一、概述

        随着生产过程自动化水平的提高和单片机应用的普及 , 工业上温度的准确测量也进入了一个崭新的阶段，而对过程控生产制中的检测仪表、仪器的准确校准，将直接影响和制约着生产质量的提高及降低过程损失造成的浪费，因此 , 对检测仪器的准确校准是十分必要的。

 

二、热电偶校准系统的设计思路

        热电偶作为检测仪器，在磁性材料行业中应用较广，热电偶在使用过程中，热电极材料受氧化、腐蚀影响，其热电特性会发生变化，使测量产生误差，为使热电偶温度测量满足一定的准确度，必须进行定期的校准。本司原校准基本方法如下：校准时，把被校热电偶与标准热电偶的热端绑扎在一起放入校准炉中，标准偶与被检热电偶的参考端（冷端）置于校准炉外，各冷端尽量水平靠近在一起。并把水银温度计放在参考端较近处。校准时参考端温度不应大于 30℃。，调节炉温，当炉温达到校准温度点 ±10℃范围内，且每分钟变化不超过 1℃时 , 用直流数字电压表测量热电偶的热电势，在每一个校准温度点上对标准偶和被校热电偶热电势的读数都不得小于四次，然后求取电势读数平均值 , 并利用它查分度表，非常后通过比较得出被检热电偶在各校准温度点上的温度误差 .

 

        由于该操作是是手工操作 , 存在问题主要表现为 : 人工校准既费时又费工，同时受环境温度影响较大，存在一定的读数误差，测量误差较大，且要求操作者有较高的操作技能和一定的专业基础知识。因此，有必要进行改进。

 

        改进后采用单片机控制的热电偶校准系统，能够自动将热电偶的毫伏信号放大，A/D 转换后由软件表查到对应的温度值，再经 LED 数码显示出来或由微型打印机打出结果。该系统能较好地完成热电偶的检定工作，并且校校准时间短、精度高，使复杂的手工检定工作变得简单、可靠。

 

三、检定工作原理

        按国家计量检定规程规定：采用比较法校准热电偶，要求在温度 0-1200℃范围内至少选择四个温度点进行校准，每批检定热电偶为 5 支。炉温升至检定温度恒温一定时间 , 自标准偶开始按 标准偶→被检偶 1 →被检偶 2 →被检偶 3 →被检偶4 →被检偶 5 →被检偶 5 →被检偶 4 →被检偶 3 →被检偶 2 →被检偶 1 →标准偶顺序测量各被检热电偶的热电势，每只热电偶测量时间间隔应相近，测量次数不小于 2 次。采用微机控制校准系统，将标准热电偶与被检热电偶捆扎一束，装入检定炉中 , 接上被校过的相应的补偿导线后，将参考端插入冰点恒温器中，用铜导线将各热电偶的热电势分别引入本仪器的输入端，在软件控制下自动完成各热电偶的检定工作。

 

四、系统硬件电路设计

        微型计算机控制系统的硬件一般包括：微处理器（CPU),内存储器（ROM、RAM), 以模 / 数转换和数 / 模转换为核心的模拟量输入 / 输出通道，开关量输入 / 输出通道。I/O 及人－机联系设备，运行操作台等几部份，它们通过微处理器的系统总线地址总线、数据总线和控制总线），构成一个完整系统。本设计以 8031 单片机为核心，外部扩展一片 2764 作为程序存储器，及锁存器 74LS373，采用 7135A/D 转换器，并配有 CRT 显示器和打印机等外部设备，整个系统原理基本框图如下图所示：

        工作原理：标准热电偶与被校偶信号一起送入多路模拟开关，选中的一路信号经放大器放大后送入 A/D 转换器进行转换，再把转换出的信号输入给 8031 单片机，8031 单片机把数字信号进行运算，计出所测温度值，显示及打印结果。

 

（一）微机中央处理单元

        主要由 MCS-51 系列的 8031 单片机，程序存储器 2764 和锁存器 74LS373 等组成，单片机用于过程控制特别适合，由于其体积小、连线少，抗干扰能力强，故可以提高控制系统的可靠性，使用单片机控制，可使被控制系统工作在非常佳状态，提高系统自动化程度。

