第 1页 创新设计与实践 课程设计

题 目: 设计K型热电偶测温电路 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计时间：

成绩： 指导老师签名： 日期： 第 2页

摘 要：K型热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配

套使用，可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

基于热电偶的温度测试仪，该仪器是以AT89C51单片机为核心，由AD590集成温度传感器测量冷端温度T0，由热电偶测量热端温度T，该热电偶采用K型热电偶（镍铬-镍硅热电偶）。它们分别经过I/V转换和线性放大，分时进行A/D转换，转换后的数字信号送入AT89C51单片机，经单片机运算处理，转换成ROM地址，再通过二次查表法计算出实际温度值，此值送4位共阴极LED数码管显示。该热电偶测温仪的软件用C语言编写，采用模块化结构设计。 关键词：热电偶，冷端温度补偿，89C51单片机，ADC0809， 第 3页

1单元模块设计 为使该模块化热电偶测温系统具有更加方便和灵活性，我们对系统的硬件做了精心设计。硬件电路包括冷端采集和补偿电路模块、热端放大电路模块、单片机模块，A/D转换模块，LED显示模块等。

1.1冷端采集和补偿电路模块 冷端采集和补偿电路运用AD590温度传感器采集冷端温度，并连接补偿电路进行温度补偿，如图1.1

D1+6V

542312U2BALF353W150KR511.2KR4910KR5010KR4810KR4910K542312U1BALF353R47100KR44100K+12+5-5+5-5+12V0AD590

图1.1冷端采集和补偿电路 1.1.1 AD590介绍 AD590是美国模拟器件公司生产的恒流源式模拟集成温度传感器，它兼有集成恒流源和温度传感器的特点，具有测量温度误差小，动态阻抗高，响应速度快，传输距离远，体积小，微功耗等优点，适合远距离测温，控温，不需要线性校准的特点。 其性能特点：AD590属于采用激光修正的精密集成温度传感器。其内部电路见图3.1所示。 芯片中的R1和R2是采用激光 修正的校准电阻，它能使+25℃下的输出电流恰好微298.2uA。首先有晶体管VT8和VT11产生与热力学温度成正比的电压信号。，在通过R5,R6把电压信号转换微电流信号，为保证有良好的温度特性，R5,R6的电阻温度系数应非常小，这里采用激光修正的SiCr薄模电阻，其电阻温度系数低，VT10的集电极电流能够跟随VT9和VT11的集电极电流的变化，使总电流达到额定值。R5和R6也需要在25℃的标准温度第 4页

下校准。 AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗>10M，能大大减小因电源电压波动而产生的测量误差，例如，当电源电压从5V变化到10V时，所引起的电流最大变化量仅为1uA，等价于1℃的测温误差。 AD590的工作电压为+4～30V，测温范围是-55～+150℃，对应于热力学温度T每变化1K，输出电流就变化1uA.其输出电流Io（uA）与热力学温度T（K）严格成正比。电流温度系数K1的表达式为：

K1=qRKTI30㏑8 （3.2）

图1.1 AD590内部电路 因此，输出电流的微安数就代表着被测量温度的热力学温度值。热力学温标（K）与摄氏温标（℃）的换算关系如式3所示： T(℃)=T(K)-273.15 （3.3）

1.1.2冷端采集和补偿电路分析 AD590只需单电源工作，抗干扰能力强，要求的功率很低。输出电流值是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。接着补偿电路进行工作。 1、AD590的输出电流I=（273+T）μA（T为摄氏温度），因此测量的电压V为（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又务须使输出电流I不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。 2、由于一般电源供应教多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V 。 3、接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（100K/10K）×（V2-V1）=T/10， 如果现在为摄氏28℃，输出电压为2.8V，输出电压接AD转换器，那么AD转换 输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。 注意事项： 1、Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为10K×298μA=2.98V 2、测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。

外部存储器 电路 JTAG接口 GPIO接口 CAN总线接口 电源电路 RS232串口 RTL8019AS以 太网接口电路

LPC2290 (ARM7TDMI-S)

I2C总线 矩阵键盘电路 彩色液晶屏 第 5页

1.2 热端放大电路模块 C40.1uFC3

220

67423U3AMC33078W3A10KR6010KR5910kR58100KR57100K67423U2AMC33078R52100KR55100KR53100KR55100KR54100KR56300KR54100KW2A100K67423U1AMC33078-5+5

-12+12+12-12+5-5V1

-INP

+INP 图1.2 热端放大调理电路 热电偶的热端放大电路如图1.2所示。热电偶的热端接入到INP口，然后进行一系列

的调试放大。 本系统应用K型热电偶，导热系数测定过程中通常温度范围小于100℃，为保证测量精度，热电偶线性化软件我们每隔5℃分一段，并且精确到小数点后两位。硬件调理电路截取K型热电偶100℃的热电势4.095mv作为输入满量程，放大到5V，提供给AD转换器，要求调理电路放大倍数达1200多倍，为此我们选取高精度运算放大器MC33078，构成两级运算放大器，每级放大倍数小于40倍，。MC33078除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外，还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点，利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移，所以常被应用于热电偶、电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的电路中。 1.3 A/D转换器ADC0809

ADC0809是一种8路模拟输入逐次比较型A/D转换器，由于价格适中，与单片机的接口、软件操作均比较简单，目前在8位单片机系统中有着广泛的使用。片内由8路模拟多路开关、地址锁存器与译码器、8为A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成。如图3.3是本设计中ADC0809的部分连接图。 第 6页

IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EOC7IN-53ADD-A25IN-64ADD-B24ADD-C23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10IC8ADC0809V0V1

R12K

+5 图1.3 ADC0809引脚图 引脚功能如下：

1、2-8—2-1八根数据三态输出端，IN0-IN7为八根单片模拟量输入端； 2、A1-A3:三根地址译码输入端，以选择8路模拟量输入通道中的一路； 3、五根转换逻辑控制信号端： START:A/D转换启动信号输入端，可用来作片选信号端； EOC：转换结束信号输入端，可用作中断申请信号； ALE: 地址所存允许输入端，用作多路开关的使能信号 O.E：输出允许输入端，用来打开三态数据输出锁存器，以输出当前的A/D转换数 CLK：时钟信号输入端，用它产生ADC0809的内部各种定时信号。 4、四根供电输入端： ref(+)正参考电压输入端；ref(-)负参考电压输入端；VCC为供电电压输入端，一般需要+5V；GND为接地端。 ADC0809芯片可以分时处理8路模拟量输入信号,使用模拟开关切换。在某一时刻,模拟开关只能与一路模拟量通道接通,对该通道进行A/D转换。当地址所存信号ALE为高电平时, A1-A3三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中,经过译码器译码后选中某一通道。当ALE=0时,地址锁存器处于锁存状态,模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通。

1.4 LED显示模块 在显示电路中采用4位共阴极LED静态显示。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。缺点是使用元件多，线路比较复杂。共阴极LED数码管显示电路如图1.7。 第 7页

1A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y431G12G19IC274LS244A1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77IC374LS138D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719CLK11E1IC474LS377D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719CLK11E1IC574LS377D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719CLK11E1IC674LS377abcdefgdpLED1LED+E1E2E3E40123456701234567D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719CLK11E1IC774LS377E1

E3E4

E2

R11R12R13R14R15R16R17R18R19R20R21R22R23R24R25R26R27R28R29R30R31R32R33R34R35R36R37R38R39R40R41R42abcdefgdpLED2LED+abcdefgdpLED3LED+abcdefgdpLED4LED+R43

2K

R442K

R452K

R462K

32*2K 图1.7 LED显示电路