一、概述

        隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平的提高和單片機(jī)應(yīng)用的普及 , 工業(yè)上溫度的準(zhǔn)確測(cè)量也進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，而對(duì)過程控生產(chǎn)制中的檢測(cè)儀表、儀器的準(zhǔn)確校準(zhǔn)，將直接影響和制約著生產(chǎn)質(zhì)量的提高及降低過程損失造成的浪費(fèi)，因此 , 對(duì)檢測(cè)儀器的準(zhǔn)確校準(zhǔn)是十分必要的。

 

二、熱電偶校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

        熱電偶作為檢測(cè)儀器，在磁性材料行業(yè)中應(yīng)用較廣，熱電偶在使用過程中，熱電極材料受氧化、腐蝕影響，其熱電特性會(huì)發(fā)生變化，使測(cè)量產(chǎn)生誤差，為使熱電偶溫度測(cè)量滿足一定的準(zhǔn)確度，必須進(jìn)行定期的校準(zhǔn)。本司原校準(zhǔn)基本方法如下：校準(zhǔn)時(shí)，把被校熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱端綁扎在一起放入校準(zhǔn)爐中，標(biāo)準(zhǔn)偶與被檢熱電偶的參考端（冷端）置于校準(zhǔn)爐外，各冷端盡量水平靠近在一起。并把水銀溫度計(jì)放在參考端較近處。校準(zhǔn)時(shí)參考端溫度不應(yīng)大于 30℃。，調(diào)節(jié)爐溫，當(dāng)爐溫達(dá)到校準(zhǔn)溫度點(diǎn) ±10℃范圍內(nèi)，且每分鐘變化不超過 1℃時(shí) , 用直流數(shù)字電壓表測(cè)量熱電偶的熱電勢(shì)，在每一個(gè)校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偶和被校熱電偶熱電勢(shì)的讀數(shù)都不得小于四次，然后求取電勢(shì)讀數(shù)平均值 , 并利用它查分度表，非常后通過比較得出被檢熱電偶在各校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上的溫度誤差 .

 

        由于該操作是是手工操作 , 存在問題主要表現(xiàn)為 : 人工校準(zhǔn)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)工，同時(shí)受環(huán)境溫度影響較大，存在一定的讀數(shù)誤差，測(cè)量誤差較大，且要求操作者有較高的操作技能和一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。因此，有必要進(jìn)行改進(jìn)。

 

        改進(jìn)后采用單片機(jī)控制的熱電偶校準(zhǔn)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)將熱電偶的毫伏信號(hào)放大，A/D 轉(zhuǎn)換后由軟件表查到對(duì)應(yīng)的溫度值，再經(jīng) LED 數(shù)碼顯示出來或由微型打印機(jī)打出結(jié)果。該系統(tǒng)能較好地完成熱電偶的檢定工作，并且校校準(zhǔn)時(shí)間短、精度高，使復(fù)雜的手工檢定工作變得簡(jiǎn)單、可靠。

 

三、檢定工作原理

        按國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定：采用比較法校準(zhǔn)熱電偶，要求在溫度 0-1200℃范圍內(nèi)至少選擇四個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，每批檢定熱電偶為 5 支。爐溫升至檢定溫度恒溫一定時(shí)間 , 自標(biāo)準(zhǔn)偶開始按 標(biāo)準(zhǔn)偶→被檢偶 1 →被檢偶 2 →被檢偶 3 →被檢偶4 →被檢偶 5 →被檢偶 5 →被檢偶 4 →被檢偶 3 →被檢偶 2 →被檢偶 1 →標(biāo)準(zhǔn)偶順序測(cè)量各被檢熱電偶的熱電勢(shì)，每只熱電偶測(cè)量時(shí)間間隔應(yīng)相近，測(cè)量次數(shù)不小于 2 次。采用微機(jī)控制校準(zhǔn)系統(tǒng)，將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶捆扎一束，裝入檢定爐中 , 接上被校過的相應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線后，將參考端插入冰點(diǎn)恒溫器中，用銅導(dǎo)線將各熱電偶的熱電勢(shì)分別引入本儀器的輸入端，在軟件控制下自動(dòng)完成各熱電偶的檢定工作。

 

四、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

        微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件一般包括：微處理器（CPU),內(nèi)存儲(chǔ)器（ROM、RAM), 以模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù) / 模轉(zhuǎn)換為核心的模擬量輸入 / 輸出通道，開關(guān)量輸入 / 輸出通道。I/O 及人－機(jī)聯(lián)系設(shè)備，運(yùn)行操作臺(tái)等幾部份，它們通過微處理器的系統(tǒng)總線地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線），構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)以 8031 單片機(jī)為核心，外部擴(kuò)展一片 2764 作為程序存儲(chǔ)器，及鎖存器 74LS373，采用 7135A/D 轉(zhuǎn)換器，并配有 CRT 顯示器和打印機(jī)等外部設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)原理基本框圖如下圖所示：

        工作原理：標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被校偶信號(hào)一起送入多路模擬開關(guān)，選中的一路信號(hào)經(jīng)放大器放大后送入 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再把轉(zhuǎn)換出的信號(hào)輸入給 8031 單片機(jī)，8031 單片機(jī)把數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)出所測(cè)溫度值，顯示及打印結(jié)果。

 

（一）微機(jī)中央處理單元

        主要由 MCS-51 系列的 8031 單片機(jī)，程序存儲(chǔ)器 2764 和鎖存器 74LS373 等組成，單片機(jī)用于過程控制特別適合，由于其體積小、連線少，抗干擾能力強(qiáng)，故可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，使用單片機(jī)控制，可使被控制系統(tǒng)工作在非常佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度。

