一种智能热电偶测温系统及方法

本发明涉及温度控制技术领域，尤其涉及一种智能热电偶测温系统及方法。

背景技术：

温度控制技术在国外较早，始于20世纪70年代。首先，使用模拟仪器的组合，收集场的信息和指令，数据存储和操控，在1980年的时候出现了一种分布式的控制系统。目前对温度测量和控制技术在全球发展迅速，在一些国家自动化的基础上，正向着全自动化，无人化方向发展。人们的温度测量与控制技术，后期的研究，始于20世纪80年代。人们的工程技术人员研发的室内温度测量要掌握计算机控制技术，这是仅限于个别环境因素的温度控制，温度测量与控制技术的处理。计算机应用的温度测量和控制设备，在一般情况下，从处理简单的应用程序过渡和发展，在综合应用阶段。从技术上讲，大部分的单参数单回路系统由微控制单元(microcontrollerunit，mcu)控制，没有实现在真正意义上的多参数控制，与发达的国家英国，美国，韩国等国家相比，我们国家现在确实有一些差距。工厂温度测量和控制的现状在远远程度上不能满足要求，生产实践中还存在许多问题困扰着人们，还有配套设备产业化差，水平低，环境治理滞后，可靠的硬件和软件资源共享性差等缺陷。

随着现代电子信息技术，新材料和自动化技术的发展，传感器技术得到了快速发展，单片机和自动化控制系统，在许多领域得到非常广泛的应用。人们不再局限于环境采集信号模拟，而是要考虑如何让数字信号处理环境采集信号，所以人们把温度感应装置，a/d转换器，内存整合到一起，形成一个数字传感器。c51单片机在控制方面即准确又稳定而且拥有很高的准确性，在人们的工业生产和生活中都是一个追逐且有很大发展的方向，它带来的作用实在是不可估量，在这个设计中用单片机和温度传感器的组合，使对温度测量有了一个巨大的进步所以我在我的设计中用了它；强大的核心mcu控制，其次是因为，人们可以组建辅助电路，然后得到实际的开发系统。温度测量系统可以在这种模式下被使用，大家都知道人们对数据测量的准确度还有方法都有一定的要求所以在以后的研发困难也很多，可是人们发现了单片机的强大功能为此开辟了一条大道。

如今在工业以及现实生活中，家电，空调与生产技术的发展，使生活水平变得越来越高，简单，稳定的温度检测控制系统，也将会更好地适应市场，因此，温度检测系统以及对应高温报警也会有很好的前景。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种智能热电偶测温系统及方法，以解决上述背景技术中提及的全部问题或之一。

基于上述目的，本发明提供了一种智能热电偶测温系统，包括：

温度信息采集模块，用于采集环境温度数据，并根据所述环境温度数据，得到环境温度信息；

主控控制模块，用于获取所述环境温度信息，并对环境温度信息进行线性处理及存储，得到当前工作状态，所述当前工作状态包括过温状态和正常状态，及若当前工作状态为过温状态时生成降温指令；

