??? 摘　要：以單片機強大的數(shù)據(jù)處理功能為基礎(chǔ)，以試驗數(shù)據(jù)的擬合而不是理想集成運放的計算公式為測量依據(jù)，提出了檢測環(huán)境電勢和現(xiàn)場電勢的新方法，并根據(jù)兩者之和即為熱電偶標準電勢這一基本依據(jù)，設(shè)計了基于R型熱電偶的測溫系統(tǒng)。由于采用了軟件對各電勢信號處理，大大簡化了傳統(tǒng)補償電路，使硬件設(shè)計僅包括環(huán)境溫度測量、現(xiàn)場電勢測量及單片機的信號處理三個模塊，并且顯著降低了成本。仿真表明，系統(tǒng)測溫精確，誤差小于5℃。
??? 關(guān)鍵詞：熱電偶；數(shù)據(jù)擬合；冷端補償；單片機；熱端溫度

?

??? 在航空發(fā)動機排氣溫度檢測、熱處理、鑄造等廣泛領(lǐng)域都需要用到溫度儀表來檢測溫度，在這些儀表中用得最多的就是熱電偶儀表。然而由于熱電偶的非線性特點，使得熱電偶的測溫電路非常復(fù)雜。例如為了實現(xiàn)非線性變化量的測量，傳統(tǒng)測溫儀表電路往往需要十余個集成運放和近百個外圍電阻、電容等元件，不僅電路極為復(fù)雜，而且易受環(huán)境溫度影響，測量精度也難以提高。另一方面，由于用以計算溫度的熱電偶標準熱電勢是在其冷端溫度為0 ℃時測量的^[3]，而實際應(yīng)用中，熱電偶冷端溫度往往不是0 ℃，受環(huán)境影響在-50 ℃～+50 ℃范圍內(nèi)變化，這種大幅度的環(huán)境溫度變化使熱電偶的測量產(chǎn)生巨大誤差，因此需對熱電偶進行冷端補償。同樣，傳統(tǒng)儀表的冷端補償電路也存在電路復(fù)雜、調(diào)試困難等缺點。
??? 針對上述傳統(tǒng)測溫電路的缺點，可對簡單模擬電路的輸入、輸出數(shù)據(jù)進行擬合，將擬合結(jié)果交給數(shù)據(jù)處理功能強大的單片機處理，就可以使電路的設(shè)計結(jié)構(gòu)大大簡化，并獲得更高的檢測精度。本文在對大量試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)擬合和電路仿真的基礎(chǔ)上，提出了新的熱電偶測溫儀表設(shè)計方法，以期為該類型測溫儀表的生產(chǎn)提供參考。
1 熱電偶的冷端溫度補償
??? 在電極材料和冷端溫度保持不變的情況下，熱電偶的熱電勢為熱端溫度(熱源溫度)的單值函數(shù)。通常工作溫度是由冷端為0 ℃時的標準熱電勢來反映，因此需要對非0 ℃的冷端進行溫度補償。其依據(jù)是中間溫度定律^[1]：
??? 已知熱電偶的熱端溫度為T(℃)，冷端溫度為0 ℃時的熱電勢為E(標準電勢)。如果：(1)該熱端溫度為T_n(環(huán)境溫度)，冷端溫度為0 ℃時的熱電勢為E₁(環(huán)境電勢); (2)該熱電偶的熱端溫度為T，冷端溫度為T_n時的熱電勢為E₂(現(xiàn)場電勢)。那么：
??? E=E₁+E_{2??????????????????????????????????????????} ?(1)
??? 根據(jù)該定律，只要設(shè)法測出環(huán)境電勢E₁，并將其與熱電偶測出的現(xiàn)場電勢E₂求和，即可計算出對應(yīng)熱源溫度的標準熱電勢E，并由已知試驗結(jié)果確定出熱端溫度T。
2? 環(huán)境電勢測量電路設(shè)計
??? 熱電偶的環(huán)境電勢是環(huán)境溫度的單值函數(shù)，所以只要利用熱電阻等溫度傳感器測出環(huán)境溫度就可以由已知的試驗結(jié)果確定出環(huán)境電勢。對K型熱電偶，其環(huán)境電勢隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系可由試驗數(shù)據(jù)的最小二乘擬合得到。其計算公式如下：
??? E₁=0.0392×T_n+0.0340??????????????????????? (2)
??? 式(2)中：E₁為熱電偶的環(huán)境電勢(mV); T_n為環(huán)境溫度(℃)。式(2)適用的溫度范圍為-50 ℃~+50 ℃。
??? 式(2)中的環(huán)境溫度T_n可由圖1所示的電路實現(xiàn)。其中R22、R16、R17和R18組成測溫電橋，其輸出信號接差動集成運放UA741。R18為WZB型鉑熱電阻(0℃時，標稱電阻值為100Ω)，R16為68Ω標準電阻。該電路可以獲得近似恒流法的線性輸出電壓V_i2和V_i3。顯然V_i3與熱電阻R18存在線性關(guān)系，所以熱電阻隨溫度的變化可以線性地反映到輸出端V_o1。通過試驗測出不同溫度下的輸出電壓V_o1，將試驗結(jié)果擬合可確定出環(huán)境溫度T_n與輸出電壓V_o1的關(guān)系如下：
??? T_n=33.6080×V_o1-76.8451???????????????????? ?(3)
式(3)中，T_n為環(huán)境溫度(℃); V_o1為輸出電壓(V)。將模擬量V_o1經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送入單片機即可計算出環(huán)境溫度T_n，再將T_n代入式(2)即可由單片機計算出環(huán)境電勢E₁。

