基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目 錄中文摘要1英文摘要21 緒論31.1研究背景及意義31.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3研究主要內(nèi)容42 基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)62.1設(shè)計(jì)要求62.2總體方案62.3功能介紹73 基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)83.2溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)93.2.1K型熱電偶傳感器93.2.2 ADC轉(zhuǎn)換模塊113.3LCD顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)123.4電源模塊電路設(shè)計(jì)144 基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)154.1主程序流程154.2溫度采集流程164.3顯示程序流程164.4軟件仿真174.4.1仿真環(huán)境174.4.2工作流程184.4.3仿真結(jié)果195 結(jié)論21謝

2、辭22參考文獻(xiàn)23 基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要： K型熱電偶不接觸被測(cè)物中，目的是避免熱平衡狀態(tài)的變化，測(cè)量的敏感，響應(yīng)速度快，良好的響應(yīng)特性，常用于檢測(cè)1000以上運(yùn)動(dòng)中的高溫物體。該測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)合單片機(jī)，設(shè)計(jì)以K型熱電偶為溫度傳感器的溫度測(cè)量系統(tǒng)。其測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量溫度可以分為三個(gè)檔位，分別是高溫檔（500以上）中溫檔（100-500）低溫檔（100以下），使用前先預(yù)估待測(cè)物體溫度選擇合適的檔位測(cè)量以提升測(cè)量精度。通過(guò)溫度傳感器DS18B20在STM32L476芯片控制下進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量環(huán)境溫度。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；熱電偶；溫度測(cè)量系統(tǒng)Design of tem

3、perature measurement system based on K-type thermocoupleAbstract：Non-contact temperature measurement will not be in contact with the measured object. It avoids changing the thermal equilibrium state of the object. It is sensitive when measuring. The response speed is fast and the response characteri

4、stics are good. It is usually used to detect high temperature objects in the movement of 1000C and above. This text combines the advantage of the one-chip computer, design based on 51 one-chip computer non-contact temperature measurement system. Based on 51 single-chip non-contact temperature measur

5、ement system, the measurement temperature is divided into three gears, which are high temperature file (above 500C), medium temperature file (100-500C), low temperature file (below 100C), and the object to be measured is estimated before use. Temperature Select the appropriate gear measurement to im

6、prove measurement accuracy. By using the STM32L476 chip to control the temperature sensor DS18B20 for real-time temperature detection and display, it is possible to quickly measure the ambient temperature.Keywords: single chip microcomputer; non-contact; temperature measurement; design基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)

7、設(shè)計(jì)1 緒論1.1研究背景及意義當(dāng)今社會(huì)，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，社會(huì)生活水平也快速提高，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)也有了更高的要求:信息化、科學(xué)化、自動(dòng)化。很多反應(yīng)及過(guò)程都受到溫度的影響，例如有物質(zhì)是否有完全燃燒充分、蒸餾或煅燒是否達(dá)到要求、化學(xué)反應(yīng)是否及時(shí)、濃度是否合格、化學(xué)反應(yīng)是否及時(shí)、擠壓成型是否夠強(qiáng)度等等，所以在工業(yè)上，溫度是至關(guān)重要的被控因素和必不可少的過(guò)程變量，如果控沒(méi)有控制好溫度，結(jié)果輕則影響產(chǎn)品的合格率，嚴(yán)重的話很有可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)事故甚至危及到工人的生命安全。K型熱電偶測(cè)溫在測(cè)量帶測(cè)物體溫度時(shí)并不需要與物體接觸，只需要把探頭對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫，這樣的優(yōu)點(diǎn)是避免了改變物體的熱平衡狀態(tài)，反

8、應(yīng)速度迅速響應(yīng)特性好，而且從測(cè)溫的原理上來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是這種方式可以測(cè)量很高的溫度。但是在實(shí)踐中，K型熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)還存在諸多不足，還未形成系統(tǒng)性的研究，也無(wú)法為K型熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用提供實(shí)踐參考。當(dāng)前，STM32系列成為應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)之一，在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中被廣泛應(yīng)用。所以很多公司都會(huì)選擇51系列的兼容機(jī)型，并且在今后的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，相信市場(chǎng)都會(huì)被它占有很大的比例。鑒于此，本文結(jié)合STM32系列單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)，利用其不需要與待測(cè)物體接觸的優(yōu)點(diǎn)將其應(yīng)用到測(cè)溫系統(tǒng)之中，這樣設(shè)計(jì)出的非接觸式溫度測(cè)量系統(tǒng)就可以替換人類(lèi)工作在高溫惡劣的環(huán)境中。目的在于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的表面溫度進(jìn)行非接觸在線自

