实用温度测量仪22.doc

实用温度测量仪 1 目目 录录 目目 录录 1 引引 言言 2 一 总体设计方案一 总体设计方案 3 1 1 设计方案论证 3 1 2 方案总体设计框图 3 二 元件选择与说明二 元件选择与说明 3 2 1 K 型热电偶 3 2 1 1 热电偶的概念 3 2 1 2 K 型热电偶概述与特点 4 2 1 3 K 型热电偶的测温原理 4 2 2 MAX6675 6 2 2 1 MAX6675 的工作原理 6 2 2 2 MAX6675 信号转化与放大的工作原理 6 2 2 3 MAX6675 冷端补偿的工作原理 6 2 3 AT89S52 单片机 7 2 3 1 AT89S52 单片机主要特性介绍 7 2 4 LCD1602 显示器 8 三 单元电路设计三 单元电路设计 9 3 1 晶振电路 9 3 2 上电复位电路 10 3 3 MAX6675 内部放大电路 10 3 4 LCD1602 显示电路 11 四 软件设计四 软件设计 12 4 1 系统软件设计说明 12 4 2 程序流程图 12 实用温度测量仪 2 4 2 程序清单 13 五 课程设计心得体会五 课程设计心得体会 13 六 参考文献六 参考文献 14 七 附七 附 录录 15 实用温度测量仪 3 引引 言言 随着科技的发展和 信息时代 的到来 作为获取信息的手段 传感器技术 得到了显著的进步 其应用领域越来越广泛 对其要求越来越高 需求越来越迫切 因此 了解并掌握各类传感器的基本结构 工作原理及特性是非常重要的 传感器主要用于测量和控制系统 它的性能好坏直接影响系统的性能 因此 不仅必须掌握各类传感器的结构 原理及其性能指标 还必须懂得传感器经过适当 的接口电路调整才能满足信号的处理 显示和控制的要求 而且只有通过对传感器 应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解 才能将传感器和信息通信与信息处 理结合起来 适应传感器的生产 研制 开发和应用 另一方面 传感器的被测信 号来自于各个应用领域 每个领域都为了改革生产力 提高工效和时效 各自都在 开发研制适合应用的传感器 于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现 温度传感器是其中重要的一类传感器 其发展速度之快 以及其应用之广 并且还 有很大潜力 为了提高对传感器的认识和了解 尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法 与用途 基于实用 广泛和典型的原则而设计了本系统 本文利用单片机结合温度 传感器技术而开发设计了这一实用温度测量仪 文中将传感器理论与单片机实际应 用有机结合 详细地讲述了利用热电偶作为温度传感器来测量实时的温度 以及实 现热电转换的原理过程 实用温度测量仪 4 一 总体设计方案一 总体设计方案 1 11 1 设计方案论证设计方案论证 根据 K 型热电偶的温度特性 室内温度通过 K 型热电偶感应 电路将输出的微 弱的电压信号送到 MAX6675 处理 将信号放大并把模拟电压信号转换成数字信号 并送入单片机中 单片机接收到该测量数字信号后 调用存放在存储器中的程序对 其进行各种智能化处理 如进行非线性补偿 平均滤波 各种进制的转换等 最后 得出在允许误差范围内的测量温度值 并由 LCD16 2 显示器显示温度值 1 21 2 方案总体设计框图方案总体设计框图 K 型热 电偶 测量 温度 AT89S52 单片机 对信号 进行进 一步的 分析处 理 MAX66 75 转 换热 电偶 数字 并放 大信 号 LCD1 6 2 显示 温度 温度 传感 器 二 元件选择与说明二 元件选择与说明 2 12 1 K K 型热电偶型热电偶 2 1 12 1 1 热电偶的概念热电偶的概念 热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件 是由两种不同成分的导体两端接合 成回路时 当两接合点 热电偶温度不同时 就会在回路内产生热电流 如果热电偶 实用温度测量仪 5 的工作端与参比端存有温差时 显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的 温度值 热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长 它的大小只与热电偶材 料和两端的温度有关 与热电极的长度 直径无关 各种热电偶的外形常因需要而 极不相同 但是它们的基本结构却大致相同 通常由热电极 绝缘套保护管和接线 盒等主要部分组成 通常和显示仪表 记录仪表和电子调节器配套使用 2 1 22 1 2 K K 型热电偶概述及特点型热电偶概述及特点 K 型热电偶作为一种温度传感器 K 型热电偶通常和显示仪表 记录仪表和电子 调节器配套使用 K 型热电偶可以直接测量各种生产中从 0 到 1300 范围的液体 蒸汽和气体介质以及固体的表面温度 K 型热电偶通常由感温元件 安装固定装置 和接线盒等主要部件组成 K 型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶 其用量为其他热电偶的总和 K 型 热电偶丝直径一般为 1 2 4 0mm 正极 KP 的名义化学成分为 Ni Cr 92 12 负极 KN 的名义化学成分为 Ni Si 99 3 