用光纖的溫度特性來實現溫度的測量，或者僅僅是光纖作為傳光的介質。如光纖溫度傳感器、光纖輻射溫度計。目前在高溫測量中，應用最廣泛的是非接觸式測溫儀表，主要應用在冶金、鑄造、熱處理，以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業生產過程中。任何物體處于絕對零度以上時，因其內部帶電粒子的運動，都會以一定波長電磁波的形式向外輻射能量，只是在低溫段這種能量很弱。輻射式測溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。在測量時，只需把溫度計光學接收系統對準被測物體，而不

15、必與物體接觸，因此，可以測量運動物體的溫度且不破壞物體的溫度場。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達到被測物體的實際溫度，從理論上講，沒有上限，可以測量高溫。但是，這樣的非接觸式測溫儀表的測量精度一般不高。為了采集特定點的溫度，并在上位機上進行顯示和控制，要求所使用的溫度傳感器必需有一定的精度，顯然使用非接觸式測溫儀表就不是非常合適。而在接觸式測溫儀表中，熱電阻式傳感器的測溫范圍主要在中、低溫區域（-200650），且線性度較差，只在某一較窄范圍內有較好的線性度，由于是半導體材料，其復現性和互換性較差；熱電偶傳感器是一種將溫度轉換為電勢變化的傳感器，在工業生產中，熱電偶是應用最廣泛的測溫元件

16、之一，其主要優點是測溫范圍廣，可以在1K至2800的范圍內使用，精度高，性能穩定，結構簡單，動態性能好，把溫度轉換為電勢信號便于處理和遠距離傳輸。這樣通過比較可以明顯看出，在工業測溫上，熱電偶是比較實用的溫度傳感器，因此在本設計中使用的測溫儀表也將是熱電偶。表1-1為國際電工委員會（IEC）推薦的8種標準化熱電偶的特性1。 表1-1標準熱電偶的特性熱電偶種類優 點缺 點B適于測量1000以上的高溫；常溫下熱電動勢極小，可不用補償導線；抗氧化、耐化學腐蝕在中低溫領域熱電動勢小，不能用于600以下；靈敏度低；熱電動勢的線性不好R,S精度高、穩定性好，不易劣化；抗氧化、耐化學腐蝕；可作標準靈敏度低；

17、不適用于還原性氣氛（尤其是氫氣、金屬蒸汽）；熱電動勢的線性不好；價格高N熱電動勢線性好；1000以下抗氧化性能良好；短程表序結構變化影響小不適用于還原性氣氛；同貴重金屬熱電偶相比，時效變化大K熱電動勢線性好；1000下抗氧化性能良好；在廉價金屬熱電偶中穩定性更好不適用于還原性氣氛；同貴重金屬熱電偶相比，時效變化大；因短程有序結構變化而產生誤差E在現有的熱電偶中，靈敏度最高；同J型相比，耐熱性能良好；兩極非磁性不適用于還原性氣氛；熱導率低具有微滯后現象J可用于還原性氣氛；熱電動勢較K型高20左右鐵正極易生銹；熱電特性漂移大T熱電動勢線性好；低溫特性好；產品質量穩定性好；可用于還原性氣氛使用溫度低

18、；銅正極易氧化；熱傳導誤差大1.3無線溫度采集的發展狀況1.傳感器網絡無線溫度采集系統實際上是一個傳感器網絡，即將多個傳感器通過近距離通信和數據交換技術組成的網絡，是近年來迅速發展的新技術，它融傳感器與通信技術于一體，具有很大的發展前景。這種傳感器網絡綜合了傳感器技術、計算機技術、信息處理技術和通信技術，能夠實時監測、采集網絡分布區域內的信息，進行處理后傳送到用戶。因而傳感器網絡在檢測精度、空間的廣度與分辨率等方面都將傳感器技術推向了一個新的高度，成為近年來引人注目的高科技領域。20世紀90年代美國五角大樓提出了“智能塵埃”的設計思想，目的是在戰場上拋灑數千個微小的具有無線通信功能的傳感器模塊

