毕业论文
基于单片机的热电偶测温系统
摘要
热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，在工业用温度传感器中占有及其重要的地位。本文设计了基于单片机的热电偶测温系统，该测温系统由温度测量电路、运算放大电路、AD转换电路及显示电路组成，以AT89C51单片机为主控单元。文中首先介绍了热电偶的测温原理，热电偶冷端补偿方法，结构形式，及其特点等，另外简答介绍了硬件平台中相关模块的功能及用法。另外对硬件电路包括温度转换芯片MAX6675、K型热电偶、89C51单片机、数码管等元器件及温度采集电路、温度转换电路、数码管显示电路做了详细的介绍及说明。
关键词温度传感器热电偶热时间常数冷端补偿
The thermocouple temperature measurement system
based on single chip microcomputer
ABSTRACT
Thermocouple sensor is currently the most widely used in non-contact temperature measurement of thermoelectric sensors, in the industry with a temperature sensor and its important status. This paper designed the thermocouple temperature measurement system based on single chip microcomputer, the temperature measurement system composed of temperature measuring circuit, operational amplifier circuit, AD conversion circuit and display circuit, AT89C51 single chip processor as the main control unit. This paper first introduces the principle of thermocouple temperature measurement, the thermocouple cold junction compensation method, structure form, and its characteristics, etc., in the and usage of related modules. In addition to chip MAX6675, K type thermocouple, 89 c51, digital tube and other components and temperature acquisition circuit, temperature conversion circuit, digital tube display circuit made detailed introduction and description.
KEY WORDS Temperature sensor Thermocouple Thermal time constant Cold junction compensation
1绪论
温度是反映物体冷热状态的物理参数，对温度的测量在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工、国防、科研等领域中有广泛地应用。在某些特殊的场合对温度的检测速度有很高的要求，例如：在测量汽车发动机吸入空气的温度的时候，就要求热响应时间小于1s；航天飞机的主发动机的温度测量要求0.4s 内完成等。因此针对以上问题就有人提出温度快速测量的思想。
通常用来测量温度的传感器有热电阻温度传感器、热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器等几种。这些常用温度传感器一般的温度测量中可以满足响应速度的问题。但在特殊的场合就不能达到快速检测的要求，例如在气体温度测量时候，由于温度传感器自身的热滞特性，而气体传热过程又比较缓慢，气体温度测量就有很大滞后。工业常用的精度较高的温度传感器有铂热电阻、半导体温度传感器等。铂热电阻具有温度测量范围大、重复性好、精度高等特点，但是响应不是很快，特别是在对气体温度测量时至少要几秒钟，在某些工作环境比较特殊的场合，如高压环境下，还需使用铠装的铂热电阻，更是延缓了热响应速度。半导体温度传感器分热敏电阻和PN结型温度传感器两种。热敏电阻非常适合对微弱温度变化的测量，但是缺点是非线性严重；PN结型的特点是体积小、线性输出、精度高，但是不能使用在液体环境，对气体温度变化响应也较慢[1]。所以用温度传感器一般都存在着对气体温度变化响应较慢的问题。在对温度实时性测量要求比较高的系统，运用常用温度测量方法很难做到对温度的快速测量，对系统的精度影响就很大。
在工业过程控制与生产制造领域普遍使用具有较高测温精度及测温范围的热电偶做测温元件。在工业标准热电偶中,K型(镍铬-镍硅)热电偶由于
具有价格低廉、输出热电势值较大、热电势与温度的线性关系好、化学稳定性好、复制性好、可在1000℃下长期使用等特点,因而是工业生产制造部门应用最广泛的热电偶元件。但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题[2]。①非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系,因此在应用时必须进行线性化处理。②冷端补偿:热电偶输出的热电势为冷端保持为0℃时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿。
③数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求。在许多热工实验中，往往面临热电偶冷端温度问题,不管是采用恒温补偿法(冰点补偿法)还是电桥补偿法,都会带来实验费用较高、实际的检测系统较复杂.难以达到实时测量、接口转换电路复杂等问题,而随着计算机测控技术在工业生产制造领域的普遍应用,温度参数的微机化测量与控制已成为必然趋势。因此我们必须解决对热电偶测量信号的放大调理、非线性校正、冷端补偿、模数转换、数字输出接口等一系列复杂的问题,以及解决模拟与数字电路硬件设计过程和建表、查表、插值运算等复杂的软件编制过程,以达到使电路简化,成本减少,增加系统可靠性的目的。
鉴于上面的分析,本论文主要任务是设计一种基于高精度K型热电偶传感器的快速测温系统。采用带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675、K 型热电偶、89C51单片机、数码管等元器件设计出相应温度采集电路、温度转换电路、温度控制电路、超量程报警电路、数码管显示电路。系统用单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675进行控制,要达到任务书中的技术指标，并对系统进行protuse的调试和仿真试验，使其具有良好的实用性能，能够实现对固体表面、液体和气体温度的高精度快速测量。
2系统原理概述
2.1 热电偶测温基本原理
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路[2]，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端（热端），温度较低的一端为自由端（冷端），自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后即可知道被测介质的温度。热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1、热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；2、热电偶所产生的热电势的大小当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；3、当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关。若热电偶冷端的温度保持一定，这时热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。
2.2热电偶冷端补偿方案确定
热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。
2.2.1分立元气件冷端补偿方案
方案一的热电偶冷端温度补偿器件是由分立元件构成的,其体积大,使用不够方便,而且在改变桥路电源或热电偶类型时需要重新调整电路的元件值。主要包括温度采集电路、信号放大电路、AD转换电路、热电偶冷端补偿电路、数码管显示电路等。
2.2.2集成电路温度补偿方案
方案二采用热电偶冷端补偿专用芯片max6675，max6675温度转换芯片具有冷端温度补偿及对温度进行数字化测量这两项功能[5]。一方面利用内置温度敏感二极管将环境温度转换成补偿电压，另一方面又通过模数转换器将热电势和补偿电压转换为代表温度的数字量, 将二者相加后从串行接口输出的测量结果，即为实际温度数据。主要包括温度采集电路、max6675温度转换电路、数码管显示电路等。
2.2.3方案确定
