89C51单片机热电偶的温度测量系统设计(3)
鉴于上面的分析,本论文主要任务是设计一种基于高精度K型热电偶传感器的快速测温系统。采用带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675、K型热电偶、89C51单片机、数码管等元器件设计出相应温度采集电路、温度转换电路、温度控制电路、超量程报警电路、数码管显示电路[4]。系统用单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675进行控制,要达到任务书中的技术指标，并对系统进行protuse的调试和仿真试验，使其具有良好的实用性能，能够实现对固体表面、液体和气体温度的高精度测量[5]。
2 系统原理概述
2.1 热电偶测温的算法实现
热电偶测温系统系统测温时，温度是一个缓慢上升的过程，且温度随时间的变化并不是一个线性的过程，因此要实现快速测温就要考虑热电偶的热惰性时间常数问题，采用合理的软件算法。下面就从基本算法着手，其原理就是在等间隔的时间点t1、t2、t3连续采集三个温度值，然后根据采集温度值跟热时间常数 ，、初始温度 、稳定后的温度 之间的关系、最后得出 的数学计算公式，从而得到所测量温度值。测温时，时间随着温度变化如图2-1所示[9]。
图2-1 时间随着温度变化曲线
由温度与时间及时间常数关系式：
当t分别为t1、t2、t3时：
由式子（2-1）得（2-5）
当t分别为t1、t2、t3时，则有：
由式子（2-6）&pide;式子（2-7）得：
由式子（2-7）&pide;式子（2-8）得：
因为t1、t2、t3时间间隔相等，则t3-t2=t2-t1，可得：
整理式子（2-11）得：（2-12）
由式(2-12)可知稳定后的温度只跟采集的三个温度值相关，此算法与时间常数等未知量都不相关。所以通过此算法只要在等间隔的时间内快速采集三个温度值，通过软件算法计算就可实现温度的快速测量。
2.2 热电偶测温基本原理
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端（热端），温度较低的一端为自由端（冷端），自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后即可知道被测介质的温度。热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1、热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；2、热电偶所产生的热电势的大小当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；3、当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关。若热电偶冷端的温度保持一定，这时热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。
2.3 热电偶冷端补偿方案确定
热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。
2.3.1 分立元气件冷端补偿方案
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