其使用温度为 200 1300 K 型热电偶具有线性度好 热电动势较大 灵敏度高 稳定性和均匀性较好 抗氧化性能强 价格便宜等优点 能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用 K 型热电偶不能直接在高温下用于硫 还原性或还原 氧化交替的气氛中和真空 中 也不推荐用于弱氧化气氛 检出 测温 元件热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一 必须配二次仪表 其优点是 测量精度高 因热电偶直接与被测对象接触 不受中间介质的影响 测量范围广 常用的热电偶从 50 1600 均可连续测量 某些特殊热电偶最 低可测到 269 如金铁镍铬 最高可达 2800 如钨 铼 构造简单 使用方便 热电偶通常是由两种不同的金属丝组成 而且不受大 小和开头的限制 外有保护套管 用起来非常方便 2 1 32 1 3 热电偶的测温原理热电偶的测温原理 热电偶测温必须由热电偶 连接导线及显示仪表三部分组成 下图是最简单的 实用温度测量仪 6 热电偶测温示意图 按右图组成的热电偶蕊及测温电偶丝 1 如果将热电偶的热端 加热 使得冷 热两端的温度不同 则在该热电偶回路中就会产生热电势 这种物 理现象就称为热电现象 即热电效应 在热电偶回路中产生的电势由温差电势和相 接触电势两部分组成 接触电势 它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一 种热电势 当两种不同的导体 A 和 B 相接触时 假设导体 A 和 B 的电子密度分别为 Na 和 Nb 并且 Na Nb 则在两导体的接触面上 电子在两个方向的扩散率就不相同 由导体 A 扩散到导体 B 的电子数比从 B 扩散到 A 的电子数要多 导体 A 失去电子而 显正电 导体 B 获很电子而显负电 因此 在 A B 两导体的接触面上便形成一个由 A 到 B 的静电场 这个电场将阻碍扩散运动的继续进行 同时加速电子向相反方向 运动 使从 B 到 A 的电子数增多 最后达到动态平衡状态 此时 A B 之间也形成一 电位差 这个电位差称为接触电势 此电势只与两种导体的性质相接触点的温度有 关 当两种导体的材料一定 接触电势仅与其接点温度有关 温度越高 导体中的 电子就越活跃 由 A 导体扩散到 B 导体的电子就越多 致使接触面处所产生的电场 强度越高 因而接触电势也就越大 热电偶测温必须由热电偶 连接导线及显示仪表三部分组成 下图是最简单的 热电偶测温示意图 K 型热电偶工作原理图 温度温度 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 95 95 100 100 200 200 5 8914 6 0346 6 1584 6 2618 6 3438 6 4036 6 4411 6 457 7 100 100 3 5536 3 8523 4 1382 4 4106 4 669 4 9127 5 1412 5 354 5 5503 5 7297 5 8128 5 8914 0 00 0 3919 0 7775 1 1561 1 5269 1 8894 2 2428 2 586 6 2 9201 3 2427 3 3996 3 5536 温度温度 0 01010202030304040505060607070808090909595100100 0 000 39690 79811 20331 61182 02312 43652 85123 26663 68193 88924 0962 1001004 09624 50914 91995 32845 73456 13836 54026 94067 347 73917 93878 1385 实用温度测量仪 7 K 型热电偶分度表 温度单位 电压单位 mV 2 22 2 MAX6675MAX6675 2 2 12 2 1 MAX6675MAX6675 工作原理工作原理 MAX6675 是一个复杂的单片热电偶数字转换器 内部具有信号调节放大器 12 位的模拟 数字化热电偶转换器 冷端补偿传感和校正 数字控制器 1 个 SPI 兼容 接口和 1 个相关的逻辑控制 2002008 13858 53868 93999 34279 747210 153410 561310 970 9 11 382111 794712 001512 2086 30030012 208612 623613 039613 456613 874514 293114 712615 132 7 15 553615 97516 18616 3971 40040016 397116 819817 243117 666918 091118 515818 940919 366 3 19 792120 218120 431220 6443 50050020 644321 070621 497121 923622 3522 776423 202723 628 8 24 054724 480224 692924 9055 60060024 905525 330325 754726 178626 60227 024927 447127 868 6 28 289528 709628 919429 129 70070029 12929 547629 965330 382230 798331 213531 627732 04132 