综合对比以上两种方案，方案一电路复杂，且测量不精确照成误差较大，方案二采用集成温度转换芯片不仅能很好的解决冷端温度补偿及温度数值化问题，并消除由热电偶非线性而造成的测量误差,且精确度高，可实现电路的优化设计。故最后采用方案二。
2.3硬件组成原理
本系统硬件主要由热电偶温度采集电路、MAX6675温度处理电路、89C51单片机控制电路、超量程报警电路和数码管显示电路组成。
热电偶采用分度号为K的热电偶，为了减少外界信号的干扰通过双绞线跟MAX6675芯片直接相连接。MAX6675芯片通过SPI串行接口传输数据，采用的89C51单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675进行控制。本系统设计还具有报警的特点，当所测量的温度低于零摄氏度或
者高于400摄氏度时报警电路发出警报。显示电路由89C51单片机通过锁存器对四位共阳数码管控制，数码管工作需要较大的电流采用型号为8550的PNP三极管进行控制，当所测温度在规定范围内时就可以通过数码管快速显示出来。
2.4软件系统工作流程
系统的软件工作流程为：热电偶采集的温度数据；温度数据经过MAX6675内部电路的AD转换、冷端补偿、内部校正[6]；温度转换电路将处理后12位数字温度量以串行方式送给单片机；单片机将数字量进行软件算法处理；如果测量温度在测量范围内，最后通过数码管显示出测量温度；如果超出测量范围由单片机控制使报警电路报警。其软件工作流程图如图2-4。
热电偶温度数据
采集
MAX6675将采集的数
据处理为数字量
单片机通过算法编程达到
快速测温效果
温度高于或低于某一温度值报警温度在测量范围内显示
图2-4 系统软件工作流程图3硬件设计
3.1热电偶简介
热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它是将温度量转换为电量变化的装置。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位。
3.1.1热电效应
当两种不同材料的导体或半导体连成闭合回路时，将两个接点分别置于温度为T和T0的热源中，该回路内会产生热电势[2]。热电势的大小反映两个接点温度差，保持T0不变，热电势随着温度T变化而变化。测得热电势的值，即可知道温度T的大小。
图3-1热电偶测温原理图
产生的热电势由两部分组成：温差电势和接触电势。
接触电势产生的原因：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，（N A>N B，A到B）在接触处失去电子的一侧带正电，得到电子的一侧带负电，形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势和可表示为：
（3-1）
（3-2）
式中：—波尔兹曼常数；—单位电荷电量；、和、— 分别在温度为和时，导体A 、B 的自由电子密度。
同一导体温差电势是由同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，形成一个静电场，该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此，在导体两端便形成温差电势，其大小由下面公式给出：
（3-3）
：汤姆逊系数，表示导体A 两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势。 热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和。
),(),()(),(0000T T e T T e T e e T T E A B AB AB ABE -+-=
dT N N e KT N N e KT T T A B BT AT BT AT )(ln ln 0
000?-+-=σσ （3-4） 在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，在精度要求不高的情况下，热电偶的热电势可近似表示为：
)()(),(00T e T e T T E AB AB AB -≈ （3-5）
对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，为常数，则总的热电动势就只与温度T 成单值函数关系，即：
)()(),(0T f c T E T T E AB AB =-= （3-6）
实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。
热电偶回路的几点结论：1、如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。2、如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。3、热电偶AB 的热电势与A 、B 材料的中间温度无关，只与结点温度有关。
3.1.2 热电偶基本定律
中间导体定律：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导体，只要其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。
均质导体定律：由一种均匀介质导体组成的闭合回路，不论导体的截面、长度以及各处的温度分布如何，均不产生热电势。换句话说：如果热电偶的两根热电极是由两种均质导体组成，那么热电偶的热电势仅与两接点温度有关，与沿热电极的温度分布无关。如果热电极为非均质导体，当处于具有温度阶梯的情况时，将会产生附加电势，引起测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的主要指标之一。
参考电极的实用价值在于：它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。用作参考电极(标准电极)的材料，目前主要为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定。
中间温度定律：)(),(),(0,0T T E T T E T T E C AB C AB AB +=热电偶AB 在接点温度为、中间温度为.该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质[10],可对参考端温度不为0℃的热电势
进行修正。
图3-2 热电偶中间导体示意图
3.1.3 热电偶温度补偿
从热电偶测温基本公式可以看到，对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度t 和自由端温度t 0有关即：
（3-7）
热电偶的分度表是以t 0=0℃作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，参考端温度往往不为0℃，那么工作端温度为t 时，分度表所对应的热电势与热电偶实际产生的热电势之间的关系可根据中间温度定律得到下式：
)0,(),()0,(00t E t t E t E AB AB AB += （3-8）
由此可见，是参考端温度t 0的函数，因此需要对热电偶参考端温度进行处理。
常用的补偿方法有[7-8]：1、冷端恒温法；2、补偿导线法；3、计算修正法；4、电桥补偿（又称冷端补偿器）法；5、显示仪表零位调整法；6、软件处理法。
3.1.4 热电偶的结构形式
为了适应不同生产对象的测温要求和条件、热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。
普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保
护管和接线盒组成。其结构图如图3-3所示。
图3-3 普通结构热电偶
铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。其结构图如图3-4所示。
图3-4 套管热电偶结构图
薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料，用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶，薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01~0.1μm）, 具有热容量小，反应速度快等的特点，热相应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。其结构图如图3-5所示。
图3-5 薄膜热电偶结构图
3.1.5K型热电偶概述
K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶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。
图3-6 K型热电偶
镍铬-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。K型热电偶丝直径一般为1.2～4.0mm。
正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=92：12，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=99：3，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.
