锅炉温度监测系统毕业设计.doc

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1、I 摘要 锅炉作为一种重要的热能动力和主要的能源转换设备，在工业和民用取暖方面应用 广泛。温度是现代工业中一个非常重要的技术参数，对于锅炉来说也是一个非常重要的 参数，尤其是对于冬季供暖来说，温度尤为重要。随着工业技术的发展，传统燃煤锅炉 在温度的检测与控制方面不能实现自动化控制，不能使燃料得到合理利用的不足越来越 明显。并且，随着各种以清洁燃料的锅炉的不断发展，对于燃煤型的锅炉的改造要求也 在不断提高。 本设计针对传统锅炉设计的温度监测系统，是将通过热电偶采集到的锅炉炉膛温度 信号，经过放大滤波以及模数信号转换等处理后，把温度信号传递给单片机，由单片机 对采集到的信号做相应处理。同时，通过时

2、钟芯片显示时间点。在电路设计中，为了提 高测温精度，需要对热电偶进行冷端补偿，以弥补热电偶冷端处于室温环境时造成的误 差。在软件设计过程中，利用数字滤波进一步对干扰信号滤波处理温度值，同时采用 PID 算法实现对炉膛温度的控制。 关键词：锅炉；单片机；热电偶；温度信号 II ABSTRACT Boiler as an important and primary energy for thermal energy and power conversion equipment, widely used in industrial and civil heating. Temperature is

3、a very important technical parameter in modern industry, is also a very important parameter for boiler, especially for winter heating, the temperature is particularly important. With the development of industrial technology, the traditional coal-fired boiler in terms of temperature detection and con

4、trol cant achieve automatic control, cant make reasonable use of the fuel shortage is more and more obvious. And, with the continuous development of all kinds of boiler clean fuels, the reconstructive requirement for coal fired boiler has been improved. Traditional temperature monitoring system, boi

5、ler design, the author of this paper is to put the boiler furnace were collected by thermocouple temperature signal, after amplification of filtering and module of signal conversion, the temperature signals to single chip microcomputer, by single-chip microcomputer to do corresponding processing to

6、the collected signals. At the same time, the point in time by the clock chip. In circuit design, in order to improve the precision of temperature measurement, need to cold junction compensation of thermocouple, to make up the error resulted from the thermocouple cold end at room temperature environm

7、ent. In the process of software design, the use of digital filter further to interfere with the signal filtering processing temperature, at the same time, using PID algorithm to realize the control of the furnace temperature. Key words：Boiler;Boiler; SingSinglele chipchip microcomputer;microcomputer

8、; Thermocouple;Thermocouple; TheThe temperaturetemperature signalsignal 目录 前言.1 1. 绪论 2 1.1 问题提出2 1.2 检测对象的选择2 1.3 系统的总体设计思想.3 2. 系统硬件电路设计 5 2.1 热电偶传感器5 2.1.1 热电偶的种类以及热电势.5 2.1.2 热电偶测温原理.6 2.1.3 本设计热电偶选择.7 2.2 单片机系统硬件电路.7 2.2.1 单片机选择7 2.2.2 AT89C52 简介.7 2.2.3 时钟电路.10 2.2.4 复位电路.11 2.2.5 单片机最小系统.11 2

9、.3 冷端补偿.12 2.4 信号放大电路部分设计.13 2.5 信号选通电路16 2.6 A/D 转换电路.17 2.6.1 A/D 转换原理17 2.6.2 AD7705 芯片功能介绍.18 2.6.3 A/D 转换电路20 2.7 液晶显示电路21 2.7.1 LCD1602 液晶简介.21 2.7.2 LCD1602 液晶电路.22 2.8 时钟芯片电路.23 2.9 稳压电源电路设计25 2.10 报警与控制电路26 2.10.1 报警部分.26 2.10.2 按键部分.27 2.10.3 控制部分.27 2.11 串口通信28 3. 系统软件设计 31 3.1 软件总体设计31 3

10、.2 部分子程序模块设计32 3.2.1 液晶显示子程序设计.32 3.2.2 时钟芯片子程序设计.33 3.2.3 按键程序设计.34 3.3 数字滤波35 3.3.2 数字滤波程序框图37 3.4 PID 控制算法38 3.4.1PID 算法简介38 3.4.2 PID 算法流程图.40 4. 结论 41 致谢.42 参考文献.43 附录 A 总体电路图.45 附录 B:外文文献及译文45 附录 C 程序清单 .56 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 1 前言 作为一种热能转换设备，锅炉在生产和生活中被广泛使用。本设计锅炉温度监测系 统是根据燃煤锅炉的发展趋势，针对锅炉炉膛温度进行检测并做

