摘 要

本文设计了一种热电偶测温电路的标定装置，该装置包含使用上位机软件LabVIEW编程的温度－热电动势转换模块、RS232串口通信模块、基于AT89C51单片机的D/A转换模块和信号运算放大模块等。该装置原理是在LabVIEW人机交互界面输入被测温度后，利用热电偶的曲线拟合函数将之转换为热电动势信号，然后经过串口通信送到单片机中，之后进行D/A转换和模拟运算放大电路的放大、偏置，最终实现将输入温度转换成电压模拟信号输出的功能。

该装置相当于一个毫伏信号发生器，通过与待标定热电偶仪表连接，不断改变输入温度，就可以实现对热电偶仪表的多点标定，该装置输入的温度范围是0℃～350℃,在该范围内精度能达到0.1℃。

关键词：热电偶；仪表标定；LabVIEW；单片机

Abstract

In this paper, we design a calibration device of thermocouple temperature measurement circuit, the device includes the temperature – thermoelectric emf conversion module programming by upper machine software LabVIEW, the RS232 serial interface communication module, the D/A conversion module based on single-chip microcomputer AT89C51 and the signal amplification module, etc.

The principle of the device in fact is the process of conversion and transmission of the signal, first input temperature being measured in human-computer interaction interface of the LabVIEW, then convert the input into thermoelectric emf signal using the thermocouple curve fitting function, and next send it to MCU through a serial port communication, via D/A conversion and the amplification and the offset of analog operational amplifier circuit, we eventually realize the function transforming the thermoelectric temperature input into analog voltage signal output.

The device is equivalent to a millivolt signal generator, when connecting with thermocouple instrument to be calibrated, and constantly changing the temperature input, we can achieve multi-point calibration of thermocouple instrument, the scope of input temperature of the device is 0℃~350℃, and in this range the accuracy can reach 0.1℃.

Key Words: Thermocouple；Instrument Calibration；LabVIEW；Single Chip Micyoco

目录

第1章 绪论 1

1.1 热电偶国内外研究现状 1

1.2热电偶测温原理及难点 2

1.3研究内容及目标 3

第2章 硬件设计 5

2.1 串口通信电路的设计 5

2.2 单片机D/A转换电路的设计 6

2.3 运算放大电路的设计 8

第3章 软件设计 10

3.1 上位机LabVIEW的程序设计 10

3.1.1 热电偶的曲线拟合 10

3.1.2 LabVIEW信号发生器程序的编写 11

3.1.3 LabVIEW串口通信程序的编写 13

3.2 单片机串口程序的编写 14

3.3 单片机D/A转换程序的编写 16

第4章 仿真与数据分析 18

第5章 总结和展望 20

参考文献 22

附录A 23

附录B 24

附录C 25

致 谢 26

第1章 绪论

热电偶（thermocouple）是目前在温度测量领域应用最普遍的温度传感元件之一，它是基于热电效应，把被测的温度信号转换成电势信号的测温元件，通过连接导线再配以测量毫伏级电压信号的显示仪表来实现温度的测量。各种热电偶的外形可以根据需求而随意改变，可是它们的总体构造却相差不大，主体部分一般包括热电极、绝缘套保护管和接线盒等，使用时需要配合显示仪表、记录仪表及电子调节器等装置。

热电偶测温优点十分明显，它的结构比较简单，制作很方便，价格也比较低廉，测温范围还很广，测温灵敏度和精度都很高，热惯性小，热响应速度快，动态性能好，不需要激励电源，无自发热，将温度转化为电势信号便于处理和远距离传播，容易实现集中控制和自动测试，流体、固体及其表面温度均可用它来测量^[1]。热电偶种类总多，包括：K型RN系列(镍铬-镍硅)，N型WRM系列(镍铬硅-镍硅镁)，E型WRE系列(镍铬-铜镍)，J型WRF系列(铁-铜镍)，T型WRC系列(铜-铜镍)，S型WRP系列(铂铑10-铂)，R型WRQ系列(铂铑13-铂)，B型WRR系列(铂铑30-铂铑6)等。热电偶在工业上应用十分普遍，石油、化工、供热、电力、冶金等领域它都是不可缺少的一部分。

热电偶国内外研究现状

目前国内取得成就较大的是在钨铼热电偶方面的研究和应用，东北大学团队研究制造的实体抗氧化性钨铼热电偶已经得到了国家专利，这种热电偶可用到1800℃以上的工业测温, 在宇航与核工业等高技术领域应用广泛,具有熔点高,灵敏度高,价钱便宜等优点，在国内得到大幅度推广，其次是N型热电偶的研发，这是一种镍基合金测温的新型材料，能够实现在30K～1500K温度范围内测温，可以覆盖所有廉金属材料热电偶和部分S型热电偶的测温范围。国内已经生产出各种规格的N型热电偶，用于工业生产，取得一定效果，但是推广应用却很困难，由于更换N型热电偶的同时必须要更换显示仪表和补偿导线，以此需要一定的设备投资。如果在新建厂或设备更新是就采用N型热电偶，效益会更好。除此之外，近年来国内的研究水平逐渐跟上国际的步伐，在各种新型热电偶的研究也取得了不少的成就。而在国外研究者们也是致力于新型和复合热电偶的开发，其中最成功的有复合管型铠装热电偶和金-铂热电偶，其中铠装热电偶是使用精度很到的N型或K型热电偶丝用特殊的工艺制作而成的^[2]，它的显著特点是耐高温，抗氧化，能在高温环境下长期使用，寿命比较长，目前得到了很好的推广使用。而金-铂热电偶研究历史悠久，各国都花费了很多精力在它上面，原因是目前在接触式测温仪器中金-铂热电偶是温度测量精度最高、稳定性最好的一种温度测量传感器，它的构造是将两种高纯度金属组成闭合回路，这样就能够彻底消除像铂铑合金一类的热电偶材料的不匀称以及分度值的不稳定等因素带来的影响，使测量精度大大提高，在高精度测量领域应用较多^[3]。目前，以日本为主的各个国家正在开发新型的消耗性光纤辐射温度计，这一举动已经引起各国同行专家的关注，这种热电偶的基本原理是，将光纤的端部置于被测对象（如金属熔炉）中，从端部将入射的辐射光通过光纤传输到辐射温度计进行测量。目前这种温度计已可以应用于连铸机的中间包和连续的炼铜炉内等工业领域。

热电偶测温原理及难点

目前基于微型控制芯片单片机的测温电路有很多种形式，但都是将热电偶输出的微弱信号放大和处理后,送往单片机转换显示。通过热电偶传感器获得的信号经过放大后得到的是模拟信号，为转换成单片机能接收的数字信号，通常有两种办法，一种是A/D转换，直接输入单片机中查询转换；另一种则是V/F转换，将电压信号变换成频率信号，根据脉冲间接完成测温。如图1.1所示是较常用的A/D转换测温方法,由于热电偶传感器测量得到的信号是毫伏级别的，因为太小很难直接被A/D转换器检测到进行转换，因此需要用运算放大器进行放大处理。将电压信号输入到单片机之后，可以用程序通过查表法得到对应电动势的温度，还可以将温度输出到数码管进行数码显示，从而完成温度测量过程。

图1.1 热电偶A/D变换测温方案