3.1.6K型热电偶特点
K型热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。必须配和二次仪表使用其优点是：
①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。
②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
3.2具有冷端补偿的数字温度转换芯片MAX6675功能简介
MAX6675是美国Maxin公司生产的基于SPI总线的专用芯片[9]，不仅能对K型热电偶进行冷端补偿，还能对热电势信号作数字处理，具有很高的可靠性和稳定性，可广泛应用于工业、仪器仪表、自动化领域等。其内部结构框图如图3-7所示。
图3-7 MAX6675内部结构框图
3.3单片机选择及部分功能简介
MCU是整个系统的控制核心，由于温度测量系统的接口方便，综合考虑整个系统，选用美国ATMEL公司生产的AT89C51型单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，其外观引脚图如下：
图3-11AT89C51外观引脚图
AT89C51提供以下标准功能[12]：4k字节的flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个IO口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式、空闲方式停止CPU工作，但允许RAM，定时技术器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个硬件复位。
AT89C51共有4个双向的8位并行IO端口，分别为P0~P3，共有32根口线，端口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。P0~P3的端口寄存器属于特殊功能寄存器系列。这四个端口除了可以按字节寻址外还可以位寻址。其中P0口为漏极开路作为输出使用时应外加上拉电阻，P3口既可以做为普通IO口使用，还可以作为特定的功能引脚。虽然51单片机只有一个串口接口，但其IO口既可以用字节寻址也可以位寻址，这样在实际应用中，我们就可以通过模拟不同总线的时序特征来实现各种数据的传输。
AT89C51单片机内部有一个功能强大的全双工的一部通信串口。其串行口有四种工作方式：分别为同步通信方式、8位异步收发、9位异步收发（特定波特率）、9位异步收发（定时器控制波特率）。它有两个物理上独立接收发送缓冲器SBUF，可同时发送、接收数据。波特率可由软件设置片内的定时器来控制，而且每当串行口接收或发送1B完毕，均可发出中断请求。
AT89C51单片机的SPI实现
串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口，Motorola公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口。SPI 用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI可以同时发出和接收串行数据。它只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯，这四条线是：串行时钟线（CSK）、主机输入从机输出数据线（MISO）、主机输出从机输入数据线（MOSI）、低电平有效从机选择线CS。当SPI工作时，在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器（高位在前）。发送一个字节后，
从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。主SPI的时钟信号（SCK）使传输同步。其时序图如下：
图3-12SPI总线时序图
对于不带SPI串行总线接口的AT89C51单片机来说，可以使用软件来模拟SPI的操作[13]，包括串行时钟、数据输入和数据输出。对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。对于在SCK的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时钟输出口P1.1（模拟MCU的SCK线）的初始状态设置为1，而在允许接口后再置P1.1为0。这样，MCU在输出1位SCK时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至MCU的P1.3口（模拟MCU的MISO线），此后再置P1.1为1，使单片机从P1.0（模拟MCU的MOSI 线）输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。此后再置P1.1为0，模拟下1位数据的输入输出，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。对于在SCK 的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为0，即在接口芯片允许时，先置P1.1为1，以便外围接口芯片输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再置时钟为0，使外围接口芯片接收1位据(MCU发送1位数据)，从而完成1位数据的传送。
3.4路同相三态双向总线收发器74LS245
74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。其引脚图如下：
图3-13 74LS245引脚功能图
74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。
当89C51单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。当片选端E低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收）DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当E为高电平时，A、B均为高阻态。由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。P0口与74LS245输入端相连,E端接地，保证数据线畅通。89C51的RD和PSEN相与后接DIR，使得RD且PSEN有效时，74LS245输入（P0.1←D1），其它时间处于输出（P0.1→D1）。
3.5硬件电路详细设计
3.5.1温度采集电路
热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点[14]。但是，热电偶的应用却存在着非线性、冷端补偿、数字化输出等几方面的问题。设计中采用的MAX6675是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、AD转换器及SPI串口的热电偶放大
器与数字转换器，其电路如图3-14所示。
K型热电偶的两端分别跟MAX6675芯片的T-跟T+相连，为了允许热电偶断路检测，T-引脚必须接地。MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声影响，在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1μF 陶瓷旁路电容。温度由热电偶采集，然后将数据直接送给冷端补偿芯片MAX6675芯片进行处理，处理后送给单片机控制电路，完成简单的温度采集过程。
图3-14温度采集电路原理图
3.5.2显示电路
LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件，是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个或一个笔画发光，控制不同组合的二极管导通，这就能显示出不同字符。
七段LED共有8个发光二极管，其中7个发光二极管七端字形“8”，一个发光二极管构成小数点。发光二极管阴极连在一起的称为共阴极显示器，如图3-15a所示。共阴极LED显示器的发光二极管阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，即逻辑电平“1”时，发光二极管点亮。发光二极管阳极接在一起的称为共阳极显示器，如图3-15b所示。共阳极LED 显示器的阳极接在+5V电压源上，当某个发光二极管的阴极为低电平，即逻辑“0”时，发光二极管点亮。