11、出相应的控制，以达到 使燃料合理燃烧的目的。本设计是将检测到的信号经过处理后传送给单片机，单片机将 检测到的温度信号显示出来并做出相应控制动作，单片机也将同时显示对应时间，已到 达对温度的监测和控制目的。 随着国民经济的发展，我国的锅炉产业取得了长足的进步，目前已经可以生产多种 压力等级和容量的锅炉，成为世界上锅炉生产和使用最多的国家。同时，轻工纺织、能 源化工、钢铁煤炭以及集中供热等相关产业的迅速发展给锅炉产业得来了更广阔的发展 空间和发展动力。进入 21 世纪以来，环境污染与能源短缺也成了人类当前共同面临的世 纪性难题。 “十二五”计划中也阐述了关于绿色发展，建设资源节约型、环境友好型社会

12、 的规划。我国逾 50 万台工业锅炉中绝大部分是燃煤锅炉，每年耗煤量将近全国总耗煤量 的 30% 1。但同时，由于我国对于锅炉设备研究的缓慢，导致工业锅炉的效率只有西方国 家的 80%左右。相对于一些民用锅炉如供热锅炉，由于成本及设备要求等原因，燃烧效 率普遍低于国家规定标准，使锅炉长期处于高能耗、高污染、低负荷的生产状态。未来 工业锅炉产品市场发展除了受国民经济的发展速度和投资规模等因素影响外，随着能源 供应结构的变化和节能环保要求日益严格，越来越受到能源政策和节能、环保要求的制 约，锅炉行业也将面临更大范围的淘汰和改造趋势。随着社会各方对锅炉城市建设规模 的不断扩大，城市民用热化和集中供热

13、事业的发展，冬季采用供热锅炉集中供热的方式 越来越普遍，体现出生产生活用热源越来越显示出其独特的优越性，以及广阔的采暖锅 炉市场前景。温度检测系统在现代工业设计、工程建设及日常生活中的应用越来越广泛， 温度检测系统的应用和作用也体现到了各个方面。随着电子技术和微型计算机的迅速发 展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。本设计就是利用单片机对 温度进行检测与控制的。 锅炉温度监测系统 2 1. 绪论 1.1 问题提出 温度是现代工业中一个非常重要的技术参数。锅炉是一种通过燃料燃烧释放热能或 工业生产过程中的余热传递给工质（多数情况下为水） ，使工质升温达到所需要的温度甚 至转变成为

14、具有所需要热力学参数的热水或一定压力蒸汽的换热设备2。锅炉中产生的热 水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过发电机将机械能转换为 电能。随着生产力的发展和对锅炉各方面的参数要求的不断提高，对锅炉温度的检测与 控制要求也不断提高3。如果锅炉的温度过高，那么将会产生锅炉爆炸的危险。如果，锅 炉的温度过低，将无法达到生产和生活的要求。因此，对锅炉温度的监测与控制是十分 重要的。 1.2 检测对象的选择 本设计主要以燃煤式锅炉，主要用于供暖方面的供暖锅炉为背景。供暖锅炉又称供 热锅炉，主要应用于城市小区冬季集中供暖中。供暖锅炉的工艺流程如图 1-1 所示。锅炉 设备按工作流程可分为三

15、个部分：煤的燃烧控制设备、烟气排放设备和水循环控制设备4。 由于本设计系统准要是针对锅炉的温度进行设计的，所以只针对燃烧控制设备做进一步 的温度检测与控制部分的设计。 图 1-1 锅炉工艺流程图 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 3 Figure 1-1 boiler process flow diagram 炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。煤的燃烧控制设备包括给煤机、链条炉排、 鼓风机、空气预热器等，如图 1-1 所示，炉排转速和鼓风机转速决定锅炉燃烧热量56。 而锅炉燃烧的热量不仅与锅炉中的水的温度有关，也同时反映了燃烧室中燃料煤的燃烧 状态。如果炉膛内的温度过高，一方面会导致水温升高

