论文总字数：27507字

摘 要

设计中，通过STM32单片机自带的的ADC转换器，使用扫描模式扫描8通道的输入模拟信号。每个通道的输入信号为热电偶测量温度所直接得到的微电压信号经过放大电路后的电压模拟信号。本设计能够实现多通道（扫描8个通道接入的数据）、多规格（SRBTNKEJ共计8种类型的热电偶）、并且兼容性较好（每个通道可以兼容8种类型的热电偶）的热电偶测温系统。并且，在设计中将考虑热电偶信号的放大电路、加压偏置电路，通过STM32单片机自带的AD转换器进行8通道的扫描转换模式，经AD转换后可得到数据E（t，t0）。再使用DS18B20测量环境温度（冷端温度），送入单片机STM32中。由STM32单片机可进行冷端温度补偿算法，得到相对应所使用热电偶型号的E（t0,0）及E（t，0），再通过反查线性化表并得到所测量温度。

设计中为了便于软件的说明仿真，STM32单片机预留与PC端的通信接口，使用VC 6.0 编写了一个MFC对话框程序，可以将MCU得到的模拟电压、冷端温度传送到MFC中，结合相关通道的热电偶类型，直接在MFC中通过已编好的冷端补偿及线性化查表程序，计算得到实际温度T。

关键词： 多通道，单片机，冷端补偿，线性化，STM32

Design Of Multi-Channel And Multi-Standard Thermocouple Temperature Measurement System

03011406 Jiang Qingchen

Supervised by Zhou Bin

Abstract: This design use STM32 microcontroller, to realize multi-channel and multi-standard thermocouple temperature measurement system.

In order to realize the goal, we use the ADC converter inside of STM32 microcontroller in scan mode, to get analog signals of 8 channels. Each input signal is a voltage analog signal amplified by the amplifier circuit from thermocouple. Each channel can be compatible with 8 kinds (S/R/B/T/N/K/E/J) of thermocouples. After A/D conversion we obtain the data of E (t, t0). Then use DS18B20 to measure the environmental temperature (cold-junction temperature), and send the data to STM32 MCU. Send the voltage data and the cold-junction temperature to PC and get E (t0,0) and E(t,0). Finally, the C program can look up table inside and measure the temperature.

In addition, for convenience of calculation, some functions are programmed by C ,which can be used to look up the temperature table to realize linearization. We only need to send the data of voltage, environmental temperature, and the types of thermocouple into the program. We can get the actual temperature.

Key words: multi-channel, C , cold-junction compensation, linearization, STM32 MCU

目 录

多通道多规格热电偶测量系统设计 I

Abstract: This design use STM32 microcontroller, to realize multi-channel and multi-standard thermocouple temperature measurement system. II

第1章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 温度测量的两类原理 1

1.2.1 接触法 1

1.2.2 非接触法 1

1.3 温度测量的常用方法及仪表 2

1.4 本文的研究目的和研究内容 3

第2章 热电偶的工作原理与冷端补偿及线性化 4

2.1 热电偶的工作原理 4

2.1.1 热电效应 4

2.1.2 接触电动势和温差电动势 4

2.1.3 热电偶的工作定律 5

2.2 热电偶的类型和结构 6

2.2.1 标准化热电偶 6

2.2.2 非标准化热电偶 7

2.2.3 其他分类 8

2.3 热电偶冷端温度补偿 9

2.3.1 冷端温度补偿的原因 9

2.3.2 冷端温度补偿的方法 9

2.4 热电偶的线性化 12

2.4.1 线性化的原因 12

2.4.2 线性化的方法 12

第3章 多通道多规格热电偶测温系统概述 13

3.1 系统原理概述 13

3.2 工作流程图 14

第4章 多通道多规格热电偶测温系统硬件设计 15

4.1 STM32单片机 15

4.2 信号放大电路 17

4.2.1 参考MAX6675 17

4.2.2 设计电路的依据分析 19

4.2.3 电压放大电路（图4-5） 20

4.2.4 电压偏置电路（图4-6） 21

4.3 A/D转换 23

4.3.1 STM32单片机简介 23

4.3.2 逐次逼近式模数转换的原理 25

4.4 DS18B20数字式温度传感器——冷端温度测量 26

4.5 通信模块 27

第5章 多通道多规格热电偶测温系统软件设计 28

5.1 软件设计的思路以及原因分析 28

5.1.1 采用VC 6.0 MFC编程的原因 28

5.1.2 软件编程的思路及代码示例 28

5.2 软件流程图 33

5.3 MFC软件界面 34

5.3.1 软件进入界面（图5-1） 34

5.3.2 进入操作界面（图5-2） 34

5.3.3 软件运行界面（图5-3） 35

总 结 36

致 谢 37

参考文献（References） 38

绪 论

引言

温度是测量领域中是一个非常常见的物理量。在工业、农业及日常生活领域，对于温度的测量都尤为重要。

随着信息时代科学技术的飞速发展，人类社会对于仪器仪表的研究日渐深入，对于信息的获取、转化、存取、处理方法等也都在一步步地取得进展。在现代化建设中，人们有时对于各种物理量的测量要求较高，并且测量的准确度也会影响到一些重要设备的正常运行。所以仪表工业的发展对于社会生产力的进步有着重要意义，测量技术的发展对于促进国民经济又好又快发展、提高社会劳动生产率和社会经济效益都有着举足轻重的作用。

温度测量的两类原理

接触法

根据热平衡的原理，两个物体相互接触后，并且经过足够长的时间后两者达到热平衡状态，此时温度必然相等。如果其中一者为温度测量仪，则可以用它对另一个物体进行温度测量。这种测量方法称为接触法。其特点是温度计需要和被测物理接触良好，并有足够的接触时间和足够小的时间常数，是的两者在反应时间要求内实现热平衡。而且，接触法由于直接接触，所以误差较小，准确度较高。但缺点在于，由于感温元件和被测物理直接接触，可能会破坏原被测物理的温度场，或者感温元件本身会受到测温环境的磨损腐蚀等物理化学不利作。因此，对于感温元件的结构和性能的要求相对较高。

非接触法

非接触法，即测温元器件与待测物体不直接接触。而是利用待测物理发出的热辐射与自身温度成函数关系这一原理，通过测量待测物体所发出的热辐射大小及其改变来测量器温度。该方法的特点在于：因为两者不需要直接接触，因此使用方便，不会造成测温元件在被测环境下的腐蚀、融化等物理化学变化，能有效地保护测温元件。而且，这种方法往往具有较小的热惯性，可以灵活地测量移动物体以及反应迅速的物体温度的变化，且测温上线较高，通常超过1000℃。

温度测量的常用方法及仪表

表1-1 温度测量的常用方法及仪表

本文的研究目的和研究内容

本文将对接触法中的（4）利用热电动势测温进行一定的探索。当前社会上热电偶的测温已经有了一些较为成熟的设计，热电偶测温与单片机控制的连接技术也有了相当的发展。对于热电偶测温后要进行的放大、冷端补偿、AD转换及线性化功能，甚至已经有一些高度集成的模块芯片能直接实现以上功能。比如，美国MAXIN公司开发的MAX6677模块专门适用于K型热电偶，并且能在模块中完成信号方大、信号跟随、线性化、冷端补偿以及AD转换等功能。

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