9、動(dòng)測(cè)量，具有極其重要的理論與實(shí)踐意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于溫度傳感器的結(jié)構(gòu)存在差異，所以不同的溫度傳感器在使用方法上會(huì)存在不同，目前國(guó)內(nèi)外存在的檢測(cè)方法之中，總體上可以分為兩種接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫。接觸式測(cè)溫也有很多優(yōu)點(diǎn):外界介質(zhì)對(duì)其產(chǎn)生的影響比較低，可以有效避免物體進(jìn)行內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)。其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，接觸待測(cè)物體時(shí)會(huì)對(duì)待測(cè)物體的溫度有所影響。而且還需要與待測(cè)溫度接觸良好，對(duì)被測(cè)物體來(lái)說(shuō)就會(huì)破壞其熱平衡狀態(tài)，對(duì)于測(cè)溫原件來(lái)說(shuō)要求具有很好的熱學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特性。接觸式測(cè)溫主要分為接觸式光電、熱色測(cè)溫、膨脹式測(cè)溫、電量式測(cè)溫。另一種測(cè)溫方式是非接觸式測(cè)溫，其主要可以分為微波法測(cè)溫、光譜法

10、測(cè)溫、激光干涉測(cè)溫、輻射式測(cè)溫。其優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)量帶測(cè)物體溫度時(shí)并不需要與物體接觸，只需要把探頭對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫，這樣的優(yōu)點(diǎn)是避免了改變物體的熱平衡狀態(tài)，反應(yīng)速度迅速響應(yīng)特性好，而且從測(cè)溫的原理上來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是這種方式可以測(cè)量很高的溫度，通常用來(lái)檢測(cè)1000及其以上的運(yùn)動(dòng)中的高溫物體?，F(xiàn)如今，非接觸式測(cè)溫在我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)中得到了大規(guī)模的實(shí)踐應(yīng)用，主要是因其測(cè)溫效果好、反應(yīng)速度快響應(yīng)特性好。非接觸式紅外測(cè)溫法在K型熱電偶測(cè)溫中得到了認(rèn)可，并且這種技術(shù)還在不斷的發(fā)展和進(jìn)步，擁有明朗的應(yīng)用前景。所以目前國(guó)內(nèi)外都在探究非接觸式紅外測(cè)溫技術(shù)。但是現(xiàn)階段大部分生產(chǎn)加工行業(yè)依然是采用人工手持紅

11、外測(cè)溫儀跟蹤被測(cè)目標(biāo)來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體表面溫度的，例如手套生產(chǎn)、醫(yī)藥生產(chǎn)、食品加工、造紙印刷和橡膠塑料等的溫度測(cè)量。在溫控系統(tǒng)領(lǐng)域中測(cè)溫系統(tǒng)最重要的是保證測(cè)量精準(zhǔn)，反應(yīng)速度快，雖然現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的測(cè)溫技術(shù)都已經(jīng)發(fā)展到了一定的高度，但是在生產(chǎn)應(yīng)用和一些特殊的環(huán)境中溫度測(cè)量還是具有一定的難題。所以在一些特殊的環(huán)境中測(cè)量溫度并且要保證測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性還是一件非常困難的事。有時(shí)對(duì)于一個(gè)待測(cè)物體可能需要多重測(cè)量方式對(duì)其進(jìn)行測(cè)溫，這就需要了解每一種測(cè)溫方式的原理以及優(yōu)缺點(diǎn)。從現(xiàn)實(shí)方面來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的測(cè)溫方式也不足以滿(mǎn)足生活所需，所以我們還需要不斷的探索新的測(cè)溫技術(shù)，尋找更好的測(cè)溫材料，以實(shí)現(xiàn)在特殊環(huán)境下測(cè)量溫度也能