16、，导致锅炉内压力增强。另一方 面会为煤灰的结焦创造条件，不利于煤的燃烧。反之，当炉膛温度过低时，不仅水温不 会达到生产与生活的要求，也表明燃料煤没有充分燃烧。因此，本设计选择锅炉炉膛温 度为检测对象，又因为炉排转速和鼓风机转速决定锅炉燃烧热量，故选择在炉排转速一 定的条件下，对鼓风机送风情况进行控制，以最简单可行的自动控制办法来完成实现对 锅炉温度的检测与控制。 1.3 系统的总体设计思想 由于我国的基本国情与资源现状决定了在未来相当长的时间内，燃煤型锅炉仍将是 我国锅炉的主导产品7。为了提高燃煤锅炉的效率，本设计采用 K 型热电偶测量锅炉炉膛 温度，以通过锅炉炉膛内的温度值的大小判断炉膛内的

17、燃烧情况。并且，由于热电偶采 集到的温度信号值一般较小并且为模拟信号，不利于单片机对温度信号进行处理。故由 热电偶采集到的温度信号要经过放大，滤波，以及 A/D 转换等一系列的处理后在传送到 单片机内。根据系统的应用要求以及使用情况等方面因素综合，选择采用 AT89C52 单片 机作为主控芯片。输入到单片机的温度信号经过数字滤波程序部分进行进一步的软件滤 波，使处理过的温度信号更加准确，尽最大可能减少杂波的携带，增加准确度。经过数 字滤波后的温度信号，通过 PID 计算，去除由于延时所造成的误差，使系统更加稳定。 经过处理后的温度值会显示在 1602 液晶屏幕上。除此之外，经过处理之后的温度信

18、号将 会通过串口向上位机进行数据的传输，以方便工作人员对温度值进行观察和记录。由于 时间关系，本设计将不设计上位机的有关软件设计。 由于锅炉炉膛的温度与燃烧方和煤质等有关，一般温度控制在 9001100较为合 适。超过 1200，燃料中的灰大多呈现液态或软化状态，原因是煤的灰熔点一般在 1200一下。本设计中将温度控制在 9001000之间，当炉膛的温度低于 900时， 开启送风口，使空气可以进入锅炉的燃烧室，达到助燃的目的。当温度高于 1000时， 关闭送风口，相当于起到减少助燃剂的目的。由于锅炉燃烧室内的空气量减少，支持燃 锅炉温度监测系统 4 烧的氧气减少，从而燃料不再继续过度燃烧，燃烧

19、室的温度将降低。当温度降低到低于 900时，送风口再次打开，如此反复循环控制温度。并且，当温度超过 1000时，报警 器将响起，提醒工作人员温度过高。工作人员可以通过警铃取消按键关闭报警。 系统整体原理框图如图 1-2。 信号采集 放大电路 信号选通 A/D转换 单片机 控制部分 警铃部分 报警取消按键 时钟芯片 串口通信 图 1-2 系统原理框图 Figure 1-2 system principle block diagram 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 5 2. 系统硬件电路设计 本设计系统的硬件电路由热电偶测温，信号处理部分，单片机最小系统部分以及液 晶显示等部分组成。本章将对系

20、统各部分电路进行介绍并且说明选件原因及应用原理。 2.1 热电偶传感器 2.1.1 热电偶的种类以及热电势 温度测量中使用的传感器有热膨胀温度传感器、热电偶、辐射式温度仪表、石英温 度传感器等几种常见的类型8。热电偶因其成本低，结构简单，坚固耐用等特点被广泛应 用在各种温度控制现场。热电偶是由两种不同的金属焊接一起构成的，它是热电效应的 具体应用。热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并且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对象的温度9。 热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管，在工作现场多与显示仪表，记录 仪表或者计算机等一起使用。在现场使用中根据具体环境，被测对象等多

21、种因素研制成 适合各种环境的热电偶。热电偶可以简单分为装配式热电偶，这种铠装式的热电偶和特 殊形式热电偶。按具体使用环境可细分有耐高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐 高压热电偶，隔爆热电偶，循环硫化床用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用 热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热 电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等多种。 热电偶又分为两大类，标准热电偶和非标准热电偶。标准热电偶是指国家规定了其 热电势与温度的关系，允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其相应配套 的显示仪表可供选用。非标准热电偶是指使用范围或数量级上均不及标准热电偶，它一 般