（二）信号处理电路

        本设计放大器采用低温漂的 AD OP-07，其温漂系数为 0.2微伏 /℃，用差模输入进一步抑制放大器的零点漂移。其工作原理为：对 S 型标准热电偶预先进行一级放大后，与被校偶信号一起送入多路开关 4051，由 8155 的 PB 口 0~2 发出选通信号，选中的一路信号经放大器放大后送入 ICL7135 进行 A/D 转换。

（三）A/D 转换电路

        本设计采用双积分式 A/D 转换器 ICL7135，它是 MAXIM 公司生产的高精度 A/D 转换器，提供 ±20000 的计数分辨率，具有双极性高阻抗差动输入，它采用自校零技术，自动极性和超量程辨别功能，输出是动态分时的 BCD 码，与 8031 接口简单，此片子为 4（1/2）精度，为提高转换精度，采用了高精度电压基准 ICL8069 作为参考电源。

（四）键盘、显示及打印接口电路

        本系统键盘为 1 行 4 列共四个键，由 8155 的 PB 口提供行，PC 口的 PC0~3 提供列选通信号。显示由 8031 的串行口扩展 5片串入，并出的移位寄存器 74LS164 接五只 LED 七段数码管，用来显示操作人员要求显示的内容或报警信号。打印采用一片 8155 建立一个打印接口电路，打印机通过标准 20 针插座与8155PA 口、PB 口、PC 口连接，PA 口接打印机 8 位数据线，PB口接打印机的选通线，采用中断控制，PC4 接打印机的 BUSY 线。

 

五、系统的软件设计

        软件的设计采用模块化结构，由主程序，初始化程序，中断服务程序，查表子程序，打印子程序，键盘扫描子程序和显示子程序组成，整个程序采用 8031 汇编语言编写。

 

（一）主程序

        主程序的功能主要是系统的初始化，热电偶的校检测试，参数显示，打印和键处理等功能。主程序主要根据键按下的情况，控制多路开关 4051 的选通，选择循环校准或监视状态，同时不断进行键盘扫描和显示，在循环校准中，当温度值改变时，软件将热电偶号数递增与递减时两次校准（即A/D转换后查表）的结果显示并进行比较，若小于2℃则显示1#偶（标准偶）并键扫描及键处理等，若大于2℃，说明被测温度点还未稳定，此时调用初始化程序后重复进行校准。

 

主程序基本框图如下图

（二）中断服务程序

        本系统设计为：当 ICL7135 被启动后，开始 A/D 转换，动态地输出万、千、百、十、个位 BCD 码结果，同时产生 5 个字位选通脉冲 D5~D1。本设计采用查询法采集 A/D 转换数据，以上是软件程序的主要部分，查表子程序、打印、显示、键盘扫描等不再介绍。

 

六、系统的调试使用

        本系统经安装、调试、使用，结果如下：（1）校准时间短；（2）工作效率提高；（3）误差小、精度高；（4）能准确地显示温度值，比较直观；（5）测量范围大、可靠性高、使用方便；（6）节约成本。

 

七、结束语

        本系统的硬件设计主要从保证精度及节约成本两方面考虑，软件的编制实现了各功能程序子程序化，模块化便于调试连接 , 通过本系统的建立，解决了原热电偶校准费工、费时、误差大、成本高等问题，可以满足本司热电偶校准的要求。本系统存在与检定炉的温度控制是两个独立单元的不足，下一步计划是通过软件连接成一体化控制系统，使该系统更加优化。

 

【致谢】本系统从设计、安装、调试、使用各个阶段都得到了公司相关工程技术人员的大力支持和帮助，并对该系统提出了宝贵的意见，在此表达衷心的感谢！同时感谢公司提供了一个生产实践与理论结合的技术平台让自己充分发挥专业知识，亦非常感谢对此次论文进行阅读 , 谢谢！