12、夠保證測(cè)量溫度的精度和準(zhǔn)確性以及快速的反應(yīng)速度快。在現(xiàn)今的溫控系統(tǒng)領(lǐng)域中，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和探索，以及尋找新的測(cè)溫材料，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新了多種溫度檢測(cè)技術(shù)。溫度測(cè)量水平在不斷的提高主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方向：1）擴(kuò)大溫度測(cè)量的范圍，增加測(cè)量溫度對(duì)象的數(shù)量；2）加大對(duì)測(cè)溫器件新材料和新原理開(kāi)發(fā)的力度，生產(chǎn)新測(cè)溫元件；3）測(cè)溫元件向體型更小、集成化更好、智能化更高和適應(yīng)化更快等方向發(fā)展。1.3研究主要內(nèi)容本文以基于stm32單片機(jī)基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對(duì)象，主要研究?jī)?nèi)容如下：第一章內(nèi)容是緒論，主要概述K型熱電偶測(cè)溫的研究背景及意義，綜述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及成果，并提出課題中我們需要研究的主要內(nèi)容；

13、第二章主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并做出基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，明確其功能需求和基本設(shè)計(jì)要求；第三章主要內(nèi)容是關(guān)于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，給出了K型熱電偶溫測(cè)量溫度的單片機(jī)、溫度采集、LCD顯示、電源模塊設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)；第四章主要內(nèi)容是基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，給出了K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)的主程序的流程，并對(duì)其溫度采集、LCD顯示等模塊進(jìn)行程序流程設(shè)計(jì)；并搭建K型熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)的仿真環(huán)境，并對(duì)于基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)的功能進(jìn)行仿真分析；2 基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)

14、的主要功能和指標(biāo)如下：（1）利用K型熱電偶溫度傳感器測(cè)量多點(diǎn)環(huán)境溫度。（2）測(cè)量范圍可以分為高溫檔（500以上）、中溫檔（100-500）、低溫檔（100以下），精度為0.5。（3）用LCD液晶顯示進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量溫度值。（4）可以自主設(shè)置告警極限溫度。（5）當(dāng)超過(guò)上，下限報(bào)警溫度后，能夠自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警。2.2總體方案本文設(shè)計(jì)基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)主要針對(duì)高溫物體的溫度測(cè)量，具體測(cè)量溫度分為三個(gè)檔位，分別是高溫檔（500以上）中溫檔（100-500）低溫檔（100以下），測(cè)量前先預(yù)估待測(cè)物體的溫度并選擇合適的檔位測(cè)量以提升測(cè)量的精度。結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)特征要求和測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出了基于K型熱

15、電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)圖2-1所示。圖2-1 基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案主要包括有溫度采集模塊、LCD顯示模塊、按鍵和報(bào)警模塊等，根據(jù)測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，首先溫度傳感器把所測(cè)待測(cè)物體的溫度發(fā)送到STM32單片機(jī)上，經(jīng)STM32單片機(jī)處理后，再將溫度顯示在LCD顯示器上。當(dāng)開(kāi)機(jī)后，LCD顯示器和計(jì)時(shí)器進(jìn)行初始化設(shè)置。同時(shí)，基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)能夠設(shè)置報(bào)警溫度，在超過(guò)報(bào)警溫度時(shí)能夠通過(guò)LED發(fā)光二極管以及發(fā)音器提示報(bào)警。2.3功能介紹能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量環(huán)境溫度，是利用測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度的檢測(cè)并顯示。測(cè)溫系統(tǒng)的傳感器選擇非接觸式的K型熱電偶溫度傳感器，測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)

16、據(jù)采集、處理、顯示、報(bào)警等功能主要依靠單片機(jī)STM32L476。選用數(shù)字溫度傳感器，其組成溫控系統(tǒng)簡(jiǎn)單且反應(yīng)速度快，輸出信號(hào)全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制，省卻了采樣、運(yùn)放、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路以及進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的串/并轉(zhuǎn)換電路，使電路得到了很大的簡(jiǎn)化，特別是中國(guó)傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)方法的很多外圍電路，這樣不僅可以縮短系統(tǒng)工作的時(shí)間，而且還可以降低系統(tǒng)硬件的成本。當(dāng)單片機(jī)將處理過(guò)后的溫度信息發(fā)送給LCD液晶顯示器后，液晶顯示器顯示當(dāng)前的溫度。3硬件設(shè)計(jì)測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)模塊：溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)和LCD顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3.1核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心控制單元主要采用STM3