22、也没有统一的分度表，主要用于某些特殊的场合的测量。 我国从 1988 年起，热电偶 和热电阻全部按照 IEC 国际标准进行生产，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化 热电偶为我国统一设计型热电偶。热电偶的分度号有主要有 S、R、B、N、K、E、J、T 等几种。其中 S、R、B 属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T 属于廉金属热电偶10。 热电偶的测温机理是基于塞贝克于发现的温差电现象，又称第一热电效应。第一热 电效应是指由于两种不同的导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压的现象。 具体的说，是两种金属 A、B 组成闭合回路，若两金属两端节点的温度不同，则会在电路 锅炉温度监测系

23、统 6 中产生温差电动势，既为塞贝克电动势11。 在塞贝克之后，珀尔帖和汤姆逊也分别对这一现象做了实验研究，得出了塞贝克效 应是接触电动势和温差电动势综合作用的结果。基于此理论，得到了热电偶回路中热电 势的计算公式如下式所示12： (2-1)dt=dt ln e K =)T,T(E T 0T T 0T NBt NAt 0AB SAB 式中，表示热电偶的两端 A（所处温度为 T） 、B（所处温度为）的热电)T,T(E 0AB0 T 势，K 为波尔兹曼常数，e 为电子电荷， 、为材料 A、B 的自由电子密度，它NAt NBt 们都是温度 t 的函数。其中，称为热电偶的塞贝克系数。由（2-1）式可知

24、， N N ln e K =S Bt At AB 热电偶的热电势和单位体积中自由电子数、以及两接点温度 T、有关。、NAt NBt0 T NAt 取决于热电偶的材料特性，而且随温度变化而变化。组成热电偶两电极 A、B 的材料 NBt 确定后，其总电动势成为温度 T 和的函数差即：)T,T(E 0AB0 T (2-2)T(f)T(f=)T,T(E 0 0AB 式(2-2)即为热电偶测温的理论公式。一般的，取=0 作为热电偶冷端的温度值，理 0 T 论上讲，对于一个固定的热电偶，其热电动势与温度值呈现一一对应的关系。因此，可 将热电势与温度 T 的函数关系通过实验数据制成分度表，这样，只要测得热电

25、动势 ，通过计算就可得到被测温度 T。)T,T(E 0AB 2.1.2 热电偶测温原理 由式（2-2）可以看出，热电动势是热电偶两端温度函数的差。若取为一定值，例 0 T 如 0，则热电动势与待测温度 T 呈现一定的线性关系。我们可以直接通过测)T,T(E 0AB 量热电动势来获得待测温度 T13。但实际上由于热电动势的变化一般只有几十 uV/（K 型热电偶约为 41uV/） ，这样微小的信号很难直接测量出来，需要对热电动势进行放大 处理后，利用电压测量工具获得放大后的电动势，然后通过电路计算放大倍数，求出热 电偶热电势的大小进而求出温度值 T。 2.1.3 本设计热电偶选择 本设计采用的是

26、K 型热电偶（镍铬-镍硅热电偶）作为温度传感器1415。K 型热电 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 7 偶是目前用量较大的廉金属热电偶。正极（KP）的名义化学成分为 Ni：Cr=90：10，负 极（KN）的名义化学成分为 Ni：Si=97：3，工作温度范围为-2001300。K 型热电偶具 有线性度好、热电动势较大（约为 41uV/） 、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，引入的误差最大不超过 0.616能用于氧化性惰性气氛中。因 此 K 型热电偶被广泛的应用。 2.2 单片机系统硬件电路 2.2.1 单片机选择 在本设计中，考虑到系统的功能需求以及目前市场上的单片

27、机使用情况，并与单片 机学习情况相结合。本设计采用 AT89C52 单片机进行设计17AT89C52 是 ATMEL 公司生 产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机。片内含 8K 的 byTES 的可反复擦写的只读程序 存储器（PEROM）和 256 位 byTES 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准 MCS-51 指令系统及 8052 产品引脚兼容， 片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 FLASH 由存储单元，功能强大。AT89C52 单片适 用于许多较为复杂控制应用场合。 2.2.2 AT89C52 简介 主要性能参