ａ共阴极显示器b共阳极显示器
图3-15七段LED显示器内部结构图
点亮显示器有静态和动态两种方式。所谓静态显示就是显示器在显示某个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。这种显示方式每个显示器都需要一个8位输出口控制，需要硬件多，适用于显示位数较少的场合。当显示位数较多时采用动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各位显示器，对于每位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的点亮和点亮时的导通电流有关，还与点亮时间和间隔时间有关，调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。
本设计使用的是一个四位共阳数码管，当89C51单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接74LS245等总线驱动器。本文温度显示电路设计是由一个4位共阳数码管通过三态双向总线收发器芯片74LS245跟单片机相连接，其电路如图3-16所示。其中74LS245的片选跟三态控制引脚接地，数据由单片机向数码管传输。数码管的位的选择通过8550三级管进行控制，三级管基极通过限流电阻跟单片机的IO口相连接，当端口为高电平时，三极管截止，当给端口为低电平时三极管导通，数码管相应的位被选中。这样可方便地对数码管每一位进行单独控制。
R3-R10为限流电阻。三极管饱和开通时，集电极－发射极之间电压取0.5V，数码管的压降取2V，数码管的工作电流取5mA～15mA。则限流电阻
燕山大学 传感器原理及应用课程设计题目：热电阻温度传感器器 学院（系）电气工程学院 年级专业： 12级自动化仪表 学号： 120103020133 学生姓名：马冰卿 指导教师：童凯 教师职称：教授
一、概述 1.1 热电阻温度传感器简介 热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。 热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。热电阻广泛用于测量-200~+850°C范围内的温度，少数情况下，低温可测至1K，高温达1000°C。 热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，热电阻也可以与温度变送器连接，将温度转换为标准电流信号输出。 用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，输出最好呈线性，物理化学性能稳定，复线性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 1.2 pt100热电阻简介 pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
二、工作原理 2.1 热电阻工作原理 与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。下面以铂电阻温度传感器为例：Pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即 ()[]010t t Rt Rt -+=α （1） 式中，Rt 为温度t 时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值α为温度系数。 半导体热敏电阻的阻值和温度关系为： t e Rt B A = （2） 式中Rt 为温度为t 时的阻值；A 、B 取决于半导体材料的结构的常数。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50～300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200～500℃范围内的温度测量，其特点是测 量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。 2.2 接线方式 采用pt100测温一般有三种接线方式：二线制、三线制、四线制。 ① 二线制接法:这种接法不考虑PT100电缆的导线电阻，将A/D 采样端与电流源的正极输出端接在一起，这种接法由于没有考虑测温电缆的电阻，因此只能适用于测温距离较近的场合。
无线测温系统硬件 需求规格说明书 1 引言 1.1 项目背景 电力设备无线测温在线监测系统主要包括开关柜内母排接头测温、站内输电线路和电缆接头测温，将监测点的接头温度实时上报到变电站后台或远程主站系统进行显示、存储和越上下限预报警处理。当现场的接头接头温度越限和温升过快时，系统会立即主动上报紧急告警信息到站内后台或远程主站系统，由软件系统给出报警并同步向相关责任人发送短信，通知运行值班人员处理。 1.2 文档约定 文档编写风格一致，文档交流采用规范管理，有重要提示或需要特别注意的地方要用红色字体标注以方便阅读，起到提示的作用，所有涉及到开发进行中的变更必须通过文件正式通知，并由开发人员评估变更的可行性，项目需求分析结束后及表示项目设计开始，后续将产生费用，将履行合同和相关协议文档的签署，所签署的文档双方同时保留。 第2 页 2. 综合描述 2.1 主要功能 传感器端主要功能罗列： 1、实时采集变电站内各点的温度值； 2、温度值监测准确，不应有误报或拒报数据的现象；
3、采集的数据通过无线（433MHz 无线模块）发送给接收器端； 4、传感器端采取高能锂电池供电，运行稳定可靠； 5、每个传感器具有唯一的ID号，相互间不会产生干扰，不受高压电磁场干扰，可以将数据准确的发送出来； 6、体积小，重量轻，安装方便，外壳是耐高温缘缘材料，并由绝缘材料密封；（按我公司提供的现有壳体来做） 7、具有软件看门狗技术，不死机，； 8、采用了优化的微功耗工作模式，可以确保设备工作3年以上； 9、无线数据传输200米以上（视距） 接收器端主要功能罗列： 1、RS485数据传输接口，提供面向连接的服务，用于传输接收器 端的数据到PC，同时接收PC 发来的数据进行处理和转发；（附带RS485转433MHZ微波信号、RJ45接口、GPRS信号接口转换器） 2、大液晶显示器，面板上有翻屏按钮和设置按钮，可翻屏查看各 测点温度及电流值以及人工设置485地址等； 3、通过433MHz 无线模块与传感器端设备进行通信，构成星型网络，单个网络容量240 个传感器设备； 4、两路继电器输出，每路提供常开/常闭输出，即可远程控制，也可设置两路超限报警控制两路继电器输出，用于外接报警器或其它设备； 5、一路运行指示灯设备正常工作时周期性闪烁； 6、一路数据收发指示灯，当有数据收发时闪烁； 7、两路继电器状态指示灯，指示继电器当前的状态； 8、设备地址可以远程及本地设置； 9、蜂鸣器报警 10、220V电源供电，带12V电源输出接口 第3 页 3. 接收器外部接口需求 3.1 用户界面
《自动检测技术及仪表》课程设计报告 热电偶温度计的测温原理、选型及其应用 学院： 班级： 姓名： 学号：
目录 一摘要 (3) 二热电偶温度计的测温原理 (3) 2.1 热电偶的测温原理 (3) 2.2 接触电势 (4) 2.3 温差电势 (4) 2.4 热电偶温度计闭合回路的总热电势 (4) 三热电偶温度计的组成结构及其作用和特 (5) 3.1 热电偶温度计的组成结构 (5) 3.2 热电偶温度计的作用及特点 (6) 四热电偶温度计测温技术中涉及到的定则 (7) 4.1 均质导体定则 (7) 4.2 中间导体定则 (7) 4.3 连接导体和中间温度定则 (8) 五热电偶温度计的误差分析及选型 (8) 5.1 影响测量误差的主要因素 (8) 5.1.1插入深度 (8) 5.1.2响应时间 (9) 5.1.3热辐射 (10) 5.1.4冷端温度 (11) 5.2 热电偶温度计的选型 (11) 六现场安装及其注意事项 (13) 七总结 (13) 八参考文献 (15)