17、2L476單片機(jī)。STM32L476Gxx器件是基于高性能ARMCortex-M432位RISC內(nèi)核的微控制器（MCU），其工作頻率高達(dá)80MHz并且功耗超低。Cortex-M4內(nèi)核支持ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和所有數(shù)據(jù)類(lèi)型，因?yàn)槠渚哂袉尉雀↑c(diǎn)單元（FPU）。全套DSP指令和存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）得到了實(shí)現(xiàn)，在一定程度上大大的加強(qiáng)了應(yīng)用的安全性。STM32L476Gxx器件具有QuadSPI閃存接口、各種增強(qiáng)的I/O和外設(shè)、嵌入高速存儲(chǔ)器（閃存高達(dá)1MB，SRAM高達(dá)128KB）和靈活的外接存儲(chǔ)器控制器（FSMC），連接2個(gè)APB總線、2個(gè)AHB總線和1個(gè)32位多AHB總線矩陣。并且讀保護(hù)

18、、寫(xiě)保護(hù)、專(zhuān)有代碼讀保護(hù)以及防火墻是STM32L476Gxx器件為嵌入式閃存和SRAM嵌入的幾種保護(hù)機(jī)制。有三種閃存設(shè)備12 ADC（5Msps的符號(hào)），兩個(gè)放大器，兩個(gè)比較器，兩個(gè)DAC路徑，2個(gè)32位通用定時(shí)器，所述RTC低功率，兩個(gè)專(zhuān)用的16位PWM電機(jī)控制定時(shí)器，一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓緩沖器，7個(gè)16位通用定時(shí)器，和兩個(gè)低功率的16位定時(shí)器。 這些設(shè)備支持外部SigmaDelta調(diào)制器(DFSDM)的四個(gè)數(shù)字濾波器。它還提供電容感測(cè)通道24。這些器件具有內(nèi)部設(shè)置轉(zhuǎn)換器，還嵌入了集成式LCD驅(qū)動(dòng)器840或444。圖3-1 STM32L476RX單片機(jī)主控電路3.2溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1K型

19、熱電偶傳感器目前熱電偶可以分有兩大類(lèi):標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)， IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的七種標(biāo)準(zhǔn)(包括S、B、E、K、R、J、T七種)為中國(guó)制造指定統(tǒng)一模型作為熱電偶設(shè)計(jì)生產(chǎn)。熱電偶兩端的溫度差與其產(chǎn)生的熱電勢(shì)有關(guān)，只有固定冷短溫度才能確立測(cè)量端的溫度和電動(dòng)勢(shì)兩者之間的聯(lián)系。在實(shí)際的測(cè)溫工作中，冷端的溫度很難一直保持在0C,所以冷端補(bǔ)償就是我們必需要考慮到的問(wèn)題了。常用的熱電偶有以下幾種見(jiàn)表3-1分度號(hào)負(fù)極正極測(cè)溫范圍K鎳硅鎳鉻01200CE康銅鎳鉻-200C 900CS純白金鉑銠1001600CB鉑銠6鉑銠3001800CT康銅銅-200C400CR純白金鉑銠1301600CG康銅鐵-40C 750C 表3

20、-1 熱電偶分類(lèi)圖K型熱電偶可以測(cè)量很高的溫度，并且比較節(jié)約成本，所以在工業(yè)測(cè)溫上比較收到大家的歡迎。K型熱電偶在氧化和中性的氣體環(huán)境中的測(cè)溫范圍偶絲的直徑有關(guān)。在還原氣氛中，密封保護(hù)管可以有效的對(duì)熱電偶進(jìn)行保護(hù)。K型熱電偶的精度可以分成以下兩個(gè)不同等級(jí)，其允許誤差見(jiàn)表3-2.等級(jí)使用溫度范圍(C)允許誤差04001.6C40011000.4%t04003C40013000.75t表3-2 K型熱電偶等級(jí)表關(guān)于 K 型熱電偶測(cè)溫電偶絲，我們對(duì)冷端不做處理然后對(duì)熱電偶的熱短進(jìn)行加熱，這樣就使得冷端溫度和熱端溫度存在溫度差，熱電偶的回路中就會(huì)超生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象就是K型熱電偶測(cè)溫原理:熱電效應(yīng)。閉

