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1、江苏科技大学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院 材料科学与工程 专 业 焊接技术与工程 学生姓名 班级学号 指导教师 二零一零年六月江苏科技大学本科毕业论文搅拌摩擦头测温装置硬件部分设计 Hardware design of friction stir welding pintemperature measurement device江苏科技大学本科毕业设计(论文)摘 要搅拌头是实现搅拌摩擦焊的关键和核心技术之一，被誉为搅拌摩擦焊的“心脏”。搅拌头用以提供搅拌摩擦焊接过程中所需的热量，是热塑性材料与周围材料实现扩散连接的工具，因此对其温度场实施检测具有重要意义。本文采用典型的ATMEGA12
2、8单片机作为微处理器，对工作时高速旋转的搅拌头设计了一款简单、实用的无线测温装置。该装置由温度的采集处理和串行口通信两大部分构成，其中温度采集是通过K型热电偶和热电偶数字转换器芯片MAX6675实现的；无线数据传输系统主要由3模块组成，即无线收发模块、处理器模块和与计算机的串口通信模块。无线收发模块负责对外进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；处理器模块负责控制整个系统的处理操作和系统传输模式设置；串口通信是将所采集的温度通过RS-232串行口传给PC机，由PC完成对温度数据的各种统计、分析等后续处理。为了提高系统的抗干扰能力，在无线模块CC1000处还增加了抗干扰硬件及软件的设计。实验证
3、明，该无线测温装置具有体积小、结构简单、通用性好、使用方便等特点。关键词:搅拌摩擦焊；搅拌头；温度场；ATMEGA128；CC1000AbstractThe head of stirs is the key to realize the friction stir welding technology is one of the core and the friction stir welding, known as the heart. The head of stirs to provide the friction stir welding process is needed, the
4、heat with the surrounding material thermoplastic materials diffusion bonding of tools, so the temperature field test of great significance.Using typical ATMEGA128 single-chip processor is proposed to work as a microprocessor, high-speed mixing head when designing a simple and practical temperature m
5、easurement device wireless. The device by temperature of the acquisition and processing and serial communication, including two most temperature gathering is through K thermocouple and thermocouple type to digital converter chip MAX6675 realization, Wireless data transmission system mainly consists
6、of three modules, namely the wireless transceiver module, the processor module and computer serial communication module. Wireless transceiver module is responsible for foreign exchange control for wireless communication, information and data transceiver, Processor module is responsible for control o
