基于数字式温度传感器的温度检测仪 第2页
总体设计思路
本设计的整个系统主要由温度传感器、A/D转换器、放大电路、CPU和显示器构成，同时，整个系统可以作为一个智能的温度传感器。下面将分步进行介绍本设计的选件思路及整体系统构成。
作为测量温度的检测仪，首先需要温度敏感元件，即传感器。在上一章节中已经介绍了温度传感器选用热电偶式，其具体原理将在第四章硬件设计部分作具体介绍。
热电偶产生的热电势属于模拟信号，CPU无法进行处理，必须将其转换成数字信号。但热电势很小，无法直接进行A/D转换，需要先进行放大处理。常见的运算放大器有美国AD公司的AD521、AD522，B-B公司的INA101系列、INA102系列和INA104系列以及Linear Technology公司的LTC1052等。其中Linear Technology公司的LTC1052最适合用在热电偶放大器上，所以本设计选其作为构成放大电路的运放。
信号经过放大处理后交由下一步进行A/D转换处理。在A/D转换期间，如果输入信号变化很大，就会引起误差，需要采样保持器处理信号，保证A/D转换器的模拟量在转换过程中保持不变，转换结束后，要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。由于本次设计的温度检测仪主要用在温度变化较小的环境，此时的被测信号变化缓慢，模拟信号可以直接经A/D转换器进行A/D转换，没有必要采用采样保持器，所以本设计没有采用采样保持器。同时本设计的检测仪测温的精度只需要精确到整数，所以8位的A/D转换器即可满足需要。A/D转换器大致分为三类：一是双积分式A/D转换器,优点是精度高、抗干扰性好、价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近式A/D转换器，精度高、速度快、价格适中；三是并行A/D转换器，速度快，价格昂贵。我选用第二类即逐次逼近式A/D转换器。常用的此类逐次逼近式8位A/D转换器有ADC0809和ADC0804等。ADC0809需要外部时钟决定其频率，而ADC0804可以不要外部时钟，其CLKR引脚为内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1RC。经过比较，本设计选用的A/D转换器是ADC0804。
当模拟量经过A/D转换成为数字量后，CPU随即要进行处理。由于单片机具有形小体轻功耗低、控制功能强、运算速度快、性价比高、应用系统研制周期短、软硬件开发灵活方便的优点，所以本设计选用单片机作为CPU处理部分的器件，具体型号选择的是89C51.
CPU处理后的数据表现出来是温度值，需要显示器件显示。常用的显示器件有显示记录仪、发光二极管显示器LED、液晶显示器LCD、大屏幕显示器和图形显示器终端CRT。显示记录仪--是以模拟方式连续显示和记录过程参数的动态变化，但其价格都很贵，在目前的计算机控制系统中已很少采用。 LED数码管--由于具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示清晰、可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及智能化仪表广泛采用。LCD--则以其功耗极低的特点，占据了从电子表到计算器，从袖珍仪表到便携式微型计算机等应用场合。CRT终端以其图文并茂的直观生动画面，可以显示生产过程中的各种画面及报表，如生产流程图、显示报警图、趋势曲线图、状态和回路查询图等,在很多微型计算机控制系统中，特别在DDC，SCC以及DCS控制系统中，大都采用CRT操作台进行监视和控制。在本设计中，显示器件只需要显示4个简单的数字。LED有成本低廉、配置灵活，与计算机接口方便等优点，所以本设计选择LED数码管作为显示器件。该系统主要结构如图3-1所示。
第4章 硬件设计
4.1 热电偶常识
4.1.1 热电偶基本概念
本设计选用热电偶作为测温敏感器件，它测温的基本原理是热电效应，又称塞贝克效应。如图4.1所示，把两种不同的导体(或半导体)A和B连接成闭合回路，当两接点1与2的温度不同时，如T>T0，则回路中就会产生热电势EAB(T，T0)。导体A和B叫做热电极。两热电极A和B的组合称作热电偶。在两个接点中，接点1是将两电极焊在一起，测温时将它放入被侧对象中感受被测温度，故称之为测量端、热端或工作端;接点2处于环境之中，要求温度恒定，故称之为参考端、冷端或自由端。
图4-1 热电偶结构图
4.1.2热电偶测温原理[3]
热电偶就是通过测量热电势来实现测温的。该热电势是由两部分组成：接触电势与温差电势。
(1)接触电势
接触电势是基于帕尔帖效应产生的，即两种不同导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，直至达到动态平衡时形成的热电势。电子扩散的速率与自由电子的密度和所处的温度成正比。设导体A和B的电子密度分别为NA , NB，并且NA> NB，则在单位时间内，由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数多，导体A因失去电子而带正电，导体B因获得电子而带负电，因此，在A和B之间形成了电势差。这个电势在A, B接触处形成一个静电场，阻碍扩散作用的继续进行。在某一温度下，电子扩散能力与静电场的阻力达到动态平衡，此时在接点处形成接触电势，如式4-1所示。
(4-1)
式中，e为单位电荷,K为玻耳兹曼常数；EAB(T),EAB(To)分别为导体A和B的两个接点在温度T和T0时的电位差。NAT、NAT0即导体A在温度分别为T和T0时的电子密度，NBT、NBT0即导体B在温度分别为T和T0时的电子密度。
从式4-1可以看出，接触电势的大小与该接点温度的高低以及导体A和B的电子密度比值有关，温度越高，接触电势越大，两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。
(2)单一导体中的温差电势
温差电势是基于汤姆逊效应产生的，即同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。设导体A(或B)两端温度分别为T和T0，且T>T0，此时形成温度梯度，使高温端的电子能量大于低温端的电子能量，因此从高温端扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的要多，结果使高温端因失去电子而带正电荷，低温端因获得电子而带负电荷。因而，在同一导体两端便产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，最后使电子扩散达到动态平衡，此时所形成的电位差称作温差电势。A, B导体分别都有温差电势产生，可由式4-2表示
（4-2）
(3)热电偶闭合回路的总电势
如图4.2所示的热电偶闭合回路中将产生两个温差电势EA(T，T0) ， EB(T，T0)及两个接触电势EAB(T)、EAB(T0)。设T>T0, NA>NB，由于温差电势比接触电势小，所以在总电势中，以导体AB在热端的接触电势EAB(T)所占百分比最大，决定了总电势的方向，这时总电势EAB(T，T0)可写成:
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