21、合回路的示意圖如圖 3-2 所示。圖3-2 閉合回路示意圖在圖3-2中，接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)共同組成了熱電現(xiàn)象所產(chǎn)生的熱電勢(shì)，當(dāng)金屬A 和金屬B在接觸時(shí)（A和B金屬材質(zhì)不同），在A和B的接觸處會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散現(xiàn)象，即會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)，電勢(shì)定義為：eABT=k0TelnnAnB式中： T 為絕對(duì)溫度；e 為電子電荷電量值為 1.6 10-10C；nA和nB為金屬材料 A 和 B 的自由電子密度；k0為玻爾茲曼常數(shù)，值為 1.38 10-23J/K，。如果我們給一種金屬的一端加熱，那么這種金屬的兩端就會(huì)存在溫度差，則會(huì)導(dǎo)致兩端的自由電子的濃度不同。即會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)，其電勢(shì)定義為：eAT0,T1=Ut0U

22、t1但是在現(xiàn)實(shí)情況中，同一種金屬所產(chǎn)生的溫差電勢(shì)是可以忽略不計(jì)的，因?yàn)樗×恕Ｈ绻麑⒔饘?A 的兩端同時(shí)置于高溫和低溫的兩個(gè)環(huán)境中，且T0T1，那么熱電偶的閉合回路電勢(shì) EAB ( T0,T1)可以表示為：EABT0,T1=eABT0eABT1=KeT0T1lnnAnB式中表示的是熱端的溫度值，但是是以冷端的溫度作為參考的，在測(cè)溫過(guò)程中我們需要保持冷端溫度為0 ，因此需要通過(guò) EAB( T0,0 )，T0和EAB ( T0,T1)求出，這就是冷端溫度補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程。冷端補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N，其中是冰點(diǎn)補(bǔ)償法是一種物理方法：就是將冷端補(bǔ)償導(dǎo)線的末端放入0 的冰水混合物恒溫器中，這樣就可以不考慮冷端從

23、而直接得到熱端的溫度，本系統(tǒng)采用的就是這種方法。靜態(tài)校準(zhǔn)過(guò)程如下：1將熱電偶的量程等分成n 個(gè)間距的點(diǎn)；2按照等分的標(biāo)準(zhǔn)量依照小到大的次序依次輸入；3同2按照從大到小的次序依次輸入。重復(fù)步驟 2和步驟 3，記錄測(cè)試結(jié)果。得到圖 3-3 所示結(jié)果。圖 3-3 校準(zhǔn)熱電勢(shì)溫度曲線由圖 3-3可以看出該熱電偶性能比較可靠，其線性度很好，且校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與分度表相差很小。3.2.2 ADC轉(zhuǎn)換模塊ADS1248 是24 位低噪聲溫度測(cè)量模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗很低且集成度很高。其集成有精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)芯片、單周期設(shè)定的數(shù)字濾波器 （De

24、lta-Sigma ADC）、低噪聲可編程增益放大器 ( pmgrammable gainamplifier，PGA) 、輸入切換器 ( inputmux)、以及振蕩器和兩路恒流源。ADS1248具有 50 /60 Hz 同步抑制模式，可以采樣7 組單端輸入也可以采用4 組差分輸入。選用該模數(shù)轉(zhuǎn)換器在性能滿(mǎn)足的情況下，可以選用芯片上的集成來(lái)減少器件數(shù)量，從而達(dá)到簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的目的。圖3-4 ADC轉(zhuǎn)換模塊電路3.3LCD顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）1602LCD顯示電路LED數(shù)據(jù)顯示終端的優(yōu)點(diǎn)是顯示的亮度比較高，但其缺點(diǎn)也很明顯，當(dāng)顯示的位數(shù)多時(shí)就會(huì)比較麻煩，因?yàn)槠涿恐粩?shù)碼管只顯示一位字符，會(huì)造成引腳多

25、接線麻煩。而且當(dāng)字符的信息量較多時(shí)，還需要設(shè)計(jì)不同字符代表不同信息，因?yàn)槠滹@示的字符數(shù)量有限。顯示的字符所代表的信息和功能還必須加以說(shuō)明，觀察者就需要對(duì)照說(shuō)明加以理解，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)會(huì)很麻煩。所以根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求我們選擇的是LCD顯示。液晶顯示器件種類(lèi)很多，顯示器HG1286401C可以直接顯示漢字，阿拉伯?dāng)?shù)字和字符，是自帶字庫(kù)的中文顯示模塊，使用會(huì)非常方便能夠很直觀的看到顯示結(jié)果，因此顯示電路我們選擇采用LCD1602顯示。1602型液晶顯示模塊顯示的字符就比較多，工作電壓為5V，其內(nèi)部有8位數(shù)據(jù)總線D0-D7，同時(shí)1602LCD還具有背光和字符對(duì)比度調(diào)節(jié)功能等優(yōu)點(diǎn)。1602LCD顯示電路

