智能温度测量仪开题报告

开 题 报 告

毕业设计题目： 智能温度测量仪

一、 选题意义和可行性分析

温度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。因此,能够确保快速、准确地测量温度的技术及其装置普遍受到各国的重视。近年来,利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度检测技术的一种发展趋势[1]。

智能温度测量仪自上世纪70年代初出现以来，随着微处理器技术的迅猛发展及测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度越高、可靠性高、稳定性好，而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。另外，为制造高性能的传感器，光靠改进材料工艺也很困难，需要利用计算机技术与传感器技术相结合来弥补其性能的不足，产生了功能强大的智能温度测量仪。所谓智能温度测量仪，就是一种带有微处理器的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的测温系统[2]。

就目前来看来看，已有很多形式的智能测温仪作为产品投入市场，如美国Honeywell公司推出的DSTJ-3000型硅压阻式智能测温仪，Par Scientific公司的1000系列数字石英智能测温仪。国内近年来也着手智能测温仪的开发与研究，许多公司也有产品投入到市场。

智能测温仪因在其功能、精度、可靠性上较普通测温设备有很大提高，已经成为测温领域的热点。近年来，随着传感器技术和微电子技术的发展，智能测温仪发展很快。发展高性能的智能温度测量仪已成为必然。

二、国内外测温技术及其发展趋势

2.1 国内外测温技术现状

随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法： (1)利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。利用此原理制成的温度计大致分成

三大类 : 玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。

(2)利用热电效应技术制成的温度检测元件。利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛检测元

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件之一。 热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。

(3)利用热阻效应技术制成的温度计。用此技术制成的温度计大致可分成以下几种: 电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。

(4)利用热辐射原理制成的高温计。热辐射高温计通常分为两种:一种是单色辐 射高温计，一般称光学高温计；一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射[2]。

2.2 国内外温度检测技术的发展动向

随着对生产效率的要求的不断提高，对温度检测的要求也越来越高，融合现代检测技术和控制理论的智能检测时当今温度检测的一大趋势，研究和开发适应场合多样化、测温对象多样化、检测设备数字化以及检测元件新型化的测温仪表是国内外测温仪表研究的重点。

根据上述要求，国内外温度测量仪表将向以下几方面发展：

(1)继续生产应用广泛的传统温度检测元件，如：热电偶、热敏电阻等。 (2)加强新原理、新材料、新工艺的开发，如近来已开发的碳化硅薄膜热敏电阻温度监测器，厚膜、薄膜铂电子温度监测器，硅单晶热敏电阻温度监测器等。

(3)向智能化、集成化方向发展，新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展[4]。

三、研究的基本内容与拟解决的主要问题

3.1单片机和传感器的选择

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。选择器件时应考虑其性能是否满足设计需求，是否具有良好的技术支持和文档支持，是否具有良好的性价比等，其核心是单片机的选型。在大多情况下，理应选择性价比高的单片机及其它器件，但在某些特殊场合，当性能成为决定因素时，应以性能优先原则选择所需的单片机或其它器件。

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3.11现在市场上主流的单片机及他们的特点 AVR系列：

AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用4~8MHz，故最短指令执行时间为250～125ns[5]。

通用寄存器一共32个（R0~R31），前16个寄存器（R0~R15）都不能直接与立即数打交道，因而通用性有所下降。AVR系列没有类似累加器A的结构，它主要是通过R16～R31寄存器来实现A的功能。在AVR中，没有像51系列的数据指针DPTR，而是由X（由R26、R27组成）、Y（由R28、R29组成）、Z（由R30、R31组成）三个16位的寄存器来完成数据指针的功能(相当于有三组DPTR)，而且还能作后增量或先减量等的运行。

AVR可以在任两个寄存器之间进行逻辑运算，省去了像51系列在A中的来回折腾AVR的片内RAM的地址区间为0060~00DF(AT90S2313) 和 0060~025F (AT90S85 15、AT90S8535)，它们占用的是数据空间的地址，这些片内RAM仅仅是用来存储数据的，通常不具备通用寄存器的功能。当程序复杂时，通用寄存器R0～R31就显得不够用；而51系列的通用寄存器多达128个（为AVR的4倍），编程时就不会有这种感觉[6]。