7、f the system operation system and transmission mode Settings, Serial communication will be collected by the temperature RS-232 serial transmission to PC, complete by the PC for temperature data of various statistics, analysis and subsequent processing. In order to improve the system of anti-jamming
8、and CC1000 module in wireless also increases the anti-interference design of hardware and software.Experiments show that the wireless temperature measurement device has the advantages of small size, simple structure, easy and convenient use, etc.Keywords:friction stir welding; head of stirs;temperat
9、ure field;ATMEGA128;CC1000目 录第一章 前言11.0 引言11.1 温度场检测方法11.2 测温方法中存在的缺点及误差分析21.2.1 热电偶21.2.2 红外测温的误差分析51.2.3 辐射测温仪的溯源体系和存在问题61.3 搅拌摩擦焊用搅拌头的研究现状81.3.1 轴肩研究现状81.3.2 搅拌针研究现状81.4 当前对搅拌头研究的趋势及需要解决的问题91.5 本论文的研究内容9第二章 系统硬件设计102.1 测温装置的硬件电路设计102.1.1 MAX6675102.1.2 K型热电偶122.1.3 无线模块CC1000152.1.4 处理器模块ATMEGA12
10、8202.1.5 串行通信接口模块RS-232222.2 测温控制电路232.3 软件设计232.4 结语26第三章 PCB板的制作273.1 原理图设计及其流程273.2 PCB板设计及其流程283.3 设计中常见问题的解决方法和实用技巧30结 语33致 谢34参考文献35IV第一章 前言1.0 引言搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型的固态塑化连接方法，与传统熔化焊相比，它具有接头晶粒细小、性能良好、无飞溅、无烟尘、内应力小、变形小等许多优点1。从1991年问世至今，已引起人们的极大关注，且在航空、航天、车辆及造船等行得到应用。目前关于FSW的研究主要是针对铝合金及其他金属材料的焊接工艺、微观组
11、织，以及焊接工具和设备的开发，对其机理如温度场和塑性流体流动的研究正逐步成为一个热点2。搅拌头是搅拌摩擦焊的关键，最优搅拌头是搅拌摩擦焊获得高质量接头的前提。搅拌头主要由轴肩和搅拌针两部分构成，其几何形貌和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入方式，还影响焊接过程中搅拌头附近塑性软化材料的流动形式，对于给定板厚的材料来说，焊接质量和效率主要取决于搅拌头的形貌和几何设计。因而设计合理的搅拌头是提高焊接质量、获得高性能接头的前提和关键。对国内焊接行业来说，搅拌摩擦焊技术仍属于一种崭新的技术，对搅拌头这种核心技术的研究尚不够深入。本文对搅拌头的温度场检测进行了系统的研究和设计，为搅拌摩擦焊技术在中国的应用和