453432 864933 070333 2754 80080033 275433 684934 093434 50134 907535 313135 717736 121 2 36 523836 925437 125837 3259 90090037 325937 725538 12438 521538 91839 313539 70840 101 5 40 493940 885341 080641 2756 1000100041 275641 664942 053142 440342 826343 211243 595143 977 7 44 359344 739644 929345 1187 1100110045 118745 496645 873346 248746 622746 995547 366847 736 8 48 105448 472648 655648 8382 1200120048 838249 202449 565149 926350 285850 643951 000351 355 2 51 708552 060252 235452 4103 1300130052 410352 758853 105853 451253 795254 137754 478854 818 6 实用温度测量仪 8 2 2 22 2 2 MAX6675MAX6675 信号转化与放大工作原理信号转化与放大工作原理 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 同时使热 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 被送至 ADC 的输入端 在将温度电压值转换为相等价的温度 值之前 需要对热电偶的冷端温度进行补偿 冷端温度即是 MAX6675 周围温度与 0 实际参考值之间的差值 2 2 32 2 3 冷端补偿冷端补偿 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 该温度在 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 MAX6675 是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的 该器件可将周围温度通 过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压 为了产生实际热电偶温度测量值 MAX6675 从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压 该器件内部电路将二极管 电压和热电偶电压送到 ADC 中转换 以计算热电偶的热端温度 当热电偶的冷端与 芯片温度相等时 MAX6675 可获得最佳的测量精度 因此在实际测温应用时 应尽 量比年在 MAX6675 附近放置发热器件或元件 因为这样会造成冷端误差 2 32 3 AT89S52AT89S52 单片机单片机 实用温度测量仪 9 2 3 12 3 1 AT89S52AT89S52 单片机主要特性介绍单片机主要特性介绍 AT89S52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产 品指令和引脚完全兼容 在芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 AT89s52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 AT89s52 具有以下标准功能 8K 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 IO 口线 看门 狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位定时器计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全 双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支 持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 震荡器被冻结 单片机 一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 2 42 4 LCD1602LCD1602 应用简介应用简介 实用温度测量仪 10 模块内部自带字符发生存储器 CGROM 字符有 阿拉伯数字 英文字母的大 小写 常用的符号 和日文假名等 每一个字符都有一个固定的代码 比如大写的 英文字母 A 的代码是 41H 显示时模块把代码 41H 发给液晶模块 我们就能 在液晶上看到字母 A 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 丰富的指令可以完成液晶的 时序控制 工作方式式设置和数据显示等 该液晶显示器以其微功耗 体积小 显示内容丰富 超薄轻巧的诸多优点 在 袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用 指令表 指令 RSR WD7D6D5D4D3D2D1D0 清显示 0000000001 