28、数： 与 Mcs-51 产品指令和引脚完全兼容。 2）8 字节可重擦写 FLASH 闪速存储器 3）1000 次擦写周期 4）全静态操作：0HZ-24MHZ 5）三级加密程序存储器 6）2568 字节内部 RAM 7）32 个可编程 I/0 口线 8）3 个 16 位定时/计数器 9）8 个中断源 10）可编程串行 UART 通道 11）低功耗空闲和掉电模 锅炉温度监测系统 8 功能引脚说明： 1） Vcc：电源电压 2) GND：地 3) P0：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 1/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为 输出口用时。每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，

29、对端口 P0 写“1” 时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分 时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 FLASH 由编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节。校验时，要求外 接上拉电阻。 4) P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，Pl 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻某个 引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 5) P2 口：P2 是一个带有

30、内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑电路。对端口 P2 写“l” ，通过内部的上拉电阻 把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或 16 位地址的 外部数据存储器时，P2 送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器时， P2 口输出 P2 锁存器的内容。FLASH 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和一些控制 信号。 6) P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可 驱动(

31、吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上 拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流。 P3 口除了作为一般的 I/0 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 2-1 所示。 此外，P3 口还接收一些用于 FLASH 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 表 2-1 P3 口第二功能表 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 9 Table 2-1 P3 function in the second table 端口引 脚 第二功能 P 3.0 RXD（串行输入口 P 3.1 TXD（串行输出口 P 3.2 INT0（外

32、中断 0 P 3.3 INT1（外中断 l) P 3.4 T0（定时/计数器 0 ) P 3.5 T1（定时/计数器 l ) P 3.6 WR（外部数据存储器写选通） P 3.7 RD（外部数据存储器读选 通） 7) RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将 使单片机复位。 8) ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许） 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输 出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 9) PSEN：程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的

33、读选通信号，当 AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效， 即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。 10) EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器，EA 端必须保持低 电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LBI 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 如 EA 端为高电平（接 VCC 端） ，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储 锅炉温度监测系统 10 器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 VPP ，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 VPP。 11

34、) XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 12) XTAL1：振荡器反相放大器的输出端。 图 2-1 为 AT89C52 单片机的引脚图。 图 2-1 AT89C52 引脚图 Figure 2-1 AT89C52 pin drawing 2.2.3 时钟电路 AT89C52 的时钟可由内部产生也可以由外部产生。在本设计中只采用了内部产生， 利用芯片内部振荡电路，在 XTAL1，XTAL2（18，19 脚）的引脚上外接定时元件，内部 振荡器便能产生自激振荡，用示波器便可观察到 XTAL2（19 脚）输出的正弦波，定时元 件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，它与单片机的接

35、法的如图 2-2 所示。晶 振可以在 1.2MHz12MHz 之间进行选择，电容可以在 2060pF 之间选择，通常选择 30pF 左右，电容 C1，C2 的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。在设计印制板 时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，保证振荡器可靠工作， 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 11 一般采用瓷片电容。 图 2-2 时钟电路 Figure 2-2 clock circuit 2.2.4 复位电路 单片机上电后，在其 9 脚（RESET）出现 24 个振荡周期以上的高电平后，单片机内 部初始复位。为了确保单片机正常复位，必需使其第 9 脚上出现的

36、高电平保持 2s 以上。 复位电路如图 2-3 所示。系统的复位电路是由 RC 电路组成，外加一个手动复位按钮。刚 上电时或者触动按钮后 C3 两端的电压为 0，这时 RST 为高电平，而其高电平保持时间是 由 R 和 C 的时间常数决定，由公式（2-3）可知，C 充电的时间常数 等于 0.22ms，远远 大于 2s，即使 RST 高电平的时间保持 2s 以上，确保了单片机正常复位。 R*C (2-3) 图 2-3 复位电路 Figure 2-3 reset circuit 2.2.5 单片机最小系统 单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工 作的系统。最小系统

37、一般应该包括：单片机、电源、晶振电路、复位电路。图 2-4 为单片 机最小系统电路图。 锅炉温度监测系统 12 图 2-4 单片机最小系统 Figure 2-4 single chip microcomputer minimum system 2.3 冷端补偿 为了使系统的集成度与可靠性得到提高，本设计将采用比较成熟稳定的凌力尔特公 司的冷端补偿芯片 LT1025 进行冷端补偿。 热电偶在进行温度测量时，理论上应将热电偶的冷端置于 0 度的冰水混合物中，此 时热电偶的测量值为准确值。但是在实际测温过程中，为了方便测温，通常冷端的温度 不是在 0 度的冰水混合物中，而是在常温环境。由于热电偶的冷