12、发展提供有价值的参考。1.1 温度场检测方法测温方法很多，仅从测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温与非接触式测温两大类。接触式测温是基于热平衡原理，测温敏感元件必须与被测介质接触，使两者处于同一热平衡状态，具有同一温度，如水银温度计，热电偶温度计等就是利用此法测量。非接触式测温是利用物质的热辐射原理，测温元件不需与被测介质接触，而是通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度，如辐射温度计，光纤温度计等。接触式测温简单、可靠，且测量精度高。但是由于测温元件需与被测介质接触后进行的热交换，才能达到热平衡，因而产生了滞后现象。另外，由于受到耐高温材料的限制，接触式测量不能应用于很高温度的测量。非接
13、触式测温，由于测温元件不与被测介质接触，因而其测温范围很广，其测温上限原则上不受限制;测温速度也较快，而且可以对运动体进行测量。但是，它受到物体的发射率，被测对象到仪表之间的距离，烟尘和水汽等其它介质的影响，一般测温误差较大，目前使用较广的是接触式测温。下面几种热电偶、测温电阻、谐振型NOR温度计、全辐射高温计、光纤温度传感器、红外测温、为现代常用温度测量方法。1.2 测温方法中存在的缺点及误差分析1.2.1 热电偶(1) 热电偶的参比端处理如前所述，热电偶的热电势大小与热电极材料和两结点的温度有关，热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表都是以热电偶的冷端温度等于零(0)，但在实际测量中，很
14、难保证冷端温度恒定为0，所以必须进行冷端温度补偿与修正。传统方法有如下几种： 0恒温法、导线补偿法、热电势修正法、电位补偿法、电桥补偿法。近年来，利用集成温度传感器对冷端温度进行补偿取得进展，由于电位补偿法和电桥补偿法都对电阻要求较高，尤其在多路温度测量中不易调试，因而随着芯片技术的发展，出现了用集成温度传感器精密测量热偶冷端温度进行补偿的方法。从原理上讲，这种方法就是由集成温度传感器测得冷端温度，再与热电偶所测温度叠加。电路实现主要有两种形式，即：模拟信号叠加形式和数字信号叠加形式3。模拟信号叠加形式又可分为两种，如图1-1(a)、(b)所示。图1-1(a)中，补偿电势V提高了热电偶温差电势
15、E的地电位，输出端为叠加后的电动势；图1-1(b)中，补偿通过运放构成的加法器实现。比较而言，前者电路易于实现，设计巧妙，后者电路参数选配繁琐，一定程度上影响了补偿精度。+V-+V-EE(a) (b)图1-1 冷端补偿的模拟信号叠加电路下面以ADI公司的集成温度传感器AD590用作冷端补偿为例加以说明。AD590是绝对温度-电流传感器，满足I=K(T+273.2)的变换，其中I和T的单位分别是A和，K=1A/。它直接将温度转换成输出电流，且具有标准化(1A/K)的线性输出。AD590工作时，两端加上+4V+30V的电压，器件呈现为一个高阻抗(10M)的温控电流源，对激励电压变化不敏感，功耗低，
16、用长线传输信号时不会因为电压降或感应的噪声电压而产生误差，抑制干扰的能力也很强，因此可用于较远距离的温度测量，在-55+150内优于其它温度传感器。这些特点使它极易与热电偶配合，作高精度的温度测量4。(2) 实际应用中的其它问题AD转换芯片位数的选择和信号放大倍数的确定测温范围(量程)和测温精度是进行仪器设计时必须着重考虑的问题，务必保证测量允许误差大于满量程范围内的热分辨率(测温精度)。一般来说，由测温范围(量程)和最大允许误差(量程精度等级%)之比，可估算出AD转换芯片位数，注意要留出12位的余量。AD转换芯片位数确定后，根据AD转换芯片参考电压的大小，即AD转换芯片模拟输入电压的范围，进
17、一步确定热电偶输出信号放大电路的放大倍数。既要保证放大电路最大输出小于AD转换芯片的输入范围，又要保证测温精度小于允许误差。以镍铬镍硅热电偶为例，要测量+10+150的温度，要求最大测温误差不得超过0.1，则大致估算出AD转换芯片的位数为12(因为140/0.1=1400(1024,2048)，选择11位AD即可满足要求，要留出一定的余量，应选12位)。设AD转换芯片模拟输入范围是02.5V。由热电偶分度表可知，+10+150对应0.40mV6.13mV，0.1约对应0.004mV，则按11位AD估算，由于2500/(6.13-0.40)436，放大倍数小于它才能保证最大输出小于参考电压；又因