过温降温模块，用于获取所述降温指令，并响应于降温指令，执行降温操作，以降低环境温度；

过温报警模块，用于获取所述降温指令，并响应于降温指令，生成报警提示信息，以进行过温报警提示。

可选的，所述温度信息采集模块包括：

环境温度数据获取单元，用于采集环境温度数据；

环境温度信息生成单元，用于获取所述环境温度数据，并根据环境温度数据，得到环境温度信息。

可选的，所述环境温度数据获取单元采用k型热电偶。

可选的，所述环境温度信息生成单元采用u2芯片，所述u2芯片采用模/数转换器芯片max6675。

可选的，所述主控控制模块采用u1芯片，所述u1芯片采用单片机处理芯片stc89c51。

可选的，所述过温降温模块包括：

输入指示单元，用于获取所述降温指令；

环境降温单元，用于响应于降温指令，执行降温操作，以降低环境温度。

可选的，所述输入指示单元采用u3芯片，所述u3芯片采用非门芯片74hc04。

可选的，所述环境降温单元的执行元器件为电机。

可选的，还包括显示模块，所述显示模块用于对环境温度信息进行展示。

本发明还提供一种智能热电偶测温方法，包括以下步骤：

采集环境温度数据，并根据所述环境温度数据，得到环境温度信息；

获取所述环境温度信息，并对环境温度信息进行线性处理及存储，得到当前工作状态，所述当前工作状态包括过温状态和正常状态，及若当前工作状态为过温状态时生成降温指令；

获取所述降温指令，并响应于降温指令，执行降温操作，以降低环境温度；

获取所述降温指令，并响应于降温指令，生成报警提示信息，以进行过温报警提示。

从上面所述可以看出，本发明提供的智能热电偶测温系统及方法，以主控控制模块为控制核心，通过温度信息采集模块对热电偶电动势进行采样及放大，之后在主控控制模块内采用一定算法实现对热电偶的线性化处理并通显示相应测量数据，同时在上述基础上增加了高温报警并且在温度超过预设温度的时候过温降温模块便立刻开始运作，区别于传统的热电偶技术与自动控制技术，本发明提供的智能热电偶测温系统及方法提供了一个完整的测温系统，具有容易阅读，在宽的温度范围内，精确的温度测量，温度测量系统的温度用数字显示输出，并消除热电偶的非线性问题，用到人们的现实生活中这个温度监测系统完全可以，运用到工业生产也是可以的，而且还可以运用到创新开发上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明智能热电偶测温系统的结构示意图一；

图2为本发明智能热电偶测温系统中温度信息采集模块处的结构示意图；

图3为本发明智能热电偶测温系统中过温降温模块处的结构示意图；

图4为本发明智能热电偶测温系统的结构示意图一；

图5为本发明智能热电偶测温方法的流程示意图；

图6为本发明智能热电偶测温系统及方法的硬件电路示意图；

图7为本发明智能热电偶测温系统及方法的温度信息采集模块处连接状态的硬件电路示意图；

图8为本发明智能热电偶测温系统及方法的逻辑示意图；

图9为本发明智能热电偶测温系统及方法中进行温度显示的逻辑示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

作为本发明的一个优选实施例，本发明提供了一种智能热电偶测温系统，包括：

温度信息采集模块，用于采集环境温度数据，并根据所述环境温度数据，得到环境温度信息；

主控控制模块，用于获取所述环境温度信息，并对环境温度信息进行线性处理及存储，得到当前工作状态，所述当前工作状态包括过温状态和正常状态，及若当前工作状态为过温状态时生成降温指令；

过温降温模块，用于获取所述降温指令，并响应于降温指令，执行降温操作，以降低环境温度；

过温报警模块，用于获取所述降温指令，并响应于降温指令，生成报警提示信息，以进行过温报警提示。

本发明还提供一种智能热电偶测温方法，包括以下步骤：

采集环境温度数据，并根据所述环境温度数据，得到环境温度信息；

获取所述环境温度信息，并对环境温度信息进行线性处理及存储，得到当前工作状态，所述当前工作状态包括过温状态和正常状态，及若当前工作状态为过温状态时生成降温指令；

获取所述降温指令，并响应于降温指令，执行降温操作，以降低环境温度；

获取所述降温指令，并响应于降温指令，生成报警提示信息，以进行过温报警提示。

通过该智能热电偶测温系统及方法的设计，以主控控制模块为控制核心，通过温度信息采集模块对热电偶电动势进行采样及放大，之后在主控控制模块内采用一定算法实现对热电偶的线性化处理并通显示相应测量数据，同时在上述基础上增加了高温报警并且在温度超过预设温度的时候过温降温模块便立刻开始运作，区别于传统的热电偶技术与自动控制技术，该智能热电偶测温系统及方法提供了一个完整的测温系统，具有容易阅读，在宽的温度范围内，精确的温度测量，温度测量系统的温度用数字显示输出，并消除热电偶的非线性问题，用到人们的现实生活中这个温度监测系统完全可以，运用到工业生产也是可以的，而且还可以运用到创新开发上。

下面结合附图对本发明智能热电偶测温系统及方法的较佳实施例进行说明。

请参阅图1、图6至图9，该智能热电偶测温系统，包括：

温度信息采集模块，用于采集环境温度数据，并根据环境温度数据，得到环境温度信息。

主控控制模块，用于获取环境温度信息，并对环境温度信息进行线性处理及存储，得到当前工作状态，当前工作状态包括过温状态和正常状态，及若当前工作状态为过温状态时生成降温指令。