（二）信號(hào)處理電路

        本設(shè)計(jì)放大器采用低溫漂的 AD OP-07，其溫漂系數(shù)為 0.2微伏 /℃，用差模輸入進(jìn)一步抑制放大器的零點(diǎn)漂移。其工作原理為：對(duì) S 型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶預(yù)先進(jìn)行一級(jí)放大后，與被校偶信號(hào)一起送入多路開關(guān) 4051，由 8155 的 PB 口 0~2 發(fā)出選通信號(hào)，選中的一路信號(hào)經(jīng)放大器放大后送入 ICL7135 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。

（三）A/D 轉(zhuǎn)換電路

        本設(shè)計(jì)采用雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7135，它是 MAXIM 公司生產(chǎn)的高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器，提供 ±20000 的計(jì)數(shù)分辨率，具有雙極性高阻抗差動(dòng)輸入，它采用自校零技術(shù)，自動(dòng)極性和超量程辨別功能，輸出是動(dòng)態(tài)分時(shí)的 BCD 碼，與 8031 接口簡(jiǎn)單，此片子為 4（1/2）精度，為提高轉(zhuǎn)換精度，采用了高精度電壓基準(zhǔn) ICL8069 作為參考電源。

（四）鍵盤、顯示及打印接口電路

        本系統(tǒng)鍵盤為 1 行 4 列共四個(gè)鍵，由 8155 的 PB 口提供行，PC 口的 PC0~3 提供列選通信號(hào)。顯示由 8031 的串行口擴(kuò)展 5片串入，并出的移位寄存器 74LS164 接五只 LED 七段數(shù)碼管，用來顯示操作人員要求顯示的內(nèi)容或報(bào)警信號(hào)。打印采用一片 8155 建立一個(gè)打印接口電路，打印機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn) 20 針插座與8155PA 口、PB 口、PC 口連接，PA 口接打印機(jī) 8 位數(shù)據(jù)線，PB口接打印機(jī)的選通線，采用中斷控制，PC4 接打印機(jī)的 BUSY 線。

 

五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

        軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序，初始化程序，中斷服務(wù)程序，查表子程序，打印子程序，鍵盤掃描子程序和顯示子程序組成，整個(gè)程序采用 8031 匯編語言編寫。

 

（一）主程序

        主程序的功能主要是系統(tǒng)的初始化，熱電偶的校檢測(cè)試，參數(shù)顯示，打印和鍵處理等功能。主程序主要根據(jù)鍵按下的情況，控制多路開關(guān) 4051 的選通，選擇循環(huán)校準(zhǔn)或監(jiān)視狀態(tài)，同時(shí)不斷進(jìn)行鍵盤掃描和顯示，在循環(huán)校準(zhǔn)中，當(dāng)溫度值改變時(shí)，軟件將熱電偶號(hào)數(shù)遞增與遞減時(shí)兩次校準(zhǔn)（即A/D轉(zhuǎn)換后查表）的結(jié)果顯示并進(jìn)行比較，若小于2℃則顯示1#偶（標(biāo)準(zhǔn)偶）并鍵掃描及鍵處理等，若大于2℃，說明被測(cè)溫度點(diǎn)還未穩(wěn)定，此時(shí)調(diào)用初始化程序后重復(fù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

 

主程序基本框圖如下圖

（二）中斷服務(wù)程序

        本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：當(dāng) ICL7135 被啟動(dòng)后，開始 A/D 轉(zhuǎn)換，動(dòng)態(tài)地輸出萬、千、百、十、個(gè)位 BCD 碼結(jié)果，同時(shí)產(chǎn)生 5 個(gè)字位選通脈沖 D5~D1。本設(shè)計(jì)采用查詢法采集 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，以上是軟件程序的主要部分，查表子程序、打印、顯示、鍵盤掃描等不再介紹。

 

六、系統(tǒng)的調(diào)試使用

        本系統(tǒng)經(jīng)安裝、調(diào)試、使用，結(jié)果如下：（1）校準(zhǔn)時(shí)間短；（2）工作效率提高；（3）誤差小、精度高；（4）能準(zhǔn)確地顯示溫度值，比較直觀；（5）測(cè)量范圍大、可靠性高、使用方便；（6）節(jié)約成本。

 

七、結(jié)束語

        本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要從保證精度及節(jié)約成本兩方面考慮，軟件的編制實(shí)現(xiàn)了各功能程序子程序化，模塊化便于調(diào)試連接 , 通過本系統(tǒng)的建立，解決了原熱電偶校準(zhǔn)費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、誤差大、成本高等問題，可以滿足本司熱電偶校準(zhǔn)的要求。本系統(tǒng)存在與檢定爐的溫度控制是兩個(gè)獨(dú)立單元的不足，下一步計(jì)劃是通過軟件連接成一體化控制系統(tǒng)，使該系統(tǒng)更加優(yōu)化。

 

【致謝】本系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、使用各個(gè)階段都得到了公司相關(guān)工程技術(shù)人員的大力支持和幫助，并對(duì)該系統(tǒng)提出了寶貴的意見，在此表達(dá)衷心的感謝！同時(shí)感謝公司提供了一個(gè)生產(chǎn)實(shí)踐與理論結(jié)合的技術(shù)平臺(tái)讓自己充分發(fā)揮專業(yè)知識(shí)，亦非常感謝對(duì)此次論文進(jìn)行閱讀 , 謝謝！