基于单片机的热电偶测温系统一设计简述本文设计了基于单片机的热电偶测温系统，介绍了热电偶的测温原理，热电偶冷端补偿方法，简单设计了硬件电路，信号放大电路采用放大器LTC2053将热电偶的输出mv型号放大，再经过ICL7109转换器转换为12位的数字信号，输入给单片机，驱动数码管显示电路显示4位温度值。

扩展部分有键盘电路和报警电路。

软件部分设计了转换器和键盘及显示电路。

关键字：热电偶；LTC2053放大器；ICL7109转换器；数码管二设计内容随着人们生活水平的提高，人们对家用电子产品的智能化、多功能化提出了更高的要求，而电子技术的飞速发展使得单片机在各种家用电子产品领域中的应用越来越广泛。

把以单片机为核心，开发出来的各种测量及控制系统作为家用电子产品的一个组成部分嵌入其中，使其更具智能化、拥有更多功能、便于人们操作和使用，更具时代感，这是家用电子产品的发展方向和趋势所在。

有的家用电器领域要求增加显示、报警和自动诊断等功能。

这就要求我们的生产具有自动控制系统，自动控制主要是由计算机的离线控制和在线控制来实现的，离线应用包括利用计算机实现对控制系统总体的分析、设计、仿真及建模等工作；在线应用就是以计算机代替常规的模拟或数字控制电路使控制系统“软化”，使计算机位于其中，并成为控制系统、测试系统及信号处理系统的一个组成部分，这类控制由于计算机要身处其中，因此对计算机有体积小、功耗低、价格廉以及控制功能强有很高的要求，为满足这些要求，应当使用单片机。

2热电偶测温原理1.1热电效应将两种不同成分的导体组成一闭合回路，如图1所示。

图1当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，该电势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，这种现象称为“热电效应”。

1.2接触电势A和B两种不同材料的导体接触时，由于电子的扩散运动，A与B两导体的接触处产生了电位差，称为接触电势。

接触电势的大小与导体材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。

对于温度分别为t和t0的两接点，可得下列接触电势公式：（温度为t时的接触电势，温度为t0时的接触电势）e AB(T0)=U At0 - U Bt01.3温差电动势将某一导体两端分别置于不同的温度场t、t0中，在导体内部，热端自由电子具有较大的动能，向冷端移动，这样，导体两端便产生了电势，这个电势称为温差电势。

导体A、B在两端温度分别为t和t0时形成的电势e A(t,t0)=U At–U At0e B(t,t0)=U Bt–U Bt01.4热电偶的电势将由A和B组成的热电偶的两接点分别放在t和t0中，热电耦的电势为：E AB(t,t0)=e AB(t)-e AB(t0)-e A(t,t0)- e B(t,t0)由于接触电势比温差电势大的多，可将温差电势忽略掉，则热电偶的电势为E AB(t,t0)= e AB(T)- e AB(T0)(AB的顺序表示电势的方向；当改变脚注的顺序时，电势前面的符号（正、负号）也应随之改变)综上所述，可以得出以下结论：热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两接点电势差。

1.5热电偶的基本定律1. 均质导体定律如果热电偶中的两个热电极材料相同，无论接点的温度如何，热电势为零。

2. 中间导体定律在热电偶中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则热电偶的热电势不变。

图2在热电偶中接入第三种导体C ，设导体A 与B 接点处的温度为t ，A 与C 、B 与C 两接点处的温度为t0,则回路中的热电势为：热电偶的这种性质可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面测量。

3. 标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电势也就已知。

图3如图所示，导体A 、B 分别与标准电极C 组成热电偶，若它们所产生的热电势也就已知，即000()()()()ABC AB AB BC t t t t t E e e e ‚=--0()()AB AB t t e e =-00()()()AC Ac Ac t t t t E e e =-‚00()()()BC BC AC t t t t E e e =-‚那么，导体A 与B 组成的热电偶的热电势为：4. 中间温度定律热电偶在两接点温度分别为t 、t0时的热电势等于该热电偶在接点温度为t 、tn 和tn 、t0相应热电势的代数和；即中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据，其等效示意图如图所示。

图42 冷端补偿与放大电路图6是热电偶放大电路。

电路中，LTC2053是仪用放大器，它为低功率仪器产品提供了一个极好的平台，例如，电池供电的热电偶放大电路等。

由于采用了与开关电容的组合以及零漂移运算放大器的工艺，因此，LTC2053的输入偏移电压最大为10μV ，共模抑制比CMRR 和电源抑制比PSRR 达到116dB 。

最理想的工作电源采用低电压2.7V 到11V 的单电源或±5V 的双电源，另外，由于消耗电流非常低，典型值为85μpA ，因此，应用于电池供电的放大器非常理想。

调节R1、RP1和R2可方便对电路增益进行编程。

作为热电偶放大器必须满足一些特殊要求，通常采用的K 型热电偶的灵敏度为40.6μ℃，而电路的输出一般要求为10mV ／℃，因此，要选用额定增益为246的精密放大器。