过温降温模块，用于获取降温指令，并响应于降温指令，执行降温操作，以降低环境温度。

过温报警模块，用于获取降温指令，并响应于降温指令，生成报警提示信息，以进行过温报警提示。

在本实施例中，主控控制模块采用u1芯片，u1芯片采用单片机处理芯片stc89c51。stc89c51芯片是采用8051核的isp(insystemprogramming)在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80mhz，片内含4kbytes的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ispflash存储单元，具有在系统可编程(isp)特性，配合pc端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。stc89c51rc系列单片机是单时钟/机器周期(1t)的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构，内部集成max810专用复位电路。

stc89c51系列单片机是从引脚到内核都完全兼容标准8051的单片机，有pdip-40、plcc-44、pqfp-44三种封装形式。stc89c51/52/53/54/55/58/516芯片分别含有4k/8k/15k/16k/20k/32k/64k字节flashrom供用户编程使用。除了内含flashrom容量的不同外，stc89c系列单片机还分成stc89c5xrc/rd+(vcc为5v)、s17c89le5xrc/rd+(vcc为3.3v)、stc89le5xad(vcc为3.3v，带8位a/d转换电路)等型号。其中51/52/53型号后缀为rc，表明片内集成了512字节ram。54/58/516型号后缀为rd+，表明片内集成了1280字节ram。后缀为ad则表明片内集成了a/d转换电路和512字节ram。stc89c系列单片机是高速/低功耗的新一代8051单片机，最高工作频率可分别达到25mhz-50mhz，具体在芯片上的型号名称后以“-xx”标注。stc89c系列单片机有较宽的工作电压，5v型号的可工作于3.4v-6.0v，3.3v型号的可工作于2.0v-4.0v(isp/iap操作时对电压要求会稍严)。正常工作模式下的典型耗电为4ma-7ma，空闲模式为2ma，掉电模式’(可由外部中断唤醒)下则小于0.1μa。此外，stc89c系列单片机在完全兼容8052芯片(在标准8051基础上增加了t2定时器和128字节内部ram)的基础上，新增了许多实用功能。

在本实施例中，过温报警模块采用蜂鸣器，生成声音报警提示信息，以进行声音方面的过温报警提示。

请参阅图2，温度信息采集模块包括：

环境温度数据获取单元，用于采集环境温度数据；

环境温度信息生成单元，用于获取环境温度数据，并根据环境温度数据，得到环境温度信息。

在本实施例中，环境温度数据获取单元采用k型热电偶。k型热电偶的测温原理是利用转换元件的参数随温度变化的特性，将温度和与温度有关的参数的变化转换为电量变化输出的装置.两种不同的导体或半导体组成的闭合回路就构成了热电偶，热电偶两端为两个热电极，温度高的接点为热端、测量端或自由端；温度低的接点为冷端、参考端或自由端.测量时，将工作端置于被测温度场中，自由端恒定在某一温度.热电偶是基于热电效应工作的，热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。

在本实施例中，环境温度信息生成单元采用u2芯片，u2芯片采用模/数转换器芯片max6675。根据热电偶测温原理，热电偶的输出热电动势不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度也有关，在以往的应用中，有很多冷端补偿方法，如冷端冰点法、修正系数法、补偿导线法、电桥补偿法等，这些方法调试都比较麻烦.而maxim公司生产的max6675对其内部元器件的参数进行了激光校正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正.同时，max6675内部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路和继线检测电路都给k型热电偶的使用带来了极大的方便.max6675的特点有:①内部集成有冷端补偿电路；②带有简单的3位串行接口；③可将温度信号转换成12位数字量，温度分辨率达0.25℃；④内含热电偶断线检测电路。

根据热电偶测温原理，热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，使用硬件电路进行冷端补偿时，虽能部分改善测量精度，但由于热电偶使用环境的不同及硬件电路本身的局限性，效果并不明显；而使用软件补偿，通常是使用微处理机表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身非线性带来的测量误差，但同时也增加了程序编制及调试电路的难度。max6675对其内部元器件参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正。同时，max6675内部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路、断偶检测电路都给k型热电偶的使用带来了极大方便。

max6675内部具有将热电偶信号转换为与adc输入通道兼容电压的信号调节放大器，t+和t-输入端连接到低噪声放大器a1，以保证检测输入的高精度，同时是热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器a1放大，再经过a2电压跟随器缓冲后，送至adc的输入端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端进行补偿，冷端温度即是max6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。对于k型热电偶，电压变化率为41μ/℃，电压可由线性公式vout＝(41μ/℃)×(tr-tamb)来近似热电偶的特性。上式中，vout为热电偶输出电压(mv)，tr是测量点温度，tamb是周围温度。热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0℃-+1023.75℃范围变化。冷端即安装max6675的电路板周围温度，比温度在-20℃-+85℃范围内变化。当冷端温度波动时，max6675仍能精确检测热端的温度变化。在测温应用中，芯片自热将降低max6675温度测量精度，误大小依赖于max6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高max6675温度测量精度。max6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声影响，可在max6675的电源引脚附近接入1只0.1μf陶瓷旁路电容。热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高：①尽量采用不能从测量区域散热的大截面导线；②如必须用小截面导线，则只能应用在测量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线；③避免受能拉紧导线的机械挤压和振动；④当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；⑤在温度额定值范围内使用热电偶导线；⑥避免急剧温度变化；⑦在严劣环境中，使用合适的保护套以保证热电偶导线；⑧仅在低温和小变化率区域使用扩展导线；⑨保持热电偶电阻的事件。max6675采用标准的spi串行外设总线与mcu接口，且max6675只能作为从设备。max6675从spi串行接口输出数据的过程如下：mcu使cs变低并提供时钟信号给sck，由so读取测量结果。cs变低将停止任何转换过程；cs变高将启动一个新的转换过程。一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读16个输出位，第1位和第15位是一伪标志位，并总为0；第14位到第3位为以msb到lsb顺序排列的转换温度值；第2位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由max6675实现，为开放热电偶检测器操作，t-必须接地，并使能地点尽可能接近gnd脚；第1位为低以提供max6675器件身份码，第0位为三态。