19、，用于監控敵人的活動情況?！爸悄軌m?！睂ο嚓P原始數據進行過濾，通過自組織的無線傳感網絡把重要的信息發送給指揮部。2006年Dust Networks公司在Electronica大會上發布了世界上首個無線傳感器網絡系統級芯片（SoC）。Dust Networks在這張名為“智能塵?！钡男酒霞闪藰嫿ǚ峙涫絺鞲衅骶W絡所需的所有硬件和軟件功能。經過近幾年的發展，這種芯片體積越來越小，功能越來越完備，在天氣預報、環境監測以及軍事領域的應用前景十分廣泛。這種“智能塵埃”就是一種典型的傳感器網絡。2.無線溫度采集系統的發展現狀 近幾年，無線溫度采集系統被廣泛應用于工業、農業以及軍事等領域中，甚至已經延伸

20、到人們的日常生活中，將會成為人們生活不可或缺的一部分。因此，目前對無線溫度采集系統的研究成為很多學者關注的對象。隨著對無線溫度采集系統的應用越來越廣泛，設計方法也越來越多樣化。例如，基于ZigBee技術的遠程無線溫度測控系統，采用ZigBee技術的無線傳感網絡與GPRS網絡相結合的體系結構，基于CC2430芯片設計無線傳感節點，并開發其軟件，該系統性能穩定，具有靈活性和可擴展性，功耗低，可靠性高；還有基于射頻的數據采集與無線傳輸系統，采用AT89S52單片機控制數字式溫度傳感器采集數據，并用射頻芯片nRF401（采用抗干擾能力較強的FSK調制/解調方式）實現數據的發送和接收；還有基于PXA20

21、7的無線模塊監控系統，以IntelXScale架構的PXA207嵌入式微處理器為核心，集嵌入式WEB服務、無線控制、溫度采集于一體，實現了智能信息無線網絡控制；還有基于藍牙技術的溫度數據采集系統，使藍牙系統工作在ISM（Industrial Scientific Medical）公用頻段，采用時分雙工傳輸技術和高斯頻移鍵控（GFSK），以二進制格式傳輸數據，且具有直接進行數字信號輸入輸出功能，由于藍牙射頻IC的外圍電路元件極少（例如nRF401、240X系列其外圍元件僅10個左右），因此不但可以大大簡化無線數據傳輸或遙測系統的設計，還可降低成本，提高系統的可靠性。2由于計算機技術的迅速發展和普

22、及以及通信技術的飛速發展，目前世界上的科技大國都高度重視無線通信技術在民用和軍事方面的應用。無線通信網絡已經成功應用于無線抄表、軍事國防、工農業、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制、機器人控制等許多重要領域。1.4無線溫度采集系統的研究內容由于無線溫度采集系統多用于工農業等環境惡劣的領域，而且對溫度測量的準確性有著較高的要求。因此，本課題的目的是對被測點的溫度進行數據采集，并對所使用的熱電偶進行自動檢測。具體所做工作如下：1 在查閱了大量的科技文獻后，分析了各方案的優缺點，并選用合適的熱電偶進行溫度數據采集。2 設計了放大電路等信號處理電路，為實現數據的顯示與對

23、比做好準備。3 采用無線通信芯片來實現遠距離的數字信號傳輸，使得技術人員可在環境適宜的操控室內進行環境溫度的數據采集和處理。4 使用單片機實現對數據采集、無線發送與接收的控制，更好地實現了系統的自動化。第二章 總體方案設計2.1任務要求本次設計的任務，是設計一個基于單片機的無線溫度采集系統，測溫范圍是01024，用于工業高溫爐等工業場所。要求實現在單片機的控制下采集數據信息，經過放大濾波等一系列處理后由無線收發芯片發送至上位機，并在上位機中的單片機的控制下接收數據信號，最后在PC機上顯示和對比。此外，還需設計上述電路所需的直流穩壓電源。2.2總體方案的論證能實現本次設計任務要求的方案不只一種，