26、接口圖如圖3-5所示。圖3-5 1602LCD顯示電路（2）1602LCD工作原理 LCD1602引腳功能如表3-3所示。表3-3 引腳功能編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明符號(hào)編號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地D29數(shù)據(jù)2VDD電源正極D310數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓D411數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇D512數(shù)據(jù)5R/W讀/寫(xiě)選擇D613數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)D714數(shù)據(jù)7DO數(shù)據(jù)BLA15背光源正極8DI數(shù)據(jù)BLA16背光源負(fù)極1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳接口，其中：第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，地電源時(shí)對(duì)比度最高，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，調(diào)整對(duì)比度時(shí)可以通過(guò)一個(gè)1

27、0K的電位器調(diào)整。第4腳：SR是選定的寄存器以選擇在低電平指令寄存器，數(shù)據(jù)寄存器以高水平地選擇。 第5腳：RW為讀寫(xiě)信號(hào)線，低電平時(shí)寫(xiě)操作，高電平時(shí)讀操作。第6腳：使末端，當(dāng)E端由跳高到低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向通信數(shù)據(jù)線。進(jìn)一步管腳“A”和“K”背光引腳,“A”連接到正，“K”，以負(fù)背光點(diǎn)亮?？刂破鞴灿?1條控制指令在1602LCD液晶模塊內(nèi)部，它的讀寫(xiě)操作、屏幕、光標(biāo)等操作系統(tǒng)都是可以通過(guò)控制指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（注：圖1是高，低0） 指令1：清顯示，01H為其指令碼，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置；指令2：光標(biāo)被重置，使其光標(biāo)返回到地址00H；指令3：光標(biāo)顯示模式

28、設(shè)置，I /D：光標(biāo)移動(dòng)方向，左低，高右，：是否所有的屏幕向左或向右上的文字。高電平則表示有效；指令4：顯示一個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，D：控制系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)顯示的開(kāi)與關(guān)，高電平表示開(kāi)顯示，C：為了控制開(kāi)和關(guān)的光標(biāo)，高位表明光標(biāo),B:控制系統(tǒng)光標(biāo)是否進(jìn)行閃爍，高電平閃爍；指令5：光標(biāo)或顯示移位，S /C：低光標(biāo)移動(dòng)，高電平文本的移動(dòng)顯示;指令6：功能設(shè)置命令，DL：低功率級(jí)8位總線，高功率級(jí)4位總線，：57點(diǎn)陣的字符顯示在一個(gè)低的水平，510點(diǎn)陣的字符顯示的高電平,:高電平時(shí)雙行顯示；指令7：設(shè)置字符發(fā)生器RAM地址；指令8：DDRAM地址設(shè)置；指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)公司地址，BF：表示為忙標(biāo)志位，高電平

29、可以表示忙； 指令10：寫(xiě)數(shù)據(jù)；指令11：讀數(shù)據(jù)。3.4電源模塊電路設(shè)計(jì)溫度測(cè)量系統(tǒng)采用了3.3V的供電電源。為了保證單片機(jī)模塊的供電穩(wěn)定性，單片機(jī)采用單獨(dú)供電的方式，防止受到其他電源模塊在供電時(shí)影響，與其他模塊隔離開(kāi)來(lái)。電源芯片采用LTC3612EUDC穩(wěn)壓芯片。LTC3612EUDC電路圖如圖3-6所示。圖3-6 LTC3612EUDC電路圖254 基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在完成了基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)之后，本章主要是給出基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)的主程序流程設(shè)計(jì)，并完成溫度采集和LCD顯示程序流程設(shè)計(jì)。4.1主程序流程基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)程