18、为2500/(211-1)/0.004306，放大倍数大于它才能保证测温精度小于允许误差；所以，放大倍数G(306,436)。据此可设计放大电路5。断偶检测问题众所周知，在实际应用中热电偶可能由于各种原因发生断路，使仪器不能正常工作，如果不能及时发现，势必给工业生产造成损失。为此应该设计一个断偶检测电路，一旦发生热电偶断路时仪器能够自动检测出来，断偶检测电路的设计有很多种方法。图1-2所示是一个带有断偶检测电路的热电偶温度采集电路。其中+5V电源上拉电阻经R1=10M接到仪用放大器输入端，当热电偶正常工作时，因其阻值很大对放大器输入信号没什么影响；一旦热电偶断路，仪用放大器输入信号变为5V，经
19、放大和AD转换，计算机或微控制器立刻可以检测到这个不正常信号，从而判定热电偶断路，给出报警信号。+-GEV0R1RPUAD590VA+5VAD620仪用放大器10MR2RbR3VB1K8.5KVREF39图1-2 一种热电偶温度采集器零位调整问题在测温系统中，必要的模拟开关单元、直流放大单元、滤波单元、A/D变换单元和微处理器等部件不可避免地会存在温度漂移、失调误差等问题，由于设计原理的需要，有时也要进行零位调整。通常传统的方法是采用低失调、低漂移、高质量的元器件设计放大通道或采用硬件补偿电路加以解决。以图1-2所示电路为例，仪用放大器可以保证低失调、低漂移。但根据电路设计原理可知，热电偶的平
20、均热电势为40V/，而K=1A/，为保证补偿电势VA随温度变化率与热电偶的相同，令RP40，则VAK(T+273.2)RP+EKT+E+10.928(mV)，要设法使输出电压与温度成线性，应把大约10.928mV的电压从输入端减去。所以就设计了由R2、R3、Rb组成的分压电路，其中Rb是电位器，若取VREF=2.5V，则可取R2=39，R3=8.5K，Rb=1K，此时，VB的可调范围大约为(10.22mV11.42mV)。调整Rb，使0时输出V0=0。数字信号处理热电偶及其信号放大电路把温度信号转化为电压信号后，经AD芯片转化为数字信号，微处理器要通过系统软件设计对该信号进行处理，由该数字信号
21、得到对应的温度信号。常用方法有查表法、直线拟合法、曲线拟合法、压缩表格的查表法，还有表格法和线性插值相结合的方法等。查表法是直接利用微机内存单元，将对应温度的热电势存入指定的内存单元。此法简单，但占用内存量大，对内存量不大的微处理器来说很不合算。直线拟合法是用直线方程拟和温度与对应热电势的关系，用计算的方法求得温度值，虽然这种方法占用内存量很小，但由于热电偶温度-热电势不是严格的线性关系，所以补偿精度受到限制。曲线拟合法一般是利用幂函数的形式拟合热电势(e)与温度(t)的关系，即，显然，阶数越高拟合误差越小。实际计算表明，如果采用分段的方法，拟合公式的阶数不会太高。这种方法的缺点是计算程序复杂
22、。压缩表格的查表法是针对原查表法占用内存太大的弊端进行改进的方法，其设计思想是将原来的直接存放的与毫伏值相应的数字量的相邻两个量相减，重做特征码表，将相应于温差的数字量之差存入内存。这种方法使占用内存字节数大为降低。表格法和线性插值相结合的方法则是综合了查表法和直线拟合法的特点进行软件设计的。固化的表格只是将热电势分为若干个区间，工作时，将热电势对应的数字量作为输入，用二分法找到其所在的电压区间，再用线性插值确定其所对应的温度值。举例来说，要测量+10+150的温度，以温度增加1对应的电压值建立140个表格，A/D转换结果与表格内的电压值进行比较，直到UNUUN+1时停止比较，求出温度整数部分
23、，根据UUN和UN+1UN的比值求解温度的小数部分，就可求出温度值。这种方法简单方便，也能满足一般的设备精度要求6。1.2.2 红外测温的误差分析由于红外测温是非接触式的，这样会存在着各种误差。影响误差的因素很多，除了仪器本身的因素外，主要在以下几个方面：(1) 发射率(即辐射系数)发射率是一个物体相对于黑体辐射能力大小的物理量，它除了与物体的材料形状、表面粗糙度、凹凸度等有关，还与测试的方向有关。若物体为光洁表面时，其方向性更为敏感。不同物质的辐射率是不同的，红外测温仪从物体上接收到的辐射能量大小正比于它的辐射率。根据基尔霍夫定理7：物体表面的半球单色发射率()等于它的半球单色吸收率()，=