24、它們各有利弊。工作環境、測量精度、要求不相同時，選擇的方案亦有所區別。所以，我們要根據設計的具體要求，對能實現設計的多種方案進行論證，從中選擇出適合設計要求的最佳方案。1方案一方案一的原理框圖如圖2-1所示。方案一所設計的無線溫度采集系統主要由一個上位機模塊和一個下位機模塊組成，上位機模塊和下位機模塊之間采用無線數據通道聯系。上位機模塊能對整個無線數據采集系統的運行進行管理和控制，下位機模塊主要實現溫度的多點數據采集。下位機模塊以單片機為控制核心，主要包括溫度傳感器信號調理電路、模數轉換電路和無線發射電路。上位機模塊主要是單片機控制下的無線接收電路和PC機與無線收發單元間的串口通信電路。（1）

25、溫度傳感器信號調理電路溫度傳感器信號調理電路主要包括熱電偶、信號放大器和低通濾波器，完成溫度數據采集的功能。其中熱電偶將溫度信號轉換成電壓量；放大器將傳感器輸出的小信號放大，放大器的輸出結果滿足模數轉換的轉換范圍。（2）模數轉換電路模數轉換電路是用A/D轉換器接收來自放大器的模擬信號，并將其轉換成數字信號提供給發射電路。（3）無線發射電路無線發射電路是由單片機控制，從發送端（模數轉換）接收數據，并用無線收發芯片對收到的數據進行編碼，然后通過輸出端口輸出。（4）無線接收電路無線接收電路是接收發射電路發送的信號，通過無線收發芯片進行譯碼，成為上位機可顯示的數據。（5）PC機與無線收發單元間的通信電

26、路 系統采用一個接口芯片連接PC機與無線收發單元，通過該接口芯片實現數據傳送和在PC機上顯示溫度采集結果。熱電偶信號放大器低通濾波器模數轉換器單片機無線發射芯片信號調理電路無線接收芯片單片機接口芯片PC機圖2-1 方案一2方案二方案二的原理框圖如圖2-2所示。方案二所設計的無線溫度采集系統同樣是由一個上位機模塊和一個下位機模塊構成，上位機模塊與下位機模塊之間采用無線數據通道聯系。上位機模塊能對整個無線數據采集系統的運行進行管理和控制，下位機模塊主要實現溫度的多點數據采集。下位機模塊包括兩部分電路，一路是數據采集部分，一路是熱電偶自動檢測部分；上位機是單片機控制下的無線接收電路和PC機與無線收發

27、單元間的串口通信電路。（1）溫度傳感器信號調理電路數據采集部分的信號調理電路主要包括熱電偶溫度采集電路的電流信號輸出和信號放大器2個模塊，完成被測熱電偶的數據采集功能。其中熱電偶溫度采集電路的電流信號輸出是420mA的弱電流；放大器將上一級輸出的420mA的弱電流轉換為電壓信號并放大，放大器的輸出結果滿足模數轉換的轉換范圍。熱電偶自動檢測部分的信號調理電路主要由標準熱電偶、信號放大器組成，完成對被測熱電偶的自動檢測功能。其中標準熱電偶將高溫爐被測點溫度信息轉換成電壓量；信號放大器將標準熱電偶輸出的小信號放大，放大器的輸出結果滿足模數轉換的轉換范圍。（2）模數轉換電路模數轉換電路是用A/D轉換器

