基于C8051F020多型号热电偶测温智能板的硬件设计开题报告
2020-04-15 17:13:34
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
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文 献 综 述 摘要： 在现代化的工业现场，常用热电偶测试高温，测试结果送至主控机。由于热电偶的热电势与温度成非线性关系，所以必须对热电偶进行线性化处理以保持测试精度。该系统通过高精度/数据转换器对热电偶电动势进行采样、放大，并在C8051F020单片机内采用一定算法实现对热电偶的线性化处理，再通过数/模转换器进行数/模转换产生4mA~20mA电流，送主控中心 关键词：热电偶；线性化；C8051F020单片机 正文： 1821年，德国-爱沙尼亚物理学家汤玛斯#183;泽贝克发现任何导体(金属)被施加热梯度时都会产生电压。现在这种现象被称为热电效应或Seebeck效应。若要测量这个电压，必须把”热”端连到另一导体上。增加的导体也会经历热梯度，自身也会产生一个电压，并与原来的电压抵消。幸运的是，热电效应中电压的大小取决于金属的种类。在电路中使用不同的金属会产生不同的电压，因此存在一个很小的电压差值可以被测量，这个差值随温度的升高而增大。对于目前常用的金属组合，这个差值通常在1到大约70微伏每摄氏度之间。一些常用的固定组合成为工业标准，通常考虑到成本、适用、便利、熔点、化学性质、稳定性和输出。由于热电偶产生的电压很小，很多的应用是利用热电偶堆。 1823年塞贝克发现，将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路，若两接触点温度（T，T0）不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克效应，通常称为热电效应。回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB（T，T0）表示。两种不同的导体A和B称热电极，测量温度时，两个热电极的一个接点置于被测温度场（T）中，称该点为测量端，也叫工作端或热端；另一接点置于某一恒定温度（T0）的地方，称参考端或自由端、冷端。T与T0的温差愈大，热电偶的热电势也愈大，因此，可以用热电势的大小衡量温度的大小。当热电偶两电极的材料不同，且A、B固定后，热电偶的热电势EAB（T，T0）便成为两端温度T和T0的函数，即：EAB（T，T0）= E（T）#8212;E（T0），也就是说，热电偶的热电势等于热端与冷端温度T和T0所引起的电势差。当T0保持不变，即E（T0）为常数时，则热电势EAB（T，T0）便为热电偶热端温度T的函数EAB（T，T0）= E（T）#8212;C=Φ（T），由此可知，EAB（T，T0）与T有单值对应关系，这就是热电偶测温的基本公式。 热电偶是一种被广泛应用的温度传感器，也被用来将热势差转换为电势差。它的价格低廉，易于更换，有标准接口，而且具有很大的温度量程。主要的约束是精度，小于1摄氏度的系统误差通常较难达到。而且热电偶的热电势与温度成非线性关系，所以必须对热电偶进行线性化处理以保持测试精度。 C8051F020 器件是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片，具有 64 个数字 I/O 引脚（C8051F020）。C8051F020的指令运行速度是一般80C51系列单片机的10倍以上。因为其CIP-51中采用了流水线处理结构，已经没有了机器周期时序，指令执行的最小时序单位为系统时钟，大部分指令只要1～2个系统周期即可完成。又由于其时钟系统比80C51的更加完善，有多个时钟源，且时钟源可编程，时钟频率范围为0～25 MHz，当CIP-5l工作在最大系统时钟频率25 MHz时，它的峰值速度可以达到25 MI／s，C8051F020已进入了8位高速单片机行列。 C8051F020内部带有数据采集所需的ADC和DAC ，其中ADC有两个，一个是8路12位逐次逼近型ADC，可编程转换速率，最大为100 kS／s．可通过多通道选择器配置为单端输入或差分输入。内有可编程增益放大器PGA用于将输入的信号放大，提高A／D的转换精度。可编程增益为：0.5、1、2、4、8或16，复位时默认值为1。另一个是8路8位ADC，可编程转换速率最大为500 kS／s，其可编程放大增益为0.5、1、2、4，复位时默认值为0.5。有2个12位的DAC，用于将12位的数字量转换为电压量，可产生连续变化的波形，两路信号可同步输出。 接下来介绍下所用的软件工具PROTEL99SE和基本操作。 Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。 最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。 PROTEL99SE的基本操作：元件库文件（.LIB）也是基于数据库文件（.DDB）下的操作，同一个数据库下元件库中的元件才可以通过Tools -gt; Copy Component 相互复制，不同数据库时可先用右键的copy将整 个元件库复制到当前数据库，再在该数据库中进行单个元件的复制。在放置芯片引脚时大头指的是引脚外侧，引脚名称会嵌到芯片框里，引脚号在外侧。 1、在画芯片图时，如果用到画线的功能，则应将View -gt; Snap Grid 功能打开，可增加画线时的定位精度。 2、不同设计文件之间拷贝模块时，操作如下：先选中要拷贝的部分－》拷贝，鼠标变成十字线后在选定的区域中间点击左键－》切换到另一个设计文件，粘贴即完成了操作。 参考文献 [1] 夏路易，石宗义.电路原理与电路板设计教程Protel 99SE.北京希望电子出版社，2002 [2] 张玉平主编. 电子技术试验及电子电路计算机仿真. 北京：北京理工大学出版社，2001 [3] 李广弟，朱月秀，王秀山编著. 单片机基础. 北京：北京航空航天大学出版社，2001 [4] 马忠梅，籍顺心，张凯，马岩编著. 单片机的C语言应用程序设计. 北京：北京航空航天大学出版社，2003 [5] 王秀杰，张畴先，模拟集成电路，西安：西安工业大学出版社，2001 [6] 薛钧义，张彦斌，单片微型计算机及其应用，西安：西安交通大学出版社，1997 [7] 高登芳，微型计算机实用测控接口技术，北京：科学技术出版社，1990 [8] 周明德编著 微型计算机原理及应用 北京：清华大学出版社，2002 [9] 刘乐善等.微型计算机接口技术及应用.武汉：华中科技大学出版社, 2000 [10] 米阳，韩晕昊，复杂系统的模糊变结构控制及其应用，2008 [11] 邹益仁，现场总线控制系统的设计和开发，2003 [12] 刘乐善等.微型计算机接口技术及应用.武汉：华中科技大学出版社, 2000 [13] 单片机与嵌入式系统应用，北京：北京航空航天大学出版社，2002，NO.5 [14 张秀玲，马慧，自动控制理论实验及综合系统设计，2008] [15] 陈德池，周欣然微处理器与现场总线技术，2003 [16] 潘琢金译．C8051F020 混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[Z]．新华龙公司提供 [17] 白焰，分散控制系统与现场总线控制系统：基础，评选，设计和应用，2001 [18] 孙江红，Protel DXP电路设计与仿真 2004 [19] 池之恒，Protel DXP电路原理图与电路板设计教程，2004 [20] 杨世兴，郭秀才，测控系统原理与设计，人民邮电出版社，2008 |
2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
热电偶温度补偿：
热电偶温度补偿公式如下：e(t，0)=e(t，t0) e(t0，0)
其中，e(t0，0)是实际测量的电动势，t代表热端温度，t0代表冷端温度，0代表o℃。在现场温度测量中，由于热电偶冷端温度一般不为o℃，而是在一定范围内变化着，因此测得的热电势为e(t，t0)。如果要测得真实的被测温度所对应的热电势e(t，0)，就必须补偿冷端不是0℃所需的补偿电势e(t0，0)，而且，该补偿电势随冷端温度变化的特性必须与热电偶的热电特性相一致，这样才能获得最佳补偿效果