光标返回 000000000 置输入模式 00000001I D 显示开 关控制 0000001DCB 光标或字符移位 000001S CR L 置功能 00001DLNF 置字符发生存储器地址 0001 字节发生存储器地址 AGG 置数据存储器地址 001 显示存储器地址 ADD 读忙标志或地址 01BF 计数地址 写数到 CGRAM 或 DDRAM 10 要写的数 从 CGRAM 或 DDRAM 读数 11 读出的数据 三 单元电路设计三 单元电路设计 3 13 1 晶振电路晶振电路 晶振电路在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端 实用温度测量仪 11 网络 电工学上这个网络有两个谐振点 以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振 较高的频率是并联谐振 由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近 在 这个极窄的频率范围内 晶振等效为一个电感 所以只要晶振的两端并联上合适的 电容它就会组成并联谐振电路 这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构 成正弦波振荡电路 也就是晶振电路 AT89C52 等 COMS 型单片机内部有一个可控 的反相器 引脚 XTAL1 XTAL2 为反相放大器的 输入端和输出端 在 XTAL1 XTAL2 上外接晶振 和电容便组成振荡器 设计时电容 C1 C2 选用 27 皮法 振荡器的频率主要取决于晶振的频率 设计选用的晶振频率为 12MHz 晶振电路如图 1 所示 3 23 2 上电复位电路上电复位电路 为确保微机系统中 电路稳定可靠工作 复位电路是必不可少的一部分 复位 电路的第一功能是上电复位 一般微机电路正常工作需要供电电源为5V 5 即 4 75 5 25V 由于微机电路是时序数字电路 它需要稳定的时钟信号 因此 在电源上电时 只有当 VCC 超过 4 75V 低于 5 25V 以及晶体振荡器稳定工作时 复位信号才被撤除 微机电路开始正常工作 在 RST 引脚上输入 2 个机器周期以上的高电平 机器 便进入复位状态 此时 ALE PSEN P0 P1 P2 P3 输出高 电平 RST 上输入返回低电平以后 便退出复位状态开始工作 上电复位电路图如上图 2 所示 图 2 3 33 3 MAX6675MAX6675 内部放大电路内部放大电路 图 1 实用温度测量仪 12 MAX6675 内部差分放大电路 MAX6675 是一个复杂的单片热电偶数字转换器 内部具有信号调节放大器 12 位的模拟 数字化热电偶转换器 冷端补偿传感和校正 数字控制器 1 个 SPI 兼容接口和 1 个相关的逻辑控制 3 43 4 LCD16 2LCD16 2 显示电路显示电路 标准型 16X2 液晶显 示字符模块 背光 蓝屏 1602 采用标准的 16 脚接 口 其中 第 1 脚 VSS 为地电源第 2 脚 VDD 接 5V 正电源第 3 脚 V0 为液晶显示器对比度调整 端 接正电源时对比度最 弱 接地电源时对比度最 高 对比度过高时会产生 实用温度测量仪 13 鬼影 使用时可以通过一 个 10K 的电位器调整对比 度第 4 脚 RS 为寄存器 选择 高电平时选择数据寄存器 低电 平时选择指令寄存器 第 5 脚 R W 为 读写信号线 高电平时进行读操作 低 电平时进行写操作 当 RS 和 RW 共同 为低电平时可以写入指令或者显示地址 当RS 为低电平 RW 为高电平时可以 读忙信号 当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据 第 6 脚 E 端为使 能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 第7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 第 15 脚 背光电源正极第 16 脚 背光电源负极 1602 液晶模块内部的字符发生存储器 CGROM 已经存储了 160 个不同的点阵 字符图形 如表 1 所示 这些字符有 阿拉伯数字 英文字母的 大小写 常用 的符号 和日文假名等 每一个字符都有一个固定的代码 比如大写的 英文字 母 A 的代码是 01000001B 41H 显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形 显示出来 我们就能看到字母 A 四 软件设计四 软件设计 4 14 1 系统软件设计说明系统软件设计说明 进行微机测量控制系统设计时 除了系统硬件设计外 大量的工作就是如何根 据每个测量对象的实际需要设计应用程序 因此 软件设计在微机测量控制系统设 计中占重要地位 对于本系统 软件设计更为重要 在单片机测量控制系统中 大体上可分为数据处理 过程控制两个基本类型 数据处理包括 数据的采集 数字滤波 标度变换等 过程控制程序主要是使单片 机按一定的方法进行计算 然后再输出 以便达到测量控制目的 软件设计主要是对温度进行采集 显示 因此 整个软件可分为温度采集子程序 显示子程序 及系统主程序 4 24 2 程序流程图 程序流程图 实用温度测量仪 14 4 34 3 程序清单程序清单 见附录 五 