30、序的流程圖如圖4-1所示。圖4-1 系統(tǒng)程序總流程基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)中，通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)的溫度，通過(guò)檢測(cè)四路信息并將其傳入STM32L476中，我們比較所測(cè)的待測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)溫度值、系統(tǒng)預(yù)設(shè)的報(bào)警溫度值、需要實(shí)時(shí)控制的溫度值，通過(guò)比較的結(jié)果做出對(duì)應(yīng)的處理，如果LCD顯示則正常，不顯示則聲光報(bào)警，工作人員再做出相應(yīng)處理。在程序中，我們通過(guò)四個(gè)中斷來(lái)進(jìn)行設(shè)置系統(tǒng)的設(shè)置溫度，每一次中斷溫度加1或者減1。4.2溫度采集流程基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)的溫度采集流程如下所示：圖4-4 溫度采集流程本設(shè)計(jì)是一個(gè)測(cè)定溫度的系統(tǒng)，需要采集不同點(diǎn)的溫度，并對(duì)各點(diǎn)溫度進(jìn)行積分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以便更準(zhǔn)確的控

31、制和確定真實(shí)溫度值。采用多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。軟件項(xiàng)目采用中斷的方式處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)輸出電平發(fā)生變化時(shí)，它表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，中斷已經(jīng)應(yīng)用到微控制器上。4.3顯示程序流程該部分程序?qū)崿F(xiàn)當(dāng)前溫度值的顯示，主要的是液晶顯示器的初始化命令的設(shè)置，我們通過(guò)單片機(jī)控制顯示器，使顯示器能夠顯示我們想要的效果，我們程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)LCD控制顯示我們所設(shè)置的和當(dāng)前的溫度值，我們可以直觀地觀察到當(dāng)前溫度和設(shè)置的溫度值。顯示子程序流程圖見(jiàn)圖4-5所示。圖4-5 顯示子程序流程圖4.4軟件仿真基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)一經(jīng)標(biāo)定，被加熱工件在加熱過(guò)程中任意時(shí)刻的溫度都可以用來(lái)測(cè)定，并計(jì)算進(jìn)行誤差，

32、結(jié)果顯而易見(jiàn)，這就有利于熱處理溫度的測(cè)量和控制，并且提高控制精度和其自動(dòng)化程度。為了驗(yàn)證基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)的可行性，在MATLAB軟件平進(jìn)行仿真，驗(yàn)證基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)的精度。4.4.1仿真環(huán)境MATLAB的名稱(chēng)來(lái)源于矩陣實(shí)驗(yàn)室。它可以集成不同科學(xué)領(lǐng)域的算法功能，在一個(gè)易于操作的獨(dú)立窗口界面環(huán)境中，比如仿真、建模，以及圖形顯示。其突出的特點(diǎn)使它更全面地涵蓋了不同的科研和工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛，主要包括嵌入式和控制系統(tǒng)、以及處理和分析圖像、工程計(jì)算、信號(hào)檢測(cè)等。它在應(yīng)用價(jià)值在其通信、電子、生物和金融等領(lǐng)域也有著非常重要的地位。MATLAB使用十分方便簡(jiǎn)單，因?yàn)闊o(wú)需編

33、寫(xiě)相關(guān)基本程序，新的試劑盒還可以被配置以編程所需的, MATLAB軟件里的工具箱在不同的科學(xué)領(lǐng)域包含了三十多個(gè)。也可以通過(guò)編程方式構(gòu)造所需的新工具箱。而且其工具箱的函數(shù)源程序都是對(duì)外開(kāi)放的，所以大家可以針對(duì)我們個(gè)人的需要對(duì)其文件進(jìn)行必要的修改。MATLAB語(yǔ)言發(fā)展被譽(yù)為第四代電子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)言。因?yàn)榕c第三代編程語(yǔ)言（如Fortran和C語(yǔ)言）相比，MATLAB更為簡(jiǎn)單方便，且有著明顯的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。MATLAB用戶(hù)界面的開(kāi)發(fā)環(huán)境包括了很多：在桌面工作，工作窗口，命令窗口歷史記錄窗口，編譯和調(diào)試工具，以及各學(xué)科的功能和文件。您可以在工具或函數(shù)中找到并修改工作區(qū)域的變量。在編譯過(guò)程中，可以輕松修改M