28、接收來自放大器的模擬信號，并將其轉換成數字信號提供給發射電路。（3）無線發射電路無線發射電路是由單片機控制，從發送端（模數轉換）接收數據，并用無線收發芯片對收到的數據進行編碼，然后通過輸出端口輸出。（4）無線接收電路無線接收電路是接收發射電路發送的信號，通過無線收發芯片進行譯碼，成為上位機可顯示的數據。（5）PC機與無線收發單元間的通信電路 系統采用一個接口芯片連接PC機與無線收發單元，通過該接口芯片實現數據傳送和在PC機上顯示溫度數據采集的結果以及被測熱電偶的檢定結果。標準熱電偶熱電偶溫度采集電流信號輸出信號放大器模數轉換器無線發射芯片信號調理電路單片機無線接收芯片單片機接口芯片PC機信號放

29、大器模數轉換器圖2-2 方案二2.3總體方案的選擇方案一與方案二的共同之處在于，二者都使用了熱電偶、信號放大器、模數轉換器、無線收發芯片、單片機以及PC機，基本的工作方式很相似。二者的不同之處可通過原理圖看出。方案一是對一個定點進行溫度數據采集，經過各部分電路的處理后，通過無線通信的方式發送到PC機上進行顯示，很顯然，這是典型的一路無線溫度采集系統；方案二是在溫度數據采集的同時對使用的熱電偶進行自動的現場檢定，兩部分的數據通過無線傳輸的方式發送到PC機上進行顯示和對比，從而確定被測熱電偶的性能情況，這是帶自動檢定的無線溫度采集系統。熱電偶使用一段時間后，為保證其準確度和正常使用，要進行周期檢定

30、。工業上通常采用直接比較法檢定，比較法檢定是被測熱電偶和標準熱電偶直接比較的一種檢定方法。檢定時，把被測熱電偶與標準熱電偶捆扎在一起送入檢定爐，測量端應位于檢定爐均勻的高溫區中，檢定爐內的溫度應恒定在被測溫度點3。在工業上，傳統的檢定裝置由程序給定器、PID調節器、溫度顯示記錄儀、可控硅等組成控制系統來控制溫度，等待爐溫穩定后，用手動電位差計測量毫伏電動勢，或用惠斯登電橋手動測量熱電偶，然后手動查表、數據處理。這種方法操作繁瑣、耗時長、浪費能源，也易帶來一些人為誤差。方案二設計的就是一種簡易的帶有自動檢定裝置的無線溫度采集系統，可以自動給定檢定溫度4。從根本上說，方案一與方案二的工作原理十分相

31、似，但是它們有著最大的區別就是方案二有熱電偶自動檢定系統，可以對使用中的熱電偶進行現場檢定，這對提高溫度測量精度和提高工作效率有著至關重要的意義。最后，通過比較，我們可以看出方案二相對于方案一來說有著不可替代的優勢，因此我們確定方案二為本次設計的最終方案。第三章 單元電路的設計基于第二章總體方案的設計，在這一章中，將總體電路劃分為溫度傳感器信號調理電路、無線收發模塊、電平轉換器、單片機電路以及直流電源穩壓電路。下面分別介紹它們的工作原理及電路結構。3.1溫度傳感器信號調理電路熱電偶溫度采集電流輸出信號放大電路圖3-1數據采集部分的信號調理電路標準熱電偶信號放大器圖3-2 熱電偶自動檢定部分的信

32、號調理電路上位機中數據采集部分的信號調理電路框圖如圖3-1所示，熱電偶自動檢定部分的信號調理電路框圖如圖3-2所示。數據采集部分的信號調理電路由熱電偶溫度采集電流輸出電路和信號放大電路組成；熱電偶自動檢定部分的信號調理電路由標準熱電偶和信號放大器組成。這一模塊的功能就是將采集到的溫度數據轉換成電信號并放大，為進行后面的無線數據發送做好準備。3.1.1 熱電偶1.熱電偶的功能熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉換為電勢變化的傳感器。在工業生產中，熱電偶是應用最廣泛的測溫元件之一。在數據采集與控制系統中，熱電偶處于研究對象與測控系統的接口位置，是感知、獲取與檢測信息的窗口，對系統的功能起了決定性的作用。

