一、概述

        隨著生產過程自動化水平的提高和單片機應用的普及 , 工業上溫度的準確測量也進入了一個嶄新的階段，而對過程控生產制中的檢測儀表、儀器的準確校準，將直接影響和制約著生產質量的提高及降低過程損失造成的浪費，因此 , 對檢測儀器的準確校準是十分必要的。

 

二、熱電偶校準系統的設計思路

        熱電偶作為檢測儀器，在磁性材料行業中應用較廣，熱電偶在使用過程中，熱電極材料受氧化、腐蝕影響，其熱電特性會發生變化，使測量產生誤差，為使熱電偶溫度測量滿足一定的準確度，必須進行定期的校準。本司原校準基本方法如下：校準時，把被校熱電偶與標準熱電偶的熱端綁扎在一起放入校準爐中，標準偶與被檢熱電偶的參考端（冷端）置于校準爐外，各冷端盡量水平靠近在一起。并把水銀溫度計放在參考端較近處。校準時參考端溫度不應大于 30℃。，調節爐溫，當爐溫達到校準溫度點 ±10℃范圍內，且每分鐘變化不超過 1℃時 , 用直流數字電壓表測量熱電偶的熱電勢，在每一個校準溫度點上對標準偶和被校熱電偶熱電勢的讀數都不得小于四次，然后求取電勢讀數平均值 , 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溫度點上的溫度誤差 .

 

        由于該操作是是手工操作 , 存在問題主要表現為 : 人工校準既費時又費工，同時受環境溫度影響較大，存在一定的讀數誤差，測量誤差較大，且要求操作者有較高的操作技能和一定的專業基礎知識。因此，有必要進行改進。

 

        改進后采用單片機控制的熱電偶校準系統，能夠自動將熱電偶的毫伏信號放大，A/D 轉換后由軟件表查到對應的溫度值，再經 LED 數碼顯示出來或由微型打印機打出結果。該系統能較好地完成熱電偶的檢定工作，并且校校準時間短、精度高，使復雜的手工檢定工作變得簡單、可靠。

 

三、檢定工作原理

        按國家計量檢定規程規定：采用比較法校準熱電偶，要求在溫度 0-1200℃范圍內至少選擇四個溫度點進行校準，每批檢定熱電偶為 5 支。爐溫升至檢定溫度恒溫一定時間 , 自標準偶開始按 標準偶→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 →標準偶順序測量各被檢熱電偶的熱電勢，每只熱電偶測量時間間隔應相近，測量次數不小于 2 次。采用微機控制校準系統，將標準熱電偶與被檢熱電偶捆扎一束，裝入檢定爐中 , 接上被校過的相應的補償導線后，將參考端插入冰點恒溫器中，用銅導線將各熱電偶的熱電勢分別引入本儀器的輸入端，在軟件控制下自動完成各熱電偶的檢定工作。

 

四、系統硬件電路設計

        微型計算機控制系統的硬件一般包括：微處理器（CPU),內存儲器（ROM、RAM), 以模 / 數轉換和數 / 模轉換為核心的模擬量輸入 / 輸出通道，開關量輸入 / 輸出通道。I/O 及人－機聯系設備，運行操作臺等幾部份，它們通過微處理器的系統總線地址總線、數據總線和控制總線），構成一個完整系統。本設計以 8031 單片機為核心，外部擴展一片 2764 作為程序存儲器，及鎖存器 74LS373，采用 7135A/D 轉換器，并配有 CRT 顯示器和打印機等外部設備，整個系統原理基本框圖如下圖所示：

        工作原理：標準熱電偶與被校偶信號一起送入多路模擬開關，選中的一路信號經放大器放大后送入 A/D 轉換器進行轉換，再把轉換出的信號輸入給 8031 單片機，8031 單片機把數字信號進行運算，計出所測溫度值，顯示及打印結果。

 