另外，热电偶一般容易受到工业环境中电子噪声的影晌，因此，仪用放大器允许输入不同的电压有助于消除由于共模噪声引起的误差。

为了避免出故障，采取的保护措施是不能让热电偶无意识地接触到瞬变电源或高电压，但保护措施不能兼顾到精度。

LTC2053有满足这些要求的补偿特性，它在任何引脚上都可以承受10mA 的故障电流，因此，在不损坏集成芯片的情况下，10kΩ（R4和R5）保护电阻允许承受±100V 故障电压。

00()()()AB AC n AB n t t t t t t E E E ‚‚‚=-000()()()AB AC BC t t t t t t E E E =-‚‚‚本模块包括电压式温度传感器TMP35和K型热电偶。

其中热电偶的工作原理是根据热端和冷端的温度差而产生电势差。

由于实际测量时，冷端的温度往往不是O℃，所以要对热电偶进行温度补偿。

热电偶温度补偿公式如下：E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0)其中，E(t0，0)是实际测量的电动势，t代表热端温度，t0代表冷端温度，0代表O℃。

在现场温度测量中，由于热电偶冷端温度一般不为O℃，而是在一定范围内变化着，因此测得的热电势为E(t，t0)。

如果要测得真实的被测温度所对应的热电势E(t，0)，就必须补偿冷端不是0℃所需的补偿电势E(t0，0)，而且，该补偿电势随冷端温度变化的特性必须与热电偶的热电特性相一致，这样才能获得最佳补偿效果。

图5所示是一个温度补偿电路的原理图。

图中，温度传感器TMP35很好的完成了温度补偿工作，TMP35输出的电压先经电阻分压，再经放大器放大，就是K型热电偶对应的E(t0，O)。

图5 温度补偿图6 放大电路电路中LTC1025对热电偶进行温度补偿，确保在各种环境条件下温度的测量精度，并要靠近热电偶的节点安装，以便对温度进行最佳的跟踪。

LTC1025对不同的环境温度输出相应的电压，输出灵敏度为10mV／℃，因此，0℃时输出电压为10mV，室温（25℃）时输出250mV。

测量探头温度相应的电压是补偿电压和被放大的热电偶电压之和，补偿电路的输出端与LTC2053的REF （5脚）输入端连接的所有这一切都要加上这两种电压。

对于这种电路结构，考虑的仅是校正的电压必需能供出或吸收反馈电阻中电流。

由于，LTC1025只供出电流，因此，可采用缓冲器LTC2050驱动REF，LTC2050是一种零漂移的运算放大器。

采用单电源的缺点是，对于有效的输出探头和放大器单元的温度都必须超过0℃。

若需要对负温度进行调节的话，可采用简单的充电泵变换器，例如LTC1046构成负电源。

在常规的线性电源应用中，只要所有热电偶都连接上LTC1025进行热跟踪，可以采用单个LTCl025和缓冲放大器去修正LTC2053热电偶放大器的不同通道。

由于LTC2053工作于采样的输入信号，因此，感兴趣的频率一般低于几百Hz，这样，在反馈电路中增设0.1μF电容C1就可以加速放大器的响应。

接在热电偶输入网络的电容C2和C3有助于吸收射频干扰及抑制在热电偶探头出现的采样干扰。

接在热电偶中的电阻R6～R9提供高阻抗偏置，这样在探头无电压降的情况下使其抗干扰性达到最大。

短的热电偶使共模信号最小，探头节点可以接地。

5.1V的稳压管VD1构成电源保护电路，即防止电源出现过电压以及6V电池的极性接反，R3是限流电阻。

3 A/D转换电路ICL7109是美国Intersil公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。

由于目前逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格都很高，在要求速度不太高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时，可以采用廉价的双积分式高精度A/D转换器ICL7109。

ICL7109最大的特点是其数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。

图7 ICL7109引脚图图8 ICL7109与单片机的接线图4最小系统电路图9 最小系统图5键盘电路与报警电路5.1矩阵式键盘按键的识别当非编码键盘的按键较多时，若采用独立式键盘占用I/O 口线太多，此时可采用矩阵式键盘，键盘上的键按行列构成矩阵，在行列的交点上都对应有一个键。

行列方式是用m 条I/O 线组成行输入口，用n 条I/O 线组成列输出口，在行列线的每一个交点处，设置一个按键，组成一个mxn 的矩阵，如图10所示，矩阵键盘所需的连线数为行数+列数，如4×4的16键矩阵键盘需要8条线与单片机相连，—般键盘的按键越多，这种键盘占I/O 口线少的优点就越明显，因此，在单片机应用系统较为常见。

图10 矩阵式键盘识别按键的方法有两种: 一是行扫描法, 二是线反转法。

这里只说明一下第一种情况，行扫描法：先令列线Y0为低电平（0），其余3根列线Y1、Y2、Y3都为高电平，读行线状态。

如果X0、X1、X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合，如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态；如果Y0这一列上没有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平。

用同样的方法检查Y1这一列上有无键闭合，依次类推，最后使列线Y3为低电平，其余列线为高电平，检查Y3这一列有无键闭合。