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1.1 K型热电偶温度计的发展背景及意义
温度是科学技术研究中一项非常重要的物理参量，温度的检测就成为了科学技术研究中非常重要的课题。自从1593年伽利略发明了第一支温度计后，温度计的发展就随着科技的发展而不断发展。1654年，世界上第一支酒精温度计被斐迪南研制成功，这是他经过对各种液体进行实验才得到的成果。但由于酒精的沸点较低，不能测沸水的温度，它不能适用于大部分的实验活动。因此，1659年法国天文学家布里奥利用高沸点水银制成了水银温度计。随着研究的不断深入，科学家们先后研制出了华氏温度计，列氏温度计，摄氏温度计等。但是这类传统温度计一般都是刻度温度计，它们的精确度不高，已经不能满足现代工业生产的高精度的需求。因此，随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，各种新型的现代温度计也应运而生，如热电偶温度计，辐射温度计，光测温度计等。又因为辐射温度计、光测温度计的制作技术不是很成熟，在现代工业生产中应用不多。而利用热电偶作为测温元件的数字温度计就成为了人们的首选，它测温范围广，测温准确，读数方便，输出温度在液晶屏上直接显示，正是由于这些优点，数字温度计成为了工业生产中应用最广泛的测温元件。对于一个数字温度计而言，它的核心部分必定是控制系统，而本课题所设计的温度计则是采用AT89C51单片机作为控制系统。单片机也叫微控制器，是一种应用在弱电领域的集成芯片。它的体积虽然很微小，但却拥有一个完整的计算机系统，有一个计算机所需的大部分元器件。而单片机拥有体积轻巧、功耗不高、功能齐全、价格低廉、使用灵活等显著特点，应用在工业控制领域，可使生产出的产品小型化、智能化，这样既提高了产品的性能和品质，又降低了生产成本，大大简化了系统电路的设计。因此，在温度计的设计过程当中采用单片机作为控制系统就非常有利了。在数字温度计的设计中，温度信号的采集也是需要我们考虑的很重要的方面，而通常用来采集温度信号的元件是温度传感器。现在市面上的温度传感器是多种多样的，而常用有热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器等几种。在这几种传感器中，铂热电阻、半导体温度传感器又是应用在工业领域中精确度比较高的传感器。铂热电阻具有测温范围广、重复性好、精度高等优良性能，但是反应慢，不适合在高压等一些特殊环境下使用。热敏电阻和PN结型温度传感器是两种应用最多的半导体温度传感器。热敏电阻的优点是对微小温变反应很敏锐，但是也存在很明显的缺点，那就是非线性严重；PN结型的特性是体积不大、线性输出、精确度高，可是它不能在液体环境下使用，对气体的温度变化反应也不快[2]。在工业生产与制造过程中，K型热电偶的价格非常低廉、热电势的输出值较大、化学性质稳定、易于复制、能在1000℃高温下长期使用等优点[3],因此成了工业生产制造等各行业应用最多的热电偶元器件。但是当我们把热电偶直接嵌入到单片机系统中时，我们会发现它们之间会存在一些问题。第一，热电偶的输出热电势和温度之间不是线性关系，因此在使用热电偶之前，我们必须先对它进行线性化处理。第二，当我们使用热电偶采集物体温度时，他的冷端温度却是随着外部环境温度的改变而不断变化，为了准确测量物体的温度，我们必须对热电偶进行冷端补偿。第三，热电偶输出的是热电势信号，而嵌入式系统输入输出接口只能是数字信号，因此，不能直接将热电偶与主控系统相连接，中间必须用到转换电路来解决信号之间不匹配的问题。由于这些实际存在的问题，因此在我们设计温度计的过程中，我们必须解决对热电偶输出信号的放大问题、非线性调整、冷端补偿、A/D转换、数字化输出接口等各种各样的电路系统的设计问题。因此，当K型热电偶采集温度信号后，要将信号送给单片机处理，要经过很多中间环节。这样一来，系统的调试就会很困难，而系统的抗干扰性能往往也会很不理想。为了解决这类麻烦，本设计中我们采用了美国MAXIM公司生产的基于SPI总线的专用带冷端补偿的温度转换芯片MAX6675。该转换芯片集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体，还能对热电势信号作数字处理，直接输出温度的数字信号，具有很高的可靠性和稳定性，使温度测量的前端电路变得十分简单。
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