一、摘要 热电偶温度计是一种最简单﹑最普通，测温范围最广的温度传感器，是科研﹑生产最常用的温度传感器。在使用时不注意，也会引起较大测量误差。针对当前存在的问题，详细探讨影响测量误差的主要因素：热电偶插入深度﹑响应时间﹑热辐射及冷端温度等因素对测量的影响；在使用时应该怎样选择热电偶温度计，以及使用时的一些安装注意事项，这对提高测量精度，延长热电偶寿命，都有一定的意义。 二、热电偶温度计的测温原理 热电偶温度计是一种感温元件 , 把温度信号转换成热电动势信号 , 通过电气仪表转换成被测介质的温度。 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端温度不同时 , 回路中就会产生电势，这种现象称为热电效应（或者塞贝克效应）。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在 0°C 时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时 , 只要该材料两个接点的温度相同 , 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此 , 在热电偶测温时 , 可接入测量仪表 , 测得热电动势后 , 即可知道被测介质的温度。 热电偶温度计测温原理图如图所示： 其中，T是热端、工作端或者测量端， T
无线测温技术方案 (基于EH技术) 1.EH技术说明 1.1. EH技术简介 环境能量采集（EnergyHarvesting）技术具有可循环、无污染、低能耗等优点，它建立在微电子技术和微功耗技术的基础上，是近几年发展起来的一门新兴学科，它涵盖了太阳能、风能、热能、机械能、电磁能采集等诸多方面。能量收集技术应用范围极其广泛：交通、能源、物联网、航空航天、生物等等。把能量采集技术应用到电力设备的在线监测是一个前所未有的创新，必将为解决电网智能化运行提供一个全新的平台。 能量收集(EH)也称为能量积聚，使用环境能量为小型电子和电气器件提供电能。 能量收集系统包含能量收集模块和处理器/发送器模块。能量收集模块从光、振动、热或生物来源中捕获毫瓦级能量。可能的能源还来自手机天线塔等发出的射频。然后，电源经过调节并存储起来。系统随后按照所需的间隔触发，将能量释放给后续负载使用。 1.2.EH技术应用 在变电所、站的运行现场具有丰富的电磁能，对于电压高电流小的场源(如发射天线、馈线等)，电场要比磁场强得多，对于电压低电流大的场源(如某些感应加热设备和模具)，磁场要比电场大得多。因此我们认为高压设备内是一个工频电场和磁场能量非常密集的区域。我们正是利用微电子技术、低功耗技术以及能量管理技术收集高压设备中的电磁能，并将其能量转化为无线温度传感器所需之电源。 将EH技术应用于高压设备一次回路的无线测温，解决了传感器的能量需求问题，使得传感器摆脱了对传统电池的束缚，体积更小，可靠性更高，安装更方便，维护更简单，产品更环保，技术更先进。 2.基于EH技术的富邦电控FTZ600无线测温系统 2.1. 无线测温系统简介
毕业设计（论文） 基于NRF24L01无线温度测量系统的设计 与实现 教学系：信息工程系 指导教师： 专业班级： 学生姓名： 二零一二年六月
附件1 毕业设计(论文)任务书
附件2 毕业设计(论文)开题报告
注：1. 开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在学院规定时间内完成； 2．设计的目的及意义至少800字，基本内容和技术方案至少400字； 3．指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标
目录 摘要 (1) ABSTRAC (2) 1 绪论 (3) 1.1 研究背景 (3) 1.2 课题的国内外研究状况 (3) 1.3 本课题的研究内容 (4) 2系统方案分析与选择论证 (5) 2.1 系统方案设计 (5) 2.1.1 系统设计要求 (5) 2.1.2 主控芯片方案 (5) 2.1.3 无线通信模块方案 (5) 2.1.4 温度传感方案 (5) 2.1.5 显示模块方案 (6) 2.1.6 单片机与PC机通信模块 (6) 2.2 系统方案确定 (6) 3 无线温度采集系统的硬件电路设计 (8) 3.1 单片2.4GHz NRF24L01无线模块 (8) 3.1.1 NRF24L01芯片概述 (8) 3.1.2 引脚功能及描述 (8) 3.1.3 工作模式 (9) 3.1.4 工作原理 (9) 3.1.5 配置字 (10) 3.1.6 NRF24L01模块原理图 (10) 3.2 温度采集端 (11) 3.2.1 采集单元 (11) 3.2.2 控制单元 (15) 3.2.3 显示单元 (19) 3.2.4 传输单元 (19)
基于STC单片机的温度测量系统的研究 摘要：本文针对现有温度测量方法线性度、灵敏度、抗振动性能较差的不足，提出了一种基于STC单片机，采用Pt1000温度传感器，通过间接测量铂热电阻阻值来实现温度测量的方案。重点介绍了，铂热电阻测量温度的原理，基于STC实现铂热电阻阻值测量，牛顿迭代法计算温度，给出了部分硬件、软件的设计方法。实验验证，该系统测量精度高，线性好，具有较强的实时性和可靠性，具有一定的工程价值。 关键词：STC单片机、Pt1000温度传感器、温度测量、铂热电阻阻值、牛顿迭代法。 Study of Temperature Measurement System based on STC single chip computer Zhang Yapeng,Wang Xiangting,Xu Enchun,Wei Maolin Abstract:A method to achieve temperature Measurement by the Indirect Measurement the resistance of platinum thermistor is proposed. It is realized by the single chip computer STC with Pt1000temperature sensor.The shortcomings of available methods whose Linearity, Sensitivity, and vibration resistance are worse are overcame by the proposed method. This paper emphasizes on the following aspects:the principle of temperature measurement by using platinum thermistor , the measurement of platinum thermistor’s resistance based on STC single chip computer, the calculating temperature by Newton Iteration Method. Parts of hardware and software are given. The experimental results demonstrate that the precision and linearity of the method is superior. It is also superior in real-time character and reliability and has a certain value in engineering application. Keywords: STC single chip computer，Pt1000temperature sensor，platinum thermistor’s resistance，Newton Iteration Method 0 引言 精密化学、生物医药、精细化工、精密仪器等领域对温度控制精度的要求极高，而温度控制的核心正是温度测量。 目前在国内，应用最广泛的测温方法有热电偶测温、集成式温度传感器、热敏电阻测温、铂热电阻测温四种方法。 (1) 热电偶的温度测量范围较广，结构简单，但是它的电动势小，灵敏度较差，误差较大，实际使用时必须加冷端补偿，使用不方便。 (2) 集成式温度传感器是新一代的温度传感器，具有体积小、重量轻、线性度好、性能稳定等优点，适于远距离测量和传输。但由于价格相对较为昂贵，在国内测温领域的应用还不是很广泛。 (3) 热敏电阻具有灵敏度高、功耗低、价格低廉等优点，但其阻值与温度变化成非线性关系，在测量精度较高的场合必须进行非线性处理，给计算带来不便，此外元件的稳定性以及互换性较差，从而使它的应用范围较小。 （4）铂热电阻具有输出电势大、线性度好、灵敏度高、抗振性能好等优点。虽然它 的价格相对于热敏电阻要高一些，但它的综合性能指标确是最好的。而且它在0~200°C范