请参阅图3，过温降温模块包括：

输入指示单元，用于获取降温指令；

环境降温单元，用于响应于降温指令，执行降温操作，以降低环境温度。

在本实施例中，输入指示单元采用u3芯片，u3芯片采用非门芯片74hc04。非门芯片74hc04是高速的硅栅cmos器件并兼容低功耗肖特基的ttl非门芯片，非门芯片74hc04是内含6组相同的反相器。即1a输入高电平，1y输出低电平六反相器。环境降温单元的执行元器件为电机。

请参阅图4，该智能热电偶测温系统还包括显示模块，显示模块用于对环境温度信息进行展示。

在本实施例中，显示模块采用液晶芯片lm061l。液晶芯片lm061l采用hd44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，lm016l与单片机mcu通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器(ir)和数据寄存器(dr)忙标志(bf)，显示数ram(ddram)，字符发生器roma(cgorom)字符发生器ram(cgram)，地址计数器ram(ac)。ir用于寄存指令码，只能写入不能读出，dr用于寄存数据，数据由内部操作自动写入ddram和cgram,或者暂存从ddram和cgram读出的数据，bf为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，ddtam用来存储显示的字符，能存储80个字符码。

请参阅图5、图6至图9，该智能热电偶测温方法包括以下步骤：

s100、采集环境温度数据，并根据环境温度数据，得到环境温度信息。

s200、获取环境温度信息，并对环境温度信息进行线性处理及存储，得到当前工作状态，当前工作状态包括过温状态和正常状态，及若当前工作状态为过温状态时生成降温指令。

s300、获取降温指令，并响应于降温指令，执行降温操作，以降低环境温度。

s400、获取降温指令，并响应于降温指令，生成报警提示信息，以进行过温报警提示。

在本实施例中，步骤s100中采用u1芯片，u1芯片采用单片机处理芯片stc89c51。stc89c51芯片是采用8051核的isp(insystemprogramming)在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80mhz，片内含4kbytes的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ispflash存储单元，具有在系统可编程(isp)特性，配合pc端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。stc89c51rc系列单片机是单时钟/机器周期(1t)的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构，内部集成max810专用复位电路。

stc89c51系列单片机是从引脚到内核都完全兼容标准8051的单片机，有pdip-40、plcc-44、pqfp-44三种封装形式。stc89c51/52/53/54/55/58/516芯片分别含有4k/8k/15k/16k/20k/32k/64k字节flashrom供用户编程使用。除了内含flashrom容量的不同外，stc89c系列单片机还分成stc89c5xrc/rd+(vcc为5v)、s17c89le5xrc/rd+(vcc为3.3v)、stc89le5xad(vcc为3.3v，带8位a/d转换电路)等型号。其中51/52/53型号后缀为rc，表明片内集成了512字节ram。54/58/516型号后缀为rd+，表明片内集成了1280字节ram。后缀为ad则表明片内集成了a/d转换电路和512字节ram。stc89c系列单片机是高速/低功耗的新一代8051单片机，最高工作频率可分别达到25mhz-50mhz，具体在芯片上的型号名称后以“-xx”标注。stc89c系列单片机有较宽的工作电压，5v型号的可工作于3.4v-6.0v，3.3v型号的可工作于2.0v-4.0v(isp/iap操作时对电压要求会稍严)。正常工作模式下的典型耗电为4ma-7ma，空闲模式为2ma，掉电模式’(可由外部中断唤醒)下则小于0.1μa。此外，stc89c系列单片机在完全兼容8052芯片(在标准8051基础上增加了t2定时器和128字节内部ram)的基础上，新增了许多实用功能。

在本实施例中，步骤s400中采用蜂鸣器，生成声音报警提示信息，以进行声音方面的过温报警提示。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。