24、。在热平衡条件下，物体辐射功率等于它的吸收功率，即吸收率()、反射率()、透射率()总和为1，即+=1。对于不透明的(或具有一定厚度)的物体透射率可视=0，只有辐射和反射(+=1)。(2) 距离系数距离系数K对红外测温的精确度有很大的影响，距离系数(K = SD)就是测温仪到目标的距离S与测温目标直径D的比值，K越大，分辨率越高。(3) 环境因素被测物体所处的环境对测量的结果有很大的影响。当设被测目标的温度为T1，环境温度为T2时，该目标单位面积表面发射的辐射能为A，而相应地被它所吸收辐射能为A，则该物体发出的净辐射能Q为8,9Q= A- A式中A为单位面积，为物体的辐射率，为它的吸收率。设被
25、测物体的和两者相等，由上式可得Q= A(-)实验结果表明：在实际测量工作中，周围环境温度越高，产生附加辐射影响较大，误差也越大；被测物体本身温度越高，测量精度越高；不同感受波长的测温仪只适于测量相应温度的物体，才会减少在实际工作中的误差10。1.2.3 辐射测温仪的溯源体系和存在问题对于亮度式高温计，比如光学高温计或光电高温计，可以用标准温度灯来校准。温度灯是一种高稳定度的高温辐射源。在一定的实验条件下，温度灯钨带表面在规定的有效面积内所辐射出的辐射通量与通过钨带的电流之间具有稳定的关系特性。它结构简单，稳定度高，使用方便，易于携带，而且价格便宜。它的这些特点使其得到广泛的应用，成为目前国际上
26、最重要和最常用的一种标准辐射源，可复现8002500范围内的亮度温度，利用窗口衰减的方法，可向上扩展到3200。需要注意的是，温度灯是一种非黑体辐射源，它具有与黑体不同的光谱能量分布。在引用普朗克函数的情况下，温度灯所复现的温度量值是一定有效波长下的亮度温度。如果偏离了温度灯复现温度的有效波长，则会造成很大的误差，甚至是错误的结果。因此对于全辐射、部分辐射和比色式温度计，必须使用黑体炉来进行校准。黑体炉在辐射测温溯源中的作用将日益突出，当前利用黑体炉开展辐射温度计校准工作主要依据JJG856-1994(500以下工作用辐射温度计)、JJG415-2001(工作用辐射温度计)和JJG67-200
27、3(工作用全辐射温度计)。这些规程(规范)都是以标准光电高温计、热电偶或铂电阻等作为标准器，以黑体炉作为比较辐射源，对辐射温度计进行校准。对辐射源黑度系数的要求一般为1(0.0050.015)之间11。随着技术的发展，逐渐出现了一些新型的辐射源，比如高发射率的面源和标准器不可拆卸溯源的一体式辐射源(特别是低温段)，但还没有相应的规程和规范可执行。使用当前规程(规范)开展辐射温度计计量工作存在的问题有：(1) 发射率修正问题前面提到，各种辐射测温方法都受到发射率的影响，因此，辐射源的黑度系数会对被校辐射温度计有很大影响。虽然对辐射源的黑度系数被限定在1附近，不会对校准结果产生明显的影响，但是对固
28、定发射率(常见的有0.7, 0.95或0.97)或发射率不能调节为l的辐射温度计，依据这些规程开展校准时，就会带来很大的困难，需要根据校准的数据进行发射率的修正。对于宽波长的辐射温度计(部分辐射温度计)来说，这种修正尤为显得困难12。(2) 辐射源的溯源问题虽然在辐射温度计的校准中使用的标准器如标准光电高温计、标准热电偶或铂电阻经过了校准，最终能溯源到ITS-1990温标。但是对标准热电偶、热电阻等接触方法测量的标准器，并不能保证标准器测量的温度与黑体源的温度一致；而采用光电高温计为标准器时，由于标准光电高温计测量的是单一波长下的亮度温度，如果黑体炉偏离理想黑体的话，也会带来很大的误差。黑体炉
29、作为校准中比较用的辐射源，其特性对校准结果也有很大的影响，有时这些影响甚至是主要的。一般黑体炉采用人工黑体腔的方法进行设计，其有效发射率是通过计算得到的。有效发射率不仅跟黑体腔材料的黑度系数有关，还与黑体腔的温度分布以及测量时选用的波长有关。前面ITS-1990中关于辐射温度的规定也提到，辐射温度的复现是以黑体辐射定律为基础的，因此必须保证在校准过程中辐射源的辐射特性不能偏离理想黑体特性太多，才能保证校准的准确性。而当前对温度辐射源特别是较高温度辐射源的溯源方法还不是太成熟13。(3) 辐射源校准的方法由于只进行一个波长下的黑体辐射源辐射率的测量，并不能保证在其他波长下也满足黑体辐射特性，因此