（一）微機中央處理單元

        主要由 MCS-51 系列的 8031 單片機，程序存儲器 2764 和鎖存器 74LS373 等組成，單片機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，故可以提高控制系統的可靠性，使用單片機控制，可使被控制系統工作在非常佳狀態，提高系統自動化程度。

（二）信號處理電路

        本設計放大器采用低溫漂的 AD OP-07，其溫漂系數為 0.2微伏 /℃，用差模輸入進一步抑制放大器的零點漂移。其工作原理為：對 S 型標準熱電偶預先進行一級放大后，與被校偶信號一起送入多路開關 4051，由 8155 的 PB 口 0~2 發出選通信號，選中的一路信號經放大器放大后送入 ICL7135 進行 A/D 轉換。

（三）A/D 轉換電路

        本設計采用雙積分式 A/D 轉換器 ICL7135，它是 MAXIM 公司生產的高精度 A/D 轉換器，提供 ±20000 的計數分辨率，具有雙極性高阻抗差動輸入，它采用自校零技術，自動極性和超量程辨別功能，輸出是動態分時的 BCD 碼，與 8031 接口簡單，此片子為 4（1/2）精度，為提高轉換精度，采用了高精度電壓基準 ICL8069 作為參考電源。

（四）鍵盤、顯示及打印接口電路

        本系統鍵盤為 1 行 4 列共四個鍵，由 8155 的 PB 口提供行，PC 口的 PC0~3 提供列選通信號。顯示由 8031 的串行口擴展 5片串入，并出的移位寄存器 74LS164 接五只 LED 七段數碼管，用來顯示操作人員要求顯示的內容或報警信號。打印采用一片 8155 建立一個打印接口電路，打印機通過標準 20 針插座與8155PA 口、PB 口、PC 口連接，PA 口接打印機 8 位數據線，PB口接打印機的選通線，采用中斷控制，PC4 接打印機的 BUSY 線。

 

五、系統的軟件設計

        軟件的設計采用模塊化結構，由主程序，初始化程序，中斷服務程序，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的初始化，熱電偶的校檢測試，參數顯示，打印和鍵處理等功能。主程序主要根據鍵按下的情況，控制多路開關 4051 的選通，選擇循環校準或監視狀態，同時不斷進行鍵盤掃描和顯示，在循環校準中，當溫度值改變時，軟件將熱電偶號數遞增與遞減時兩次校準（即A/D轉換后查表）的結果顯示并進行比較，若小于2℃則顯示1#偶（標準偶）并鍵掃描及鍵處理等，若大于2℃，說明被測溫度點還未穩定，此時調用初始化程序后重復進行校準。

 

主程序基本框圖如下圖

（二）中斷服務程序

        本系統設計為：當 ICL7135 被啟動后，開始 A/D 轉換，動態地輸出萬、千、百、十、個位 BCD 碼結果，同時產生 5 個字位選通脈沖 D5~D1。本設計采用查詢法采集 A/D 轉換數據，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、系統的調試使用

        本系統經安裝、調試、使用，結果如下：（1）校準時間短；（2）工作效率提高；（3）誤差小、精度高；（4）能準確地顯示溫度值，比較直觀；（5）測量范圍大、可靠性高、使用方便；（6）節約成本。

 

七、結束語

        本系統的硬件設計主要從保證精度及節約成本兩方面考慮，軟件的編制實現了各功能程序子程序化，模塊化便于調試連接 , 通過本系統的建立，解決了原熱電偶校準費工、費時、誤差大、成本高等問題，可以滿足本司熱電偶校準的要求。本系統存在與檢定爐的溫度控制是兩個獨立單元的不足，下一步計劃是通過軟件連接成一體化控制系統，使該系統更加優化。

 

【致謝】本系統從設計、安裝、調試、使用各個階段都得到了公司相關工程技術人員的大力支持和幫助，并對該系統提出了寶貴的意見，在此表達衷心的感謝！同時感謝公司提供了一個生產實踐與理論結合的技術平臺讓自己充分發揮專業知識，亦非常感謝對此次論文進行閱讀 , 謝謝！