33、因此，只有根據系統要求，選擇合適的熱電偶，才能得到精確可靠的溫度數據。2.熱電偶的工作原理目前對熱電偶的工作原理有兩種解說，都應該是正確的，下面我們將分別介紹這兩種說法。（1）熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在Seebeck電動勢熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第

34、三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。（2）兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。3.熱電偶的幾個注意事項熱電偶實際上是一種能量轉換器，它將

35、熱能轉換為電能，用所產生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應注意如下幾個問題： 1) 熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度函數的差，而不是熱電偶兩端溫度差的函數；2) 熱電偶所產生的熱電勢的大小，當熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關； 3) 當熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關；若熱電偶冷端的溫度保持一定，則熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數。4.熱電偶的冷端補償由熱電偶測溫公式得知，熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度有關，而且也與冷端溫度有關，只有當冷端溫度恒定時，才能通過測量熱電勢的大小得到熱端的

36、溫度。當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必需首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩定的地方，在考慮將冷端處理為0，這稱為熱電偶的冷端處理和補償。下面介紹幾種冷端處理的方法：1) 補償導線法補償導線在100（或200）以下的溫度范圍內，具有與熱電偶相同的熱電特性，用它連接熱電偶可起到延長熱電偶冷端的作用。熱電偶補償導線通常有補償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層組成。熱電偶補償導線有兩方面的功能：其一實現冷端遷移；其二是降低電路成本。當熱電偶與測量儀表距離較遠時，使用補償導線，可節約熱電偶材料，尤其對貴金屬熱電偶來說，經濟效益更是明顯。2) 熱電偶冷端溫度恒溫法在一個保溫瓶里放冰水混合物，1個

37、標準大氣壓下（101.325kPa）冰和純水的平衡溫度為0，在密封的蓋子上插入若干支試管，試管的直徑盡量小，并有足夠的插入深度。試管底部有少量高度相同的水銀或變壓器油，若放水銀則可把補償導線與銅導線直接插入試管中的水銀里，形成導電通路，不過在水銀上面應加少量蒸餾水并用石蠟封結，以防止水銀蒸發和溢出。若改用變壓器油代替水銀，則必須使補償導線與銅導線接觸良好。自由端恒溫法適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。3) 冷端補償電橋法補償電橋法是利用直流不平衡電橋產生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值，補償電橋的4個橋臂中有一個臂是銅電阻作為感溫元件，其余3個臂由阻值恒定的錳銅電

38、阻制成。橋臂銅電阻必須和熱電偶的冷端處于同一溫度下。電橋在0設計的銅電阻的阻值與其余3個橋臂電阻相等，這時電橋處于平衡狀態。當冷端溫度變化（比如升高），熱電偶產生的熱電勢也將變化（減小），而此時串聯電橋中的熱電阻阻值也將變化并使電橋兩端的電壓也發生變化（升高）。如果參數選擇得好且接線正確，電橋產生的電壓正好與熱電勢隨溫度變化而變化的量相等，整個熱電偶測量回路的總輸出電壓（電勢）正好真實反映了所測量的溫度值。本次設計的無線溫度采集系統主要用于工業高溫測控方面，因此對熱電偶的準確度要求較高，在這里我們并不采用以上幾種熱電偶冷端補償的方法，而是使用一種芯片，關于該芯片的介紹將在后面的內容中提到。5.