30、还要考虑其他波段的辐射特性。比如对于800以上温度，可以用标准光电高温计直接在一个波长下对辐射源进行考核，然后用光谱仪对其他波长进行辐射能量的分析。由于用光谱仪来测量绝对辐射能量比较困难，可以测量相对光谱强度随波长的分布(需要经过探测器光谱响应修正)，然后考察其是否偏离了理想黑体或灰体。光谱仪覆盖的波长范围应大于该辐射源的工作波长范围。对于800以下的温度，还需要用与参考黑体比较的方法对实用黑体进行考核。比较的仪器应选用高稳定性的辐射测温仪。由于很难在全波长范围内进行比较，因此可选用常用的工作波段，并选择性能稳定的辐射温度计进行比较14。在与参考黑体比较时，还应采取措施减小源效应的影响，以及环
31、境温度和辐射的影响。特别在较低温度范围下，环境温度的影响是不可忽略的。辐射测温方法以其独特的优点，在实际应用中越来越广泛，保证其按照ITS-1990的规定可靠溯源是非常重要的。利用等温黑体辐射源可以比较理想地完成辐射温度计的校准，但黑体辐射源本身的溯源方法还需要进一步深入研究15。1.3 搅拌摩擦焊用搅拌头的研究现状1.3.1 轴肩研究现状轴肩在焊接过程中主要起两种作用：通过与工件表面间的摩擦，提供焊接热源；提供一个封闭的焊接环境，以阻止高塑性软化材料从轴肩溢出。常见的几种轴肩它们都是在搅拌针和轴肩的交界处中间凹入。在焊接过程中，这种设计形式可保证轴肩端部下方的软化材料受到向内方向的力的作用，
32、从而有利于将轴肩端部下方形成的软化材料收集到轴肩端面的中心以添充搅拌针后方所形成的空腔，同时，可减少焊接过程中搅拌头内部的应力集中而保护搅拌针16。对于特定的焊接材料，为了获得最佳的焊接效果，必须设计出与之相适应的特殊的轴肩几何形貌。由于轴肩在焊接过程中所起的作用比较单一，因而人们对轴肩形貌、几何尺寸及其对焊接过程中塑性流动和焊后接头质量影响方面的研究较少，而将大部分精力投入搅拌针形貌、几何尺寸设计方面的研究。1.3.2 搅拌针研究现状搅拌针在焊接过程中不仅通过与接合面间的摩擦来提供热输入，更重要的是起到机械搅拌作用，因而搅拌针的形貌和几何尺寸影响着塑性软化材料的流动形式和被切削材料的体积，进
33、而影响接头的力学性能。正是由于搅拌针在焊接过程中所发挥的复杂而重要的作用，人们对搅拌摩擦焊的研究越来越深入，设计出了多种形式的搅拌针，以适应各种焊接状态。如柱形搅拌针17、锥形螺纹搅拌针18、三槽锥形螺纹搅拌针19、偏心圆搅拌针20、偏心圆螺纹搅拌针、非对称搅拌针21、外开螺纹搅拌针22、可伸缩式搅拌针23。1.4 当前对搅拌头研究的趋势及需要解决的问题自动变轴肩尺寸且可自动伸缩式搅拌头是目前搅拌头发展中最有应用前景的前沿技术，该技术解决了早期搅拌摩擦焊技术的难题，如匙孔的消除、变厚度板材的连接等，从而有效地提高了搅拌摩擦焊技术的生产效率和应用范围。对国内焊接行业来说，搅拌摩擦焊技术仍属于一种
34、崭新的技术，对搅拌头这种核心技术的研究尚不够深入。目前，搅拌头技术仍有一些难点急需解决。如怎样获得耐高温的高强度搅拌头，这一难点限制了搅拌摩擦焊技术在钢材、钛合金等高温硬质材料等方面的应用，然而这也为我国从事搅拌摩擦焊技术的科研人员提供了一种新的机遇。1.5 本论文的研究内容通过对搅拌摩擦焊和温度场检测方法的学习，文中设计了一种简单、低成本的温度场检测方式，即选用K型热电偶，以ATMEGA128单片机作为微处理器，对工作时高速旋转的搅拌摩擦头完成温度场检测的设计。第二章 系统硬件设计2.1 测温装置的硬件电路设计系统构成如图2-1所示系统以单片机ATMEGA128为核心，包括温度的采集处理和串
35、行口通信等部分，其中温度采集是通过K型热电偶和热电偶数字转换器芯片MAX6675实现的；无线数据传输系统主要由3模块组成，即无线收发模块、处理器模块和与计算机的串口通信模块。无线收发模块负责对外进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；处理器模块负责控制整个系统的处理操作和系统传输模式设置；串口通信是将所采集的温度通过RS-232串行口传给PC机，由PC完成对温度数据的各种统计、分析等后续处理。处理器模块ATMEGA128温度检测电路MAX6675K型热电偶无线模块CC1000串行通信接口RS-232图2-1 温度信号检测结构框图串行通信接口RS-232无线模块CC1000PC机图2-2 温度