燕山大学 课程设计说明书题目：基于热电偶的温度测量电路设计 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：
燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：电气工程学院基层教学单位： 学号学生姓名专业（班级）设计题目基于热电偶的温度测量电路设计 设 计技术参数 设计基于运算放大器的热电偶传感器输出信号调理电路以及冷端补偿电路。自选一款热电偶，对其在500到1200度测温范围内的输出信号进行放大。输出信号为直流0到2.5V 设计要求1:完成题目的理论设计模型；2完成电路的multisim仿真； 工 作 量1：完成一份设计说明书(其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）； 2：提交一份电路原理图；
工作计划周一，查阅资料； 周二到周四，理论设计及计算机仿真；周五，撰写设计说明书； 参考资料1：基于运算放大器和模拟集成电路的设计；2：模拟电子技术； 3：电路理论； 4：数字电子技术； 指导教师签字基层教学单位主任签字 说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 2011年6 月26 日燕山大学课程设计评审意见表
指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年月日答辩小组评语：
成绩： 组长： 年月日课程设计总成绩： 答辩小组成员签字： 年月日
目录 第1章摘要 (2) 第2章引言 (2) 第3章电路结构设计 (2) 3.1 热电偶的工作原理 (2) 3.2 冷端补偿电路设计 (5) 3.3 运算放大器的设计 (6) 第4章参数设计及运算 (8) 4.1 补偿电路的计算 (8) 4.2 运算放大器的计算 (9) 4.3 仿真器仿真图示 (10) 心得体会 (12) 参考文献 (13)
开关柜无线测温系统 一、概述 电力传输系统中，高压开关柜作为其中的核心枢纽部分，起着关键性的作用，如何确保高压开关柜的正常运行是电网里面的一个相当重要课题。 开关柜内部众多的接触点会由于长期的使用导致高温氧化腐蚀、螺栓松动等原因造成接触电阻的增加，从而引起设备的过热、更甚至出现严重事故，因此实行设备运行的温度在线监测是很有必要的。 二、YC无线测温系统描述 YC无线测温系统专门设计用于高压设备的温度在线检测，采用高性价比的无线传输方式。YC系列的开关柜无线测温装置采用无线电传输温度信号，传感器安装在高压设备的最容易产生高温造成事故的螺栓接触点上，并且与接收装置之间无电气连接。在保证开关柜的原运行环境下，提供一种实时、高效、安全可靠的温度在线检测方法。
特征： ★ 采用超外差射频无线技术，工作在315MHz频段；ZigBee模式，工作在915MHz频段★ 直接序列扩频(DSSS)，抗干扰能力更强 ★ 温度传感器一体化结构 ★ 自动传感器识别、无连线、安装简便 ★ 高达65535个无线传感器编址 ★ 极低的传感器耗电，电池寿命：>5年 ★具有低功耗、数据无线传输、精度高、响应速度快、操作灵活、组网方便等优势。
三、采用上位计算机实现集中温度监测 YC-12无线式温度监测仪，具有一个的RS-485接口，在无中继器的情况下，高达128个监测仪可组成一个测量网络，由上位计算机在线监测个仪器测量的温度。如图： 四、无线温度传感器在室外母线及开关柜测温中的应用
无线温度传感器设计用于室外母线接头和开关接点的温度监测，可用于以下设备的温度测量： ★ 高压开关柜动静触头 ★ 高压电缆接头 ★ 箱式变电站 ★ 高压母线接头 如图：
微机化仪表课程设计说明书
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
西安邮电大学 专业课程设计报告书 系部名称：光电子技术系 学生姓名： 专业名称： 班级：光电 实习时间：2013年6月3日至2013年6月14日
基于物联网的无线温度监控系统 【一】项目需求分析 承温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度湿度的检测与控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注。而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度湿度的检测及控制就非常有必要了。温度是物联系统中一个十分重要的物理量，对它的测量与控制有十分重要的意义。随着各类物联网的监控日益改善，各类器件的温度控制有了更高的要求，为了满足人们对温度监控与控制，本文设计了物联网家居系统中基于单片机的无线温度监控系统。随着信息科学与微电子技术的发展，温度的监控可以利用现代技术使其实现自动化和智能化。本次设计要求利用单片机及zibbee无线传输模块实现无线温度监测系统，实现温控范围调节及其超温范围报警 【二】实施方案及本人担的工作 1 .系统总体方案描述 系统设计分为2个部分，第一个部分实现温度的检测、显示和发送，第二个部分为数据的接收和显示。第一个设计模块中，利用单片机STC89C52控制温度传感器DS18B20定点检测和处理温度数据，并将当前温度显示在数码管上，接着单片机将采集的温度数据发送给单片机，再通过单片机控制，并将对接收到的温度数据进行一定的转换和处理，然后存放在寄存器中，等待下一步处理，再经过无线发送无线zigbee模块将显示的数据打包发送给第二个模块。第二个设计模块中，同样利用STC89C52单片机作为控制主体，先控制zigbee无线接收模块接收第一个模块发送的数据，然后将接收到数据在上位机上显示，整个过程就是这样。 2. 系统硬件构成 系统硬件方面主要由单片机最小系统，温度传感器DS18B20，4位共阳极数码管，还有zigbee无线收发模块,上位机显示模块组成，目的在于实现温度的准确检测和无线收发所检测的温度数据。 3.单片机最小系统设计 单片机最小系统的设计主要有五个部分组成，电源电路，复位电路，晶振电路，串口电路和控制主体的STC89C52单片机。 电源电路由一个六脚的按键开关，一个1K的电阻，一个10uF的极性电容和一个显示电路供电状态的发光二极管组成。开关为了适应各种情况下能够方便供电，开关外接有一个USB接口和一个DC-5V的标准电源接口作为供电设备使用。除此之外还设计了一个外接电源接口。电源电路如图2所示。
热电偶的原理及现象 一、实验目的：了解热电偶测温原理。 二、基本原理：1821年德国物理学家赛贝克（T?J?Seebeck）发现和证明了两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应（塞贝克效应）。 热电偶测温原理是利用热电效应。如图21—1所示，热电偶就是将A和B二种不同金属材料的一端焊接而成。A和B称为热电极，焊接 的一端是接触热场的T端称为工作端或测量端， 也称热端；未焊接的一端处在温度T0称为自由端 或参考端，也称冷端(接引线用来连接测量仪表的图21—1热电偶 两根导线C是同样的材料，可以与A和B不同种材料)。T与T0的温差愈大，热电偶的输出电动势愈大；温差为0时，热电偶的输出电动势为0；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。国际上，将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号，并且有相应的分度表即参考端温度为0℃时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。热电偶一般用来测量较高的温度，应用在冶金、化工和炼油行业，用于测量、控制较高的温度。 本实验只是定性了解热电偶的热电势现象，实验仪所配的热电偶是由铜—康铜组成的简易热电偶，分度号为T。实验仪有二个热电偶，它们封装在悬臂双平行梁上、下梁的上、下表面中，二个热电偶串联在一起，产生热电势为二者之和。 三、需用器件与单元：机头平行梁中的热电偶、加热器；显示面板中的F/V表(或电压表)、-15V电源；调理电路面板中传感器输出单元中的热电偶、加热器；调理电路单元中的差动放大器；室温温度计（自备）。 四、实验步骤： 1、热电偶无温差时差动放大器调零：将电压表量程切换到2V档，按图21—2示意接线，检查接线无误后合上主、副电源开关。将差动放大器的增益电位器顺时针方向缓慢转到底（增益为101倍），再逆时针回转一点点（防电位器的可调触点在极限端点位置接触不良）；再调节差动放大器的调零旋钮，使电压表显示0V左右，再将电压表量程切换到200mV档继续调零，使电压表显示0V。并记录下自备温度计所测的室温tn。