AVR的I/O脚类似PIC，它也有用来控制输入或输出的方向寄存器，在输出状态下，高电平输出的电流在10mA左右，低电平吸入电流20mA。虽不如PIC，但比51系列强。 PIC系列：

PIC单片机系列是美国微芯公司（Microship）的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令（视单片机的级别而定），属精简指令集。采用Harvard双总线结构，运行速度快，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期（个别除外），这也是高效率运行的原因之

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一。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点[7]。

PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器（TRISn，其中n对应各口，如A、B、C、D、E等），从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。它的A/D为10位，一般能满足精度要求。 51系列：

应用最广泛的八位单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。世界有许多著名的芯片公司都购买了51芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系，直到现在仍在不断翻新，把单片机世界炒得沸沸扬扬。有人推测，51芯片可能最终形成事实上的标准MCU芯片[8]。

51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。

51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令就行了，即 MULAB(两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中)。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便[9]。

Intel公司51系列的典型产品是8051，片内有4K字节的一次性程序存储器（OTP）。51系列I/O脚使用简单，但高电平时无输出能力，可谓有利有弊。 3.12选择PIC单片机的原因

就功能而言，这三种单片机都能达到要求，但是对比而言，我觉得PIC单片

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机更加合适。首先是价格，PIC单片机相对AVR单片机价格比较低。PIC单片机采用精简指令集，相对于其他两款，指令少很多。PIC工作电压低，驱动能力强。最低工作电压可以达到2V，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA可以直接驱动数码管显示。PIC单片机相对于51单片机速度提高很多。指令周期约160～200ns。最后，本人对PIC单片机比较熟悉，这有利于我顺利的完成我的毕业设计。

3.13现在市场上的热电偶的种类及特点 贵金属热电偶：

WR系列工业用铂铑热电偶又叫贵金属热电偶，它作为温度测量传感器,通常与温度变送器、调节器及显示仪表等配套使用,组成过程控制系统，用以直接测量或控制各种生产过程中0~1800℃范围内的流体、蒸汽和气体介质以及固体表面等温度。贵金属热电偶在热电偶系列中具有准确度最高（测量精度在?0.25%以内），稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点[10]。它的物理、化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。由于贵金属热电偶具有优良的综合性能，符合国际使用温标的S型热电偶，长期以来曾作为国际温标的内插仪器。贵金属热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。 廉金属热电偶：

(K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶：

镍铬-镍硅热电偶（K型热电偶）是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-200~1300℃。

K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中[11]。 （N型热电偶）镍铬硅-镍硅热电偶：

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镍铬硅-镍硅热电偶（N型热电偶）为廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶，是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的它克服了K型热电偶的两个重要缺点：K型热电偶在300~500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定；在800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。正极（NP）的名义化学成分为：Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4，负极（NN）的名义化学成分为：Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1，其使用温度为-200~1300℃。

N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶[12]。N型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。 （E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶：

镍铬-铜镍热电偶（E型热电偶）又称镍铬-康铜热电偶，也是一种廉金属的热电偶，正极（EP）为：镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为：55%的铜，45%的镍以及少量的锰，钴，铁等元素。该热电偶的使用温度为-200~900℃。

E型热电偶热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。E热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中，广泛为用户采用。E型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性气氛中，热电势均匀性较差[13]。 （J型热电偶）铁-铜镍热电偶：

铁-铜镍热电偶（J型热电偶）又称铁-康铜热电偶，也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜，其名义化学成分为：55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用EN和TN来替换。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃，但通常使用的温度范围为0~750℃。

J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,广为用户所采用。J型热电偶可用于真空，氧化，还原和

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惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制，也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。 （T型热电偶）铜-铜镍热电偶：

铜-铜镍热电偶（T型热电偶）又称铜-康铜热电偶，也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶。它的正极（TP）是纯铜，负极（TN）为铜镍合金，常之为康铜，它与镍铬-康铜的康铜EN通用，与铁-康铜的康铜JN不能通用，尽管它们都叫康铜，铜-铜镍热电偶的盖测量温区为-200~350℃。