39、標準化熱電偶由熱電偶測溫原理可知，由兩種不同金屬A和B構成一個閉合回路就可以組成熱電偶，但為了保證測溫精度和工程上的各項技術指標，按照工業標準化的要求，可分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶兩種。所謂標準化熱電偶，是指工藝上比較成熟，能批量生產、性能穩定、應用廣泛，具有統一分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國際電工委員會（IEC）共推薦了8種標準化熱電偶，標準化熱電偶分度表及熱電極材料如表3-1所示。表3-1 標準化熱電偶分度表及熱電極材料熱電偶分度號熱電極材料正極負極S鉑銠10純鉑R鉑銠13純鉑B鉑銠30鉑銠6K鎳鉻鎳硅T純銅銅鎳J鐵銅鎳N鎳

40、鉻硅鎳硅E鎳鉻銅鎳下面主要介紹四種標準熱電偶：1) 鉑銠10-鉑熱電偶（S型）鉑銠10-鉑熱電偶為貴金屬熱電偶。電極線徑規定為0.5mm，其正極（SP）的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為10，含鉑為90。負極（SN）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300，短期最高使用溫度為1600。S型熱電偶具有準確度高，穩定性好，測溫溫區寬，使用壽命長等優點。其物理化學性能良好，在高溫下抗氧化性能好，使用于氧化和惰性氣氛中，使用廣泛。S型熱電偶缺點是熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資大。2) 鉑銠30-鉑銠6（B型）鉑銠30-鉑銠

41、6熱電偶為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規定為0.5mm，其正極（BP）和負極（BN）的名義化學成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1600，短期最高使用溫度為1800。B型熱電偶具有準確度高，穩定性好，測溫溫區寬，使用壽命長等優點，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不是用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中。它還有一個明顯的優點是參比端不需進行冷端補償，因為在050范圍內，熱電勢小于3V。B型熱電偶缺點是熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。3) 鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）鎳鉻-鎳硅熱電偶是目前使用量最大的廉

42、價金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和，正極（KP）的名義化學成分為：Ni:Cr=90:10,負極（KN）的名義化學成分為：Ni:Si=97:3。其使用溫度為-2001300。K型熱電偶具有線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩定性和復現性較好，抗氧化性強，價格便宜等優點，能用于氧化性和惰性氣氛中。K型熱電偶不能在高溫下直接用于還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。4) 鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型）鎳鉻-銅鎳熱電偶又稱鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價金屬熱電偶。其正極（EP）為鎳鉻10合金，化學成分與KP相同，負極（EN）為銅鎳合金，名義化學成分為55的銅、45的鎳及少量的鈷、錳、鐵等元素

43、。該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標準熱電偶之最，易制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。E型熱電偶可用于濕度較大的環境里，具有穩定性好，抗氧化性能高，價格便宜等優點。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。標準化熱電偶的熱電勢與溫度之間的關系如圖3-1所示。圖3-1 標準熱電偶的熱電勢與溫度之間的關系 由于本次設計主要是針對工業上的溫度采集，熱電偶不可避免的要用在高溫環境中，而且工業測溫根據性質的不同可能會對熱電偶的精度、靈敏度等技術指標有著不同的要求，因此通過以上對各種標準化熱電偶的比較，我們決定選用K型熱電偶來完成本次設計。3.1.2溫度數據采集部分的放大電路1.放大電路的功能 放大電路是把輸

44、入信號進行放大以供后續電路使用的電路，在設計中一般都會使用集成運放來完成此功能。由于使用熱電偶進行溫度數據采集得到的電信號很微弱，只有經過放大電路放大后才能滿足后續電路對信號的處理范圍。因此可看出，放大電路在整個系統中發揮著舉足輕重的作用。2.集成運放簡介 集成運放是以雙端為輸入，單端對地為輸出的直接耦合型高增益放大器，是一種模擬集成電子器件。集成運放內部電路包括四個基本組成環節，分別是：輸入級、中間級、輸出級和各級的偏置電路。對于高性能、高精度等特殊集成運放，還要增加有關部分的單元電路。例如：溫度控制電路、溫度補償電路、內部補償電路、過流或過流保護電路、限流電路、穩壓電路等。圖3-2所示為集