38、端温度的上升，造成热 电势的减小（通常测量温度为正值） ，从而会造成测量产生误差。同时，热电偶在测温时 要求冷端保持稳定，这样热电势的大小才能与测量温度呈现一定的比例关系。但在室温 环境下热电偶的冷端会随环境温度变化而产生变化，这将会影响测量的精确性。在以上 情况下就需要考虑到热电偶的冷端补偿18。冷端补偿的原理是通过在冷端增加一个能随温 度变化的附加电压，使得信号调理放大电路输入端的电压与冷端处于 0 度时的情况一样。 热电偶冷端补偿方法很多如冰点法、补偿电桥、PN 结温度传感器补偿、辅助热电偶补偿、 热电偶冷端补偿器等1920。在本设计中，热电偶的冷端补偿采用 LT1025 芯片作为热电偶

39、 冷端补偿器的方法。 LT1025 芯片是一个微功率热电偶冷端补偿器。它可用于 E、J、K、R、S 和 T 型热 电偶的冷端补偿。由于热电偶测温的非线性，在其测温范围内其电压与温度的关系并不 是完全的线性关系，而 LT1025 芯片利用特殊的曲线修正电路，保证了热电偶在较大的温 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 13 度区间的冷端补偿精度。LT1025 工作电压范围是 4V 到 36V。这里要注意的是：LT1025 必须要和热电偶的冷端直接连接，或者是与冷端非常靠近21。实际工作中如果不能做到这 点，则可以用两根同样金属材料的引线把冷端引到 LT1025 附近来确保测温精度22。图 2- 5

40、为 LT1025 冷端补偿芯片电路。 图 2-5 冷端补偿电路 Figure 2-5 cold junction compensation circuit 2.4 信号放大电路部分设计 由于热电偶测量出的信号较小（K 型热电偶提供 41uV/的电压输出） ，经过热电阻 测量完成的信号最大为毫伏级，在锅炉开始启动时的信号很有可能只有微伏级，所以从 热电偶测出的温度信号要经过放大处理后，信号放大到伏级时才能满足后续电路的要求。 并且在信号传输的过程中可能会夹杂着一些噪声信号，所以需要在硬件电路中进行一些 简单的滤波处理。 本设计采用 OP-07 实现信号放大的处理。OP-07 芯片是一种低噪声，非

41、斩波稳零的双 极性运算放大器集成电路。由于 OP-07 具有非常低的输入失调电压，所以 OP-07 在很多 应用场合不需要额外的调零措施。 OP-07 芯片引脚功能说明：1 和 8 为偏置平衡（调零端） ，2 为反向输入端，3 为正向 输入端，4 接地，5 空脚 ，6 为输出，7 接电源正极。 由于电源采用 5V 供电，为保证系统的放大倍数本设计是采用 OP-07 芯片构建两级放 大电路，图 2-6 与图 2-7 为放大部分的电路原理图。图 2-6 所示为第一级放大电路，OP- 07 构成了同相放大电路。T+是热电偶在经过冷端补偿之后输出的电压信号，输入正向输 入端。理论上此放大电路的放大倍数

42、 b=（+）。电路中的电容有简单滤波的R5R6R7 作用，并且电容与电阻和可以构成滤波电路。为可变电阻，其作用为可以C12R5R6R6 锅炉温度监测系统 14 根据实际应用情况简单调整所需的放大倍数，防止在实际情况下信号有过多的损耗。放 大倍数 b 的范围为 5 倍15 倍，系统初始设计为放大倍数 b 为 9 倍，即系统中的滑动变阻 器的阻值为 4K。输入的温度信号的范围大致为 00.0492V，经过第一级放大电路后的信 号范围大致为 00.4428V。放大后的温度信号由 6 脚输出到第二级放大电路中经行第二步 放大。 经过第一级放大之后的温度信号依然比较小，需要进行进一步的放大处理，所以继

43、续采用 OP-07 芯片构建第二级放大电路，第二级放大电路依然为同向放大电路。第二级 放大电路理论上的放大倍数 b=5。也就是说经过第一级放大后的温度信号，到R11R7 第二级放大继续进行 10 倍的放大。输入到第二级放大的温度信号理论上为 00.0492V， 经过第二级放大的温度信号范围为 02.2214V，输出的信号范围是可以满足后续电路的要 求。在第二级放大电路的输出端进行了简单 RC 滤波处理，与构成低通滤波电路，R14C16 对放大后的信号进行简单的硬件电路滤波。与第一级的放大电路相同的是电路中的电容 有简单滤波的作用。 图 2-6 为第一级放大电路。 图 2-6 一级放大电路 Fi

