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摘 要

热电偶是目前最常用的测温元件之一，它是将温度信号转换为热电动势信号的测温元件。由于此信号非常之微弱，通常只有μ V量级，又特别容易受到电磁干扰，所以需要对此信号进行放大调理处理。同时，由于热电偶的元件特性，测温时，无法保持热电偶的冷端恒温，因此需要进行冷端补偿。

本文是基于8路S型热电偶设计的一个高温测量系统，主要包含了热电偶信号放大电路，信号调理电路，冷端补偿电路，以及单片机最小系统。在电路设计中，为了整个温度测量过程更加准确，需要选择合适的热电偶冷端温度补偿方法，权衡几种热电偶的冷端补偿方法，最终选择了热电偶冷端计算校正法，用以弥补热电偶冷端处于室温环境时造成的误差。

本温度测量系统可以直接运用到工业现场进行温度测量，将测得的温度数据传送到电脑上显示、存储，测温准确，采集速率高，误差小。

关键词：热电偶 高温测量 冷端温度补偿

Design of Thermocouple High Temperature Measurement System

Abstract

Thermocouple is one of the most commonly used temperature measurement components, it will be the temperature signal into thermal electromotive force signal. Because this signal is very weak, usually only μ V order, but also vulnerable to electromagnetic interference, so the need for this signal amplification processing. At the same time, due to the characteristics of thermocouple components, when it is measured, it can't keep the cold junction of the thermocouple, so the need for cold junction compensation.

This article is based on 8-channel S-type thermocouple based on the design of a high-temperature measurement system, mainly including the thermocouple signal amplification circuit, signal conditioning circuit ,cold-ended compensation circuit, and the smallest single-chip system. In the circuit design, in order to improve the accuracy of temperature measurement, the need for thermocouple cold junction compensation, weighing several thermocouple cold end compensation method, I finally chose the thermocouple cold end calculation correction method, to compensate for errors caused by the cold junction at room temperature.

The temperature measurement system can be directly applied to the industrial field for temperature measurement, the measured temperature data sent to the computer display, storage, accurate temperature measurement, high acquisition rate, the error is small.

Keywords: Thermocouple; High temperature measurement system; Cold junction temperature compensation

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 热电偶测温国内外研究现状 1

1.2.1 N型热电偶 1

1.2.2 非标准化分度热电偶 2

1.2.3 陶瓷薄膜热电偶 2

1.3 主要研究内容目标 3

1.4 结构安排 3

第二章 热电偶测温相关原理 4

2.1 热电偶及其基本原理 4

2.2 热电偶分度表及选型 5

2.3 冷端温度补偿 6

2.3.1 冷端温度补偿必要性 6

2.3.2 热电偶冷端温度补偿方法的选择 6

第三章 热电偶高温测量系统硬件电路设计 9

3.1 系统总体规划 9

3.2 主控单元 9

3.2.1 MCU 9

3.2.2 电源电路 11

3.2.3 下载电路、晶振电路 12

3.3 数据采集处理 12

3.3.1 同相比例放大电路 13

3.3.2 二阶低通滤波电路 14

3.3.3 环境温度测量电路 15

3.3.4 ADC 16

3.4 数据传输 18

第四章 热电偶高温测量系统软件设计 20

4.1系统整体程序设计 20

4.2 DS18B20程序设计 21

4.3 AD7699 程序设计 23

4.4 SD-Card程序设计 25

结语 28

参考文献 29

致谢 31

附录（原理图） 32

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

随着工业自动化的飞速发展，整个社会自动化程度逐渐加深，不论是在工业中，还是科研实验中，各种通过精确温度测量来实现自动控制的精密仪器设备越来越多，那么紧接而来的，不可忽视的问题就是如何才能更加精确地完成各种情况下的温度测量，从而更加精确的控制自动控制设备在各种情况下发出正确的控制指令，完成控制整个生产过程。测温成为了其中最为重要的环节，各种各样测温方法、测温元件飞速发展，争相步入人们的视线之中^[1]。

热电偶因为成本低、结构简单、容易维护、测温范围广、测量精度高等优点被广泛应用于各种温度控制现场^[2]。

1.2 热电偶测温国内外研究现状

热电偶发展至今，相关的测温技术已经逐渐完备起来了，只因为其结构简单、使用方便（在现场只需要将热电偶插入被测环境中即可）等特点，在国内外测温领域中，特别是工业现场的直接测温中，仍旧被广泛使用。随着一些新型材料的进一步研制、新工艺的成熟进步以及一些新技术的普遍流行，热电偶的测温领域将愈加宽广^[3]。

1.2.1 N型热电偶

N型热电偶在各类热电偶中逐渐受到更多的关注，竟然渐渐地有了一种匹敌甚至超越K型热电偶的势头。N型热电偶与K型热电偶在一定程度上十分相似，二者测温范围基本相同，但是N型热电偶在以下方面优势更加明显^[4]：

1、在高温情况下，抗氧化性优，长期稳固性好；

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