34、文件或程序。從某種程度上說(shuō)，這個(gè)程序易于編寫(xiě)，這個(gè)程序測(cè)試也容易，它運(yùn)行得更快，結(jié)果比較容易看出來(lái)。本文在MATLAB平臺(tái)上，運(yùn)用GUI編程設(shè)計(jì)了一套基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)。首先，啟動(dòng)matlab，將guide命令輸入在命令窗口；在彈出的窗口選擇BlankGUI；在彈出窗口后，可以進(jìn)行拖拽左側(cè)的工具欄，并輸入相關(guān)參數(shù)，最終導(dǎo)出結(jié)果。4.4.2工作流程基于K型熱電偶的測(cè)溫系統(tǒng)平臺(tái)的工作流程有兩種模式，第一種在手動(dòng)模式下，只要輸入圖像，系統(tǒng)平臺(tái)就會(huì)自動(dòng)處理然后顯示對(duì)應(yīng)的結(jié)果，我們就可以得到對(duì)應(yīng)的溫度和誤差。第二種在自動(dòng)模式下，設(shè)置好定時(shí)器時(shí)間，系統(tǒng)平臺(tái)會(huì)自動(dòng)實(shí)施圖像的采集和存儲(chǔ)工作，并在

35、自動(dòng)處理圖像后實(shí)時(shí)計(jì)算溫度和誤差并將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，具體工作流程如圖4-7。圖4-7 接觸溫度測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)工作流程4.4.3仿真結(jié)果基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)計(jì)算溫度值與標(biāo)定溫度統(tǒng)計(jì)表結(jié)果見(jiàn)表4-1所示。表4-1 計(jì)算溫度值與標(biāo)定溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果標(biāo)定溫度/高溫檔中溫檔低溫檔500600800450300200805030計(jì)算溫度500.1600.4800.7499.6300.2200.180.149.829.8計(jì)算誤差+0.1+0.4+0.7-0.4+0.2+0.1+0.1-0.2-0.2由表4-1可知，在高、中、低三個(gè)溫度檔其計(jì)算誤差都在3.5%以?xún)?nèi)，在工業(yè)上使用滿(mǎn)足要求，另外還可

36、以增加標(biāo)定溫度樣本的數(shù)量，對(duì)實(shí)時(shí)溫度計(jì)算算法進(jìn)行優(yōu)化也能進(jìn)一步降低誤差。將基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)中最近十次的溫度值與標(biāo)定溫度值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4-8示。圖4-8 最近十次的溫度值與標(biāo)定溫度值比較結(jié)果通過(guò)圖4-8 可知，通過(guò)仿真平臺(tái)中對(duì)比分析，基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得溫度值與標(biāo)定溫度值的誤差較小，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度的有效測(cè)量。通過(guò)對(duì)基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)中最近十次溫度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率與手工溫度檢測(cè)準(zhǔn)確率進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)果見(jiàn)圖4-9所示。圖4-9 基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)中最近十次溫度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率通過(guò)圖4-9可知，本文設(shè)計(jì)的基于K型熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)總體檢測(cè)準(zhǔn)確率

37、較高，具有一定的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。5 結(jié)論本文的設(shè)計(jì)對(duì)象是以K型熱電偶為溫度傳感器的溫度測(cè)量系統(tǒng)，首先針對(duì)設(shè)計(jì)的要求，對(duì)溫度測(cè)量的采集進(jìn)行了深入的了解和研究，其中查閱了大量國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)外采集設(shè)備的相關(guān)文獻(xiàn)和資料，然后結(jié)合測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，首先設(shè)計(jì)溫度采集的總體設(shè)計(jì)方案。其設(shè)計(jì)目標(biāo)首先要確保高精度和高可靠性，采用穩(wěn)定性、線性度、測(cè)溫精度都比較高，且測(cè)溫范圍寬、熱電動(dòng)勢(shì)較大的 K 型熱電偶進(jìn)行溫度采集，測(cè)溫系統(tǒng)綜合利用傳感器、數(shù)字電子、單片機(jī)和LCD顯示等技術(shù)方面的知識(shí)，完成了對(duì)溫度采集、顯示裝置和通信方式的設(shè)計(jì)。文中以STM32L476單片機(jī)為測(cè)溫系統(tǒng)的核心，利用ADS1248對(duì)K型熱電偶的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行采樣，將信息采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理及單片機(jī)通信技術(shù)等相互融合，從而達(dá)到對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確認(rèn)被測(cè)場(chǎng)所是否有合適的溫度。單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的可控性、高敏感性和溫度傳感器準(zhǔn)確性，使