T型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,特别在-200~0℃温区内使用，稳定性更好，年稳定性可小于±3μV，经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差，故使用温度上限受到限制[14]。 3.14选择J型热电偶的原因

由于本次设计是毕业设计，故对精度和环境要求不是很高，所以没有必要选用贵金属热电偶。对于5种廉金属热电偶，本人主要是在价格，测温范围及线性度等方面考虑。J型热电偶价格低，线性度好，可用于还原性气体环境，热电势大（较K型热电偶大20%），适于中温区域（0~750℃）。最后，J型热电偶在市场上比较容易买到。

3.2 拟解决的主要问题

J型热电偶出来的电压信号0~40mV，无法直接进行A/D转换，必须进行放大处理。所以信号放大是第一个要解决的问题。然后就是信号处理，热电偶出来的是模拟信号，单片机无法识别，所以需要A/D转换，将模拟信号转换成单片机能够识别的数字信号。热电偶的温度-热电偶特性曲线成复杂曲线形式，非线性较明显，因此要解决非线性补偿问题。根据热电偶测温原理可知，热电偶回路热电势的大小不仅与热端温度有关，而且与冷端温度有关，只有当冷端温度保持不变，热电势才是被测热端温度的单值函数。热电偶分度表和根据分度表刻度的显示仪表都要求冷端温度恒定为0，否则将产生测量误差。然而在实际应用中，由于热电偶的冷端与热端距离通常很近，冷端（接线盒处）又暴露于空间，受到周围环境温度波动的影响，冷端温度很难保持恒定，保持在O摄氏度就更难。因此必须采取措施，消除冷端温度变化所产生的影响，进行冷端温度补偿[15]。

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四、总体的研究思路

PIC 信号处理 放大 A/D转换 显示 冷端温度补偿

图1：系统框图

热电偶回路产生的总的热电势为：

EAB(T,T0)?eAB(T)?eB(T,T0)?eAB(T0)?eA(T,T0) （1）在总的热电势中，温差热电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电

势可表示为

EAB(T,T0)?eAB(T)?eAB(T0) （2）对于选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)?c为常数，则总的热电势就只与温度T成单值函数关系，即

（3） EAB(T,T0)?eAB(T)?c?f（T）所以

(热电偶的热电势)+(集成数字温度传感器测得的常温T0转化的热电势)=

eAB(T0)。

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开始 热电偶信号 集成温度传感器信号 预处理 信号放大 信号放大 A/D转换 A/D转换 查表 两信号相加 查表 显示 延时一分钟

图2：系统流程图

如图2，热电偶出来的信号，经过仪表放大器放大，然后经过A/D转换成计算机能够识别的数字信号EAB(T,T0)，将信号通过I/O端口送到PIC单片机储存起来。同时集成温度传感器出来的信号，经过仪表放大器，然后经过A/D转换成计算机能够识别的数字信号，将信号通过I/O端口送到PIC单片机内，查询事先存储在单片机内的冷端温度对应的热电势表，得到冷端温度热电势，然后将EAB(T,T0)和eAB(T0）相加得到eAB(T)，相加后的数据与存储在eAB(T0）单片机内的分度表进行比较，得出实际的热端温度值。最后将得到的温度T显示在LCD上。

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五、研究成果

首先最基本的成果是LCD显示器上能够显示热端温度，而且这个显示温度能够一分钟更新一次；其次就是温度的准确性，市场上的温度测量仪的精度大概在0.1度以内，鉴于本人第一次制作，且选用的材料价格比较低廉，所以我希望我的智能测温仪的精度在1度以内；然后就是系统的稳定性，不会无故死机，复位，正常情况下能够连续正常运行12小时以上，复位后能够正常运行；最后就是外界的其他因素对温度准确性影响尽量小，如湿度，震动等。

由于本人时间和经验不足，技术水平有限，还有实验条件的限制，本温度测量仪还需要在以后的使用过程中加以改进和完善。

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