课程设计心得体会五 课程设计心得体会 实用温度测量仪 15 经过了两个星期的课程设计 我感想颇多 这篇关于温度测量仪的课程设计说 明书 终于圆满完成了 期间 方便的网络给我提供大量的书本上所没有资料 而 且 由于之前的有关内容学的不是很扎实 导致刚动手的时候 遇到很大的阻力 但在查阅了大量的资料后 这些内容所包含的知识点要比让我有了深刻的理解 可 见通过实际的课程实际 能够更好的掌握所学的知识 这让我明白了实践的重要性 理论知识固然重要 但只有将理论投入到实践中 去检验 才能体现出理论的价值 电路元件只有焊接到电路板上 才能发挥其真正 的作用 单纯的研究理论知识 而不去动手实践 我们就不能全面发展 就不能成 为真正对社会有意义的人 最后 我还明白了团队合作的重要性 单纯靠一个人的力量是无法完成的 只 有在一个团队的共同努力下 才能最终走向成功 在此我还要感谢给予我们宝贵意 见的老师 他们耐心的指导使得我们能够顺利完成本次实用温度仪器的课程设计 这次课程设计 带给我很多的教训 但更多的是经验 我相信我会越来越成熟 参考文献参考文献 1 陈梓城 实用电子电路设计与调试 中国电力出版社 2006 2 高吉祥 全国大学生电子设计大赛培训教程 电子工业出版社 2007 5 3 ICL7109 DATASHEET 4 钱可元 高精度热电偶温度变送器 自动化仪表 2003 8 5 74LS161 DATASHEET 实用温度测量仪 16 附录 附录 include include sbit RS P3 5 sbit EN P3 2 sbit dula P2 6 sbit wela P2 7 sbit ALARM P1 0 sbit MAX6675 CS P1 4 sbit MAX6675 SCK P1 7 sbit MAX6675 SO P1 6 unsigned char code str1 Temperature unsigned char code str2 unsigned char code str3 CHECK unsigned char code str4 ERROR unsigned char code str5 unsigned char a flag unsigned int Value unsigned int testD2 unsigned char data disdata 5 void delay1ms unsigned int ms 延时 1 毫秒 不准确 unsigned int i j for i 0 i0 j void write com unsigned char com 写 1602 指令 delay1ms 1 RS 0 RW 0 EN 0 P0 com 实用温度测量仪 17 delay1ms 1 EN 1 delay1ms 1 EN 0 WDTRST 0 x01E WDTRST 0 x0E1 喂狗 void wr dat unsigned char dat 写 1602 数据 delay1ms 1 RS 1 RW 0 EN 0 P0 dat delay1ms 1 EN 1 delay1ms 1 EN 0 void lcd init 初始化设置 dula 0 wela 0 write com 0 x38 delay1ms 20 write com 0 x0f delay1ms 20 write com 0 x06 delay1ms 20 write com 0 x0f delay1ms 20 void display unsigned char p 1602 显示 while p 0 wr dat p p delay1ms 1 实用温度测量仪 18 unsigned int ReadMAX6675 从 MAX6675 读取温度 unsigned char count MAX6675 CS 0 置低 使能 MAX6675 MAX6675 SCK 1 Value 0 nop nop nop for count 16 count 0 count 获取 16 位 MSB MAX6675 SCK 0 sck 置低 Value Value 1 左移 if MAX6675 SO 1 取当前值 Value 0 x0001 else Value MAX6675 SCK 1 MAX6675 SO 1 WDTRST 0 x01E WDTRST 0 x0E1 喂狗 nop nop nop nop MAX6675 CS 1 关闭 MAX6675 return Value void tempdisp 温度值显示 unsigned int temp unsigned int TempValue unsigned char flagdat unsigned int k unsigned int TempValue unsigned int testD2 unsigned int xiaoshu float CurrentValue CurrentValue Value testD2 ReadMAX6675 实用温度测量仪 19 testD2 testD2 13 switch testD2 case 1 write com 0 x80 display str3 write com 0 xc0 display str5 ALARM 1 delay1ms 88 WDTRST 0 x01E WDTRST 0 x0E1 喂狗 break case 0 ALARM 0 TempVal