44、gure 2-6 Level 1 amplifying circuit 图 2-7 为第二级放大电路。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 15 图 2-7 第二级放大电路 Figure 2-7 Level 2 amplifying circuit 图 2-8 为整体放大电路。第一级与第二级放大电路之间的链接如图 2-8。 图 2-8 放大电路 Figure 2-8 amplifying circuit 锅炉温度监测系统 16 2.5 信号选通电路 在实际的工作环境下，仅对炉膛内一点的温度进行测量不是很能证明此时锅炉温度 的稳定性。所以，在设计中，采用多点测温的方法，设置四个测温点对锅炉炉膛内的

45、温 度进行测量。因为本文设计的是多通道的热电偶测温、控温电路，不可能对每一路分别 处理显示。为节省成本和电路，比较实用的方法是在各路信号放大后通过一个选通器选 择其中一路信号进行 A/D 转换处理，处理完成后再选通处理下一路。本设计选择采用 CD4051 芯片来实现多路热电偶信号的选通。 CD4051 是 TEXAS INSTRUMENTS 公司生产的 COMS 模拟多路复用器/分配器， CD4051 是一个 3 至 8 路多路选择/切换器，采用二元地址解码法，是在单片机的控制下， 在某一时刻选中某一个端口接通。X0 到 X7 分别为八路模拟开关的输入或者输出端，当 做为多路传输时为输入端，作

46、信号分离时为输出端。INH 为禁止端，当 INH1 时模拟开 关均断开，输出呈高阻态。A、B、C 是二进制地址码输入端，当 INH0 时根据地址码 选中相应的通道。其中的 VEE 即可以接负电压，也可以接地。当输入电压为负值时， VEE 必须接负电压，其他时候可以接地。本设计测量炉膛内 4 个不同点的温度，故需要 选择四路通道进行筛选。 表 2-2 为 CD4051 的真值表。 表 2-2 CD4051 真值表 Table 2-2 CD4051 truth table I NH CBA接通 0000“0” 0001“1” 0010“2” 0011“3” 0100“4” 0101“5” 0110

47、“6” 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 17 0111“7” 1xxx 均不接 通 图 2-9 为 CD4051 接口电路图。 图 2-9 为 CD4051 接口电路图 Figure 2-9 CD4051 interface diagram 2.6 A/D 转换电路 由于热电势信号为连续变化的模拟信号，然而单片机处理的信号为数字量，因此必 须对测量后所得到的模拟信号进行 A/D 转换。所以，经过选择后的单路温度信号要经过 A/D 转换在送到单片机中经行进一步的处理。后本设计中采用 AD7705 芯片组成 A/D 转 换电路，完成 A/D 转换23。 2.6.1 A/D 转换原理 A/D 转换

48、器把模拟信号转换成与其大小成比例的数字信号。A/D 转换电路的种类很多， 根据转换原理可以分为积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、- 调制型等。 A/D 转换的主要技术指标有： 1）分辨率：分辨率是指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻 锅炉温度监测系统 18 度与 2n 的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 2）转换速率：转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的 A/D 转换所需的时间的 倒数。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完 成，采样速率必须小于或等于转换速率。 3）量化误差：量化误差由于 AD 的有限分辨率而引起的误差，

49、即有限分辨率 AD 的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率 AD 的转移特性曲线之间的最大偏差。 4）偏移误差：偏移误差是指输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器 调至最小。 5）满刻度误差：满刻度误差是指满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之 差。 6）线性度：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。 其他指标还有：绝对精度，相对精度，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真 和积分非线性。 2.6.2 AD7705 芯片功能介绍 AD7705 是应用于低频测量的模拟前端。该器件可以接受来自传感器的低电平输入信 号，然后产生串行的数字输出。利于 - 转换技术实现了 16 位无丢失代码性能。- 型 AD 是由积分器，比较器，一位 DA 转换器和数字滤波器等组成的。原理上近似于积分 型，是将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电 路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。片内有数字滤波器处理调制 器的输出信号。通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更