45、成運放內部電路方框圖5。 輸入 輸出 輸入級中間級輸出級偏置電路圖3-2 集成運放內部電路方框圖目前廣泛應用的電壓型集成運算放大器是一種高放大倍數的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網絡，可實現不同用途的電路，例如利用集成運算放大器可非常方便的完成信號放大、信號運算（加、減、乘、除、對數、反對數、平方、開方等）、信號的處理（濾波、調制）以及波形的產生和變換。集成運算放大器的種類非常多，可適用于不同的場合。按照集成運算放大器的參數來分，集成運算放大器可分為如下幾類。1) 通用型運算放大器通用型運算放大器就是以通用為目的而設計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產品量大面廣，

46、其性能指標能適合于一般性使用。例A741（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放）及以場效應管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應用最為廣泛的集成運算放大器。2) 高阻型運算放大器這類集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般（），為幾皮安到幾十皮安。實現這些指標的主要措施是利用場效應管高輸入阻抗的特點，用場效應管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優點，但輸入失調電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。3

47、) 低溫漂型運算放大器在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。目前常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩零型低漂移器件ICL7650等。4) 高速型運算放大器在快速A/D和D/A轉換器、視頻放大器中，要求集成運算放大器的轉換速率一定要高，單位增益帶寬一定要足夠大，像通用型集成運放是不能適合于高速應用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。常見的運放有LM318、A715等，其，。5) 低功耗型運算放大器由于電子電路集成化

48、的最大優點是能使復雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應用范圍的擴大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為±±，消耗電流為。目前有的產品功耗已達微瓦級，例如ICL7600的供電電源為，功耗為，可采用單節電池供電。6) 高壓大功率型運算放大器運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中，輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成

49、運放的電源電壓可達±150V，A791集成運放的輸出電流可達。3.正確選擇集成運算放大器集成運算放大器是模擬集成電路中應用最廣泛的一種器件。在由運算放大器組成的各種系統中，由于應用要求不一樣，對運算放大器的性能要求也不一樣。在沒有特殊要求的場合，盡量選用通用型集成運放，這樣即可降低成本，又容易保證貨源。當一個系統中使用多個運放時，盡可能選用多運放集成電路，例如LM324、LF347等都是將四個運放封裝在一起的集成電路。評價集成運放性能的優劣，應看其綜合性能。一般用優值系數K來衡量集成運放的優良程度，其定義為：式中，SR為轉換率，單位為V/ms，其值越大，表明運放的交流特性越好；Iib

50、為運放的輸入偏置電流，單位是nA；VOS為輸入失調電壓，單位是mV。Iib和VOS值越小，表明運放的直流特性越好。所以，對于放大音頻、視頻等交流信號的電路，選SR（轉換速率）大的運放比較合適；對于處理微弱的直流信號的電路，選用精度比較高的運放比較合適（即失調電流、失調電壓及溫漂均比較?。嶋H選擇集成運放時，除優值系數要考慮之外，還應考慮其他因素。例如信號源的性質，是電壓源還是電流源；負載的性質，集成運放輸出電壓和電流是否滿足要求；環境條件，集成運放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。在本設計中，根據設計的需求，我們選擇高阻型運算放大器LF356完成數據采集部分的信號放大

51、功能。4.總體放大電路溫度數據采集部分的信號放大電路如圖3-3所示。圖3-3 溫度數據采集部分的信號放大電路 如圖所示，電路中LF356采用對稱雙電源供電方式，這種方式下可把信號源直接接到運放的輸入腳上，而輸出的電壓的振幅可達正負對稱電源電壓。圖中由熱電偶溫度采集部分輸出的420mA的電流經過取樣電阻R14的處理轉換為0.84V的電壓信號經過LF356進行數據的處理輸出可以滿足單片機A/D轉換范圍的03.2V電壓。3.1.3自動檢測部分的信號放大器熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有結構簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點。但是將熱電偶應用在基于單片機的嵌入式系統領域時，卻存在