36、信号接收结构框图2.1.1 MAX6675(1) MAX6675的工作原理及特点。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：内部集成有冷端补偿电路；带有简单的3位串行接口；内含热电偶断线检测电路。(2
37、) MAX6675的引脚排列及内部结构。MAX6675芯片的引脚排列如图2-3所示，各引脚的功能：T-为热电偶负极(使用时接地)；T+为热电偶正极；SCK为串行时钟输入；CS为片选信号(CS为低电平时，启动串口)；SO为串行数据输出；Vcc为电源端；GND为接地端；N.C.为悬空，不用。图2-3 MAX6675的引脚图MAX6675的内部结构如图2-4所示，它主要由热电偶模拟信号放大电路、冷端补偿信号产生电路、A/D转换器以及数字控制。图2-4 MAX6675的内部结构热电偶输出信号转换电路主要由ATMEGA128控制MAX6675来完成。MAX6675的典型用法：MAX6675是一个专门的热
38、电偶数字转换器芯片。温度分辨率为0.25。它内置一个12位A/D转换器，两个放大器，冷端补偿电路以及参考电平发生器。来自K型热电偶的热电势与引脚T+、T-连接，信号经两级放大器放大和滤波处理后，成为与芯片内的A/D转换器相匹配的电平信号。另外，根据热电偶的输出热电势只与热端和冷端的温差有关的原理，当冷端(即MAX6675所在的环境)的温度变化时，MAX6675是通过内置的冷端补偿的电路来实现冷端补偿的。它将温度的变化转换为相应的电平信号，有了这个电平信号和热电偶的输出热电势，便能得知测量端的绝对温度值。此外，在查阅相关资料中，均未发现如何去除热电偶在低温时输出信号的不稳定性，后经实验发现，在热
39、电偶输A冷端片连一接地电阻R(R应用大于30k)，可去除低温度输出信号的不稳定性，且有去噪功能。2.1.2 K型热电偶(1) K型热电偶的测温原理：热电传感器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。在工业标准热电偶中，K型(镍铬-镍硅)热电偶由于具有价格低廉
40、、输出热电势值较大、热电势与温度的线性关系好、化学稳定性好、复制性好、可在1000下长期使用等特点，因而是工业生产制造部门应用最广泛的热电偶元件。(2) 热电偶测温的误差分析热电偶热电特性不稳定的影响玷污与应力的影响及消除方法 热电偶在生产过程中，偶丝经过多道缩径拉伸在其表面总是受玷污的，同时也存在应力及晶格的不均匀性。因淬火或冷加工引入的应力，可以通过退火的方法来基本消除，退火不合格所造成的误差，可达十分之几度到几度。它与待测温度及热电偶电极上的温度梯度大小有关。不均匀性的影响 一般来说热电偶若是由均质导体制成的，则其热电势只与两端的温度有关，若热电极材料不是均匀的，且热电极又处于温度梯度场
41、中，则热电偶会产生一个附加热电势，其大小取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态，材料的不均匀形式和不均匀程度及热电极在温度场所处的位置。热电偶不稳定性的影响 不稳定性就是指热电偶的分度值随使用时间和使用条件的不同而引起的变化。在大多数情况下，它可能是不准确性的主要原因。影响不稳定性的因素有：玷污、热电极在高温下挥发、氧化和还原、脆化、辐射等。若分度值的变化相对地讲是缓慢而又均匀的，这时经常进行监督性校验或根据实际使用情况安排周期检定，这样可以减少不稳定性引入的误差。参考端温度的影响及修正方法热电偶的热电势大小与热电极材料以及工作端的温度有关。热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度显示仪表都是以热电