本科毕业论文（设计）题目无线温度测量系统设计 专业通信工程 作者姓名程丰收 学号2011201827 单位理工学院 指导教师黄慧 2015 年 6 月 教务处编
原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均在文中以明确的方式表明。本人承担本声明的相应责任。 学位论文作者签名：日期： 指导教师签名:日期：
１绪论.................................. 错误！未定义书签。 1.1 摘要 ................................................. ２ 1.2 选题依据和意义 (3) 1.3 无线传感器网络技术研究背景及意义 (4) 1.4 无线传感器网络技术简介 (5) 1.5 未来前景展望 (6) 2 ZigBee协议简介 (7) 2.1 ZigBee的概述 (8) 2.2 ZigBee的网络基础 (9) 2.2.1 网络节点类型 (10) 2.2.2 网络拓扑形式 (11) 2.3 ZigBee的工作模式 (12) 3 核心板介绍 (13) 3.1 CC2530核心板 (14) 3.2 CC2530引脚描述 (11) 3.3 温度传感器介绍 (16) 3.3.1 DS18B20温度传感器特性 (12) 3.3.2 DS18B20管脚介绍 (18) 4 系统总体设计 (19)
毕业设计文献综述 电气工程与自动化 无线温湿度检测系统设计 摘要：随着无线传感网络的发展，环境的监测在各个领域有着广泛的应用，同时，无线传感网络也在传感器的进步下显得更加实用化。针对分散节点温湿度的检测，设计一种基于单片机的无线温湿度监测系统。该设计采用C8051F330单片机为核心的控制器，以温湿度传感器HU-10S、无线收发模块nRF24L01、串行通信模块为辅助，完成对温湿度的实时监测。 关键词：监测系统；无线；温湿度测量； 近年来，随着传感器、计算机、无线通信及微电机等技术的发展和相互融合，产生了无线传感器网络[1]。无线传感器网络是目前国内外的研究热点,具有相当广阔的应用前景。但是,传感器网络要实现实用化,还有许多基础性问题和关键部件需要解决。无线传感器网络的实用化离不开传感器技术的进步。而目前无线传感器网络的的主要领域有这么几个方向：军事应用、环境应用、医疗应用、建筑及城市管理和公共安全与反恐。 例如美国Crossbow公司2005年第四季开展了一项利用无线传感器网络对狙击者进行定位的课题。预先在传感器节点上布设听觉感觉器,根据狙击时声响传到不同传感器节点的时间差,对狙击点进行联合定位[2]。这类传感器可以在大型集会前提前布置,不需长时间待机,而目前的技术足以满足传感器在体积方面的需求。在我国，无线传感器网络在农业方面的应用很多,但主要集中于测量空气温湿度,缺乏对于如土壤温湿度、CO2 浓度的研究,这将是今后进行的一个重要方向。 无线传感器作为传感器发展的一个新的方向越来越受到重视, 无线传感器网络作为无线传感器的应用随着技术的发展、完善和成熟, 将更加趋于实用, 在特殊领域, 它有着传统技术不可比拟的优势, 同时也必将开辟出不少新颖而有价值的商业应用。 用于检测温湿度的无线系统，具有简便、可靠的特点，具有可扩充性并且成本较低，是本系统的最大的意义。针对不同的地点，可以将其稍作变动，就可以达到不同的效果。如在家庭中，还可以用于检测天然气是否有泄漏、是否有人进入家中行窃。又如实验室中，则可以改为检测实验室内的有无烟雾等。温湿度的测量在农业生产的大棚管理，仓库粮食存储管理，生产制造行业，气象观测，恒温恒湿的空调房科研及日常生活中被广泛应用。可以说温湿度是影响日常的生产生活以及科研的一个很重要的因素。目前我国许多领域例如农业生产等仍采用测温仪器与人工抄录、管理结合的传统方法，这不仅效率低，而且会由于判断失误和管理不力造成很多严重损失。 本系统利用传感器进行数据采集，在C8051F330单片机中对数据进行处理，并同时使用nRF24L01
1. 概述 HCWS无线测温系统是专门设计用于高压带电体的运行温度实时监测，该系统采用前沿的无线组网技术设计，实现了高压带电体温度远距离遥测。本产品密封性能良好，室内外均可安全使用。系统具有低功耗、等电位测量、数据无线传输、精度高、响应速度快、操作灵活、组网方便等优势。 2. 技术特点 (1) 采用2.4G 频段，工作在2400～2483.5MHz（ISM）频段。 (2) 直接序列扩频（DSSS），抗干扰能力更强。 (3) 温度传感器采用LTCC内置天线，体积最小。 (4) 极低的传感器耗电，电池寿命：＞ 5 年。 (5) 高达65535 个无线传感器编址。 (6) 自动传感器识别，无连线，安装简便。 (7) 传输距离：传感器与主机之间小于80米。 3. 高压开关柜射频无线测温系统结构 通过连续监测高压开关柜内触点或电缆接头的运行温度， 可确定触点和接头处的过热程度， 当发生超温或温度变化率越限时， 系统能够及时发出预警指示。 HCWS系统采用一台中心监测计算机，通过RS485工业总线，连接HCWS无线温度监测仪，每台HCWS都具有一个RS485接口，在无中继器的情况下，多达128个HCWS无线温度监测仪可组成一个无线遥测网络，每台HCWS无线温度监测仪相当于一个无线接入点，它可接入6‐18只无线温度传感器（户外空旷地域可以接入32到64只），系统的中心计算机在线监测所有HCWS无线温度监测仪所测量的温度。 4. 无线射频温度传感器 4.1 温度传感器工作原理 HCWS无线温度传感器用于测量高压带电物体表面的温度，如高压开关柜内的裸露触点、母线连接处、户外刀闸及变压器等的运行温度。无线温度传感器是由温度传感器、测量电路、单片机控制电路、无线调制接口和供电电路组成，如图4‐1 所示，传感器将温度信号通过2.4G无线网络发送到无线温度监测仪。 4.2 无线温度传感器性能指标 (1) 温度测量范围：‐55～+125。 (2) 精度：±0.5℃(‐20～+80℃)。
1．热电偶测温基本原理 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B 的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。 A,B 两种导体，一端通过焊接形成结点，为工作端，位于待测介质。另一端接测温仪表，为参考端。为更好地理解下面的内容，我们将以上测温回路中形成的热电动势表示为EAB(T1,T0),理解为：A、B两种导体组成的热电偶，工作端温度为T1,参考端温度为T0，形成的热电动势为EAB(T1,T0)。 需要特别强调的是：热电偶测温，归根结底是测量热电偶两端的热电动势。测量仪表能够让我们看到温度数值，是因为它已经将热电动势转换成了温度。 图中，工作端温度T1, A、B与C、D连接处温度为T2，测量仪表端(参考端)温度为T0。 我们可以把总回路的总电动势E 分成两段热电动势的和，即A、B为一段，热电动势为EAB(T1,T2)，C、D为另一段，热电动势为ECD(T2,T0), 即： E= EAB(T1,T2)+ ECD(T2,T0) (热电偶中间导体定律) (1)
在上图中，如果C、D的材质和A、B完全一样，即C即为A，D即为B,相当于热电偶A、B 在T2(中间温度)处产生了一个连接点，此时，回路总电势为： E= EAB(T1,T2)+ EAB(T2,T0)= EAB(T1,T0) (热电偶中间温度定律) (2) 从式(2)我们可以看出，只要是相同的热电偶，中间产生了连接点，则总电势与连接点的温度(中间温度)无关，而只与工作端和参考端的温度有关。这正是我们希望得到的。我们在热电偶布线中，不需要考虑中间有没有连接点，也不需要考虑连接点的温度，而是和一根热电偶连接到介质和测量仪表一样。 再来比较式(2)和式(1)。如果我们能找到某种材料C、D，它能满足： ECD(T2,T0)= EAB(T2,T0) (3) 则式(1)成为： E= EAB(T1,T2)+ ECD(T2,T0)= EAB(T1,T2)+ EAB(T2,T0)= EAB(T1,T0) (4) 满足式(3)的材料C、D我们称为热电偶A、B的补偿导线。 式(4)还告诉我们，使用了补偿导线，我们将T2延伸到了T0，但最后我们的测量结果与T2无关，这样我们也可以理解为，因为我们使用了导线C、D，是它补偿了T2处连接所产生的附加电势，而使得我们最终测量不需要再考虑T2，这也是C、D为什么叫补偿导线的原因， 2．热电偶冷端的温度补偿 由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