52、著以下幾方面的問題。非線性：熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關系為非線性關系，因此在應用時必須進行線性化處理。冷端補償：熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為0時與測量端的電勢差值，而在實際應用中冷端的溫度是隨著環境溫度而變化的，故需進行冷端補償。數字化輸出：與嵌入式系統接口必然要采用數字化輸出及數字化接口，而作為模擬小信號測溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個要求。因此，若將熱電偶應用于嵌入式系統時，須進行復雜的信號放大、A/D轉換、查表線性化、溫度補償及數字化輸出接口等軟硬件設計。如果能將上述的功能集成到一個集成電路芯片中，即采用單芯片來完成信號放大、冷端補償、線性化及數字化輸出功能，則將大大簡化熱電偶

53、在嵌入式領域的應用設計。Maxim公司新近推出的MAX6675即是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、A/D轉換器及SPI串口的熱K型熱電偶信號放大與數字轉換器。1.MAX6675的性能特點MAX6675的主要特性如下：1) 簡單的SPI串行口溫度值輸出；2) 0+1024的測量范圍；3) 12位0.25的分辨率；4) 片內冷端補償；5) 高阻抗差動輸入；6) 熱電偶斷線檢測；7) 單一+5V的電源電壓； 8) 低功耗特性；9) 工作溫度范圍-2085； 圖3-4 MAX6675引腳圖10) 2000V的ESD保護。該器件采用8引腳SO貼片封裝。引腳排列如圖3-4所示，引腳功能如表3-2所列。表

54、3-2 MAX6675引腳功能引 腳名 稱功 能1GND接地端2T-K型熱電偶負極3T+K型熱電偶正極4VCC正電源端5SCK串行時鐘輸入6片選段，為低時啟動串行接口7SO串行數據輸出8N.C.空引腳2. MAX6675的工作原理MAX6675的內部結構如圖3-5所示。該器件是一復雜的單片熱電偶數字轉換器，內部具有信號調節放大器、12位的模擬/數字化熱電偶轉換器、冷端補償傳感和校正、數字控制器、1個SPI兼容接口和1個相關的邏輯控制。（1）溫度變換MAX6675內部具有將熱電偶信號轉換為與ADC輸入通道兼容電壓的信號調節放大器，T+和T-輸入端連接到低噪聲放大器A1，以保證檢測輸入的高精度，同

55、時使熱電偶連接導線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢經低噪聲放大器A1放大，再經過A2電壓跟隨器緩沖后，被送至ADC的輸入端。在將溫度電壓值轉換為相等價的溫度值之前，它需要對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0實際參考值之間的差值。對于K型熱電偶，電壓變化率為，電壓可由線性公式來近似熱電偶的特性。上式中，為熱電偶輸出電壓（），是測量點溫度；是周圍溫度。（2）冷端補償熱電偶功能是檢測熱、冷兩端溫度的差值，熱電偶熱節點溫度可在0+1023.75范圍變化。冷端即安裝MAX6675的電路板周圍溫度，此溫度在-20+85范圍內變化。當冷端溫度波動時，MAX6675仍能精確檢測熱

56、端的溫度變化。MAX6675是通過冷端補償檢測和校正周圍溫度變化的。該器件可將周圍溫度通過內部的溫度檢測二極管轉換為溫度補償電壓，為了產生實際熱電偶溫度測量值，MAX6675從熱電偶的輸出和檢測二極管的輸出測量電壓。該器件內部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到ADC中轉換，以計算熱電偶的熱端溫度。當熱電偶的冷端與芯片溫度相等時，MAX6675可獲得最佳的測量精度。因此在實際測溫應用時，應盡量避免在MAX6675附近放置發熱器件或元件，因為這樣會造成冷端誤差。圖3-5 MAX6675內部結構框圖（3）熱補償在測溫應用中，芯片自熱將降低MAX6675溫度測量精度，誤差的大小依賴于MAX6675封裝的熱傳導性、安裝技術和通風效果。為降低芯片自熱引起的測量誤差，