42、偶参考端温度等于0为条件的。在实际使用热电偶时，其冷端温度(参考端)不但不为0，而且往往是变化的，因此测温仪表所测得的温度值就会产生很大误差，在这种情况下，我们通常采用如下方法来修正。热电势补正法 由中间温度定律可知，参考端温度为tn时的热电势EAB(t,tn)=EAB(t,t0)-EAB(tn,t0)。所以，用常温下的温度传感器测出参比端的温度tn，然后从对应电偶的分度表中查出对应温度下的热电势E(tn,t0)，再将这个热电势与所实测的E(t,tn)代数相加，得出的结果就是热电偶参比端温度为0时，对应于测量端的温度为t时的热电势E(t,t0)，最后再从分度表中查得对应于E(t,0)的温度，这
43、个温度就是热电偶测量端的实际温度t。利用计算机软件处理方法可很好的解决参比端温度的变化问题，只要随时准确的测出tn，就可以准确得到测量端温度。同时还充分应用了对应热电偶的分度表，并对非线性误差得到了校正，这种方法适用于各种热电偶。调仪表起始点法 由于仪表示值是EAB(tn,t0)对应的热电势，如果在测量线路开路的情况下，将仪表的指针零位调定到tn处，就相当于事先给仪表加了一个电势EAB(tn,t0)，当用闭合测量线路进行测温时，由热电偶输入的热电势EAB(tn,t0)与EAB(t,tn)叠加，其和正好等于EAB(t,t0)。因此对直读式仪表采用调仪表起始点的方法十分简便。补偿导线 采用补偿导线
44、把热电偶的参考端延长到温度较恒定的地方，再进行修正。从本质上来说它并不能消除参考端温度不为0时的影响，因此还应该与其它修正方法结合才能将补偿导线与仪表连接处的温度修正到0。此时参考端己变为一个温度不变或变化很小的新参考端。此时热电偶产生的热电势己不受原参考端温度变化影响。参考端温度补偿器 补偿器是一个不平衡电桥，电桥的3个桥臂电阻是电阻温度系数很小的锰铜丝绕制的。其阻值基本上不随温度变化而变化，并使R1=R2=R3=1。另一个桥臂电阻Rcu是由电阻温度系数较大的铜绕制而成，并使其在20时Rcu=1，此时电桥平衡，没有电压输出，当电桥所处温度发生变化时，Rcu的阻值也随之改变，于是就有不平衡电压
45、输出，此输出电压用来抵消参考端温度变化所产生的热电势误差。传热及热电偶安装的影响由于热电偶测温是属于接触式测量，当热电偶插入被测介质时，它要从被测介质吸收热量使自身温度升高，同时又以热辐射方式和热传导方式向温度低处散发热量，当测量端向外散失的热量等于自气流中吸收的热量时此时热电偶达到了稳定的示值，但这并不代表气流的真实温度，因为测量端向环境散失的热量是由气流的加热来补偿的，也就是说测量端与气流的热交换处于不平衡状态，因此，它们的温度也不可能具有相同的数值。传热愈强，测量端的温度偏离气流温度也愈大。热辐射误差 热辐射误差产生是热电偶测量端与环境的辐射热交换所引起的。减少辐射误差的办法，一是加剧对
46、流换热，二是削弱辐射换热。导热误差 在测量高温气流的温度时，由于沿热电偶长度存在温度梯度，故测量端必然会沿热电极导热，使得指示温度偏离实际温度。导热量越多，相应的误差就越大，因此凡能加剧对流和削弱导热的因素都可以用来减少导热误差。测量系统漏电的影响绝缘不良是产生电流泄漏的主要原因，它对热电偶的准确度有很大的影响，能歪曲被测的热电势，使仪表显示失真，甚至不能正常工作。一般采用接地或其它屏蔽方法。对铠装热电偶的分流误差我们常以增大其直径、增加绝缘层厚度、缩短加热带长度、降低热电偶的电阻值等方法来降低误差的。动态响应误差热电偶插入被测介质后，由于本身具有热惰性，因此不能立即指示出被测气流的温度，只有
47、当测量端吸、放热达到动态平衡后才达到稳定的示值。在热电偶插入后到示值稳定之前的整个不稳定过程中，热电偶的瞬时示值与稳定后的示值存在着偏差，这时热电偶除了有各种稳定的误差外，还存在由热电偶热惰性引入的偏差，即动态响应误差。克服这类误差的方法，一是确定动态响应误差，予以修正；二是将动态响应误差减少到允许要求的范围之内。通过对热电偶原理及误差来源及修正方法的分析和总结，认为热电偶的不稳定性、不均匀性、参考端温度变化、热传导以及热电偶安装使用不当会引起测量误差，有一些是由于在加工制造过程中造成的，有些是测量系统及仪器本身即存在误差，还有一些则是人为造成的，对这些只要我们细心并对热电偶的特性有一定的了解则是可以避免的。2.1.3 无线模块CC1000本系统无线收发模块采用Chipcon公司的CC1000收发器。CC1000是采用SmartRF技术，在0.35mCMOS工艺下制造的一种