?

5? 冷端補償?shù)能浖O(shè)計
??? 采用單片機軟件進行信號處理與運算，可以替代傳統(tǒng)集成運放等傳統(tǒng)硬件電路，從而簡化電路結(jié)構(gòu)，縮小電路板體積。本文由軟件實現(xiàn)的冷端自動補償?shù)牟糠諧語言程序設(shè)計如下：
??? ………(受篇幅所限，省略有關(guān)液晶驅(qū)動、AD轉(zhuǎn)換子程序及有關(guān)變量聲明)
??? while(1)? //無限循環(huán)以對環(huán)境電勢和現(xiàn)場電勢進行全程采集
??? ?{
??? VAL= A_D0( )；?? //對通道0進行A/D轉(zhuǎn)換，采集現(xiàn)場電勢E2的數(shù)字量
??? E2=8×VAL/25-1;? //計算現(xiàn)場電勢，依據(jù)式(4)和式(6)的化簡結(jié)果
??? VAL=A_D1( ); //對通道1進行A/D轉(zhuǎn)換，采集環(huán)境電勢E1的數(shù)字量
??? E1=VAL/40-3；//計算環(huán)境電勢，依據(jù)式(2)、(3)和(6)的化簡結(jié)果
??? E=E2+E1； //計算標準電勢
??? T=24×E+E/2-4；//計算熱端溫度，依據(jù)式(5)的化簡結(jié)果
??? display(T)；//調(diào)用顯示程序，在LCD上顯示熱端溫度
??? ………
??? }?????
6? 測溫儀表的仿真與試驗
??? 為確保熱電偶冷端補償?shù)能浻布O(shè)計正確，縮短開發(fā)周期，本文基于Proteus軟件進行了仿真。其基本過程是：(1)設(shè)計圖1以及圖1和圖4所示的仿真原理圖;然后將圖1中的熱電阻R18取值為111.88Ω(30℃時的試驗值)，再將圖2中的輸入現(xiàn)場電勢取為37.325 mV(900 ℃時K型熱電偶的標準電勢); (3)運行仿真，即可得到圖4所示熱端溫度的仿真效果。進一步試驗表明，系統(tǒng)測量誤差小于5℃。
??? 熱電阻隨環(huán)境溫度的變化，可以線性地變換為環(huán)境電勢隨環(huán)境溫度的變化，從而可以利用熱電阻測出環(huán)境電勢。現(xiàn)場電勢與輸出電壓間的關(guān)系是以試驗數(shù)據(jù)的擬合為基礎(chǔ)，而不是簡單地利用理想集成運放的計算公式，結(jié)果可使檢測精度明顯提高并簡化電路設(shè)計，這種設(shè)計方法的優(yōu)點是可以充分利用單片機強大的數(shù)據(jù)處理功能。
??? 通過對環(huán)境電勢信號和現(xiàn)場電勢信號的采集和A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機對轉(zhuǎn)換后的兩個數(shù)字信號變換、求和，即可實現(xiàn)熱電偶冷端的自動補償，不僅過程簡單，而且可以大大簡化傳統(tǒng)補償電路，符合用“軟件代替硬件”的現(xiàn)代設(shè)計思想。
參考文獻
[1] 來清民.傳感器與單片機接口及實例[M].北京：航空航天大學出版社，2008.
[2] 何希才.常用傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計與實踐[M].北京：科學出版社，2007.
[3] 孟立凡.傳感器原理及技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.
[4] 韓保軍.傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.
[5] 徐瑋.C51單片機高效入門[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.