基于Cortex-M3智能无线温度测量系统设计 钟鼎 （中国地质大学机械与电子信息学院，湖北武汉430074） 摘要：设计了一种基于Cortex-M3内核的STM32F103RBT6为核心处理器的智能无线温度测量系统。系统采用 DS18B20数字温度传感器，并利用TC35I 模块接入GSM 网络，实现利用手机短信发送温度测量指令，手机短信接收 测量数据，该系统同时具有定时自检和温度报警功能，当处理器定时自检发现DS18B20出现故障时，系统会自动启用处理器内部温度传感器并短信报警。经实验证明，该系统测量精度最高可达0.0625度，适合在距离较远，不易布线的环境下使用。 关键词：Cortex-M3；STM32F103RBT6；DS18B20；TC35I ；温度测量中图分类号：TN98 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2011）21-0183-03 Intelligent wireless temperature measurement system based on Cortex-M3 ZHONG Ding （Mechanical and Electronic Information Institute ，China University of Geosciences ，Wuhan 430074，China ） Abstract:A system uses STM32F103RBT6processor which based on Cortex -M3core.By using DS18B20to measurement the temperature and using TC35I module to connect to the GSM network ，It achieves a function that using short message to send commands and receiving the measurement data by short message.The system also has a self -test function ，when the processor found the DS18B20fails ，it will automatically enable internal temperature sensor and send alarm message.It is suitable for long distance condition with a high precision. Key words:Cortex -M3；STM32F103RBT6；DS18B20；TC35I ；temperature measurement 收稿日期：2011-08-20 稿件编号：201108066 作者简介：钟鼎（1983—），男，湖南长沙人，硕士，助理工程师。研究方向：网络通信与安全。 温度测量[1]在家居生活和工业生产控制等领域都有着广泛的使用，随着电子技术的飞速发展，应用领域还在不断的扩展，基于单片机控制的温度测量系统也相继被提出，随着 ARM 公司最新Cortex 系列内核的推出，基于Cortex-M3内核 的高性价比的处理器受到了客户广泛欢迎，而在我国，GSM 网络超过95%的覆盖率也为无线通信和远程控制创造了良好的媒介，在某些特殊环境下，比如不易布线或者布线距离较长环境下，都会使测量系统的成本升高，而且数据在长距离的传输过程中极易受到干扰，利用技术成熟成本相对较低的GSM 网络，不仅不受传输距离的限制，而且具有较好的抗干扰能力，使用便携的手机发送短信控制来实现温度的实时测量是一种较好的方法。 1系统整体设计 智能温度测量系统主要由温度测量模块、GSM 模块、外 接EEPROM 、主控制器组成。主控制器使用意法半导体公司生产的STM32F103RBT6处理器，主要完成整个系统的运行和自检工作。温度测量模块使用DALLAS 公司的DS18B20数字温度传感器，GSM 模块使用西门子工业TC35I 模块，其支持中文短信功能，通过通用串口协议与主控制器通信，接收和发送主控制器的命令，当TC35I 模块接收到短消息命令后把命令发送给主控制器，主控制器分析短信命令，如为温度测量指令则开始测量温度，测量数据通过TC35I 模块发送回去，同时备份测量数据在外接EEPROM 中，整体结构框图如图1所示。 2 硬件电路设计 2.1 主控制器 意法半导体公司新推出的STM32F103RBT6，是基于 ARM 公司最新推出的V7平台的Cortex-M3内核。芯片[2-3]具 有128k FLASH ，20k SRAM ，2个SPI 接口，3个串口，一个 USB ，1个CAN ，51个IO 口。芯片的数据处理能力为 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第19卷Vol.19第21期No.212011年11月Nov.2011 图1 系统整体结构 Fig.1Overall structure of system －183－
无线传感网络技术 课程实训 温湿度检测系统的设计与实现院（系）名称电子与信息工程学院 专业班级 学号 学生姓名 指导教师 起止时间：2017.6.26—2017.7.14
课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院教研室：软件工程
目录 第1章绪论 0 1.1系统的开发背景 0 1.2开发工具 0 第2章需求分析 (1) 2.1调研情况 (1) 2.2 模块划分 (1) 2.3 系统原理图 (1) 2.4 系统性能需求 (1) 第3章系统概要设计 (2) 3.1系统总体结构设计 (2) 3.2模块的创建 (2) 第4章硬件设计 (3) 4.1 DHT11温度湿度传感器电路设计 (3) 4.2 晶振电路和复位电路设计 (3) 4.3 LED数码显示模块设计 (3) 4.4 报警模块设计 (4) 4.5 主程序设计 (4) 4.6 LED显示子程序设计 (4) 第5章系统的测试 (6) 5.1 系统安装接线图 (6) 5.2 调试与结果 (6) 第6章总结 (6) 参考文献 (7) 附录程序 (8)
第1章绪论 1.1系统的开发背景 随着科学技术的快速发展，人类社会已取得了巨大进步！在居家生活、工农业生产、环保、气象、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境中的湿度和温度进行测量及控制。传统的方法是用温度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的场所进行换气、降温和去湿等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性相对较大。随着生产的发展急需一个含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据存储，运算逻辑判断及自动化的功能，有着智能作用等优点，一个低成本和具有较高精度的温度湿度检测器将在许多领域代替人工操作，自动不间断检测环境温度和湿度。目前市场上普遍存在的温湿度检测仪器大都是单点测量，而且温湿度信息传递不及时，精度达不到要求，不利于控制者根据温度、湿度变化及时做出决定。为此，本设计开发了一种能够同时测量多点，并实时性高、精度高，通过显示器显示温湿度信息，并能进行温湿度超限报警的测控产品。 本文设计的是基于单片机的室内温湿度检测与报警系统，运用温湿度传感器进行温度和湿度的检测，该仪器具有测量精度较高、硬件电路简单、并能很好的进行显示，可测试一定范围室内环境温湿度的特点。省去了人工检测的繁琐、耗时的过程，随时通过检测器的显示器进行读数，既方便，又快捷。 1.2开发工具 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器，使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。 LED数码管是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。 编程采用Keil C 软件，使用C语音。