基于热电偶传感器的智能测温仪设计.doc

XXXXXXXXXXX 本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 题题 目目 基于热电偶传感器的智能 测温仪设计 作作 者者 XXXXX 学学 院院信息科学与工程学院 专专 业业电子信息科学与技术 学学 号号 XXX 指导教师指导教师 XXX 二 一四 年 五 月 十日 I 湖南涉外经济学院本科毕业论文 设计 诚信声明 本人声明 所呈交的本科毕业论文 设计 是本人在指导老师的指 导下 独立开展工作所取得的成果 成果不存在知识产权争议 除文中已 经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或创作过 的作品成果 对本文工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方 式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 本科毕业论文 设计 作者签名 二0一四 年 五 月十日 II 摘摘 要要 在工农业生产过程中 温度是一个非常重要的物理参数 温度检测类仪表作为温 度测量工具也因此得到了广泛应用 热电偶有成本低 准确度高和测温范围宽等优势 自然成为工业应用中优先考虑的方案 为获得准确的测温值 本论文将微机技术与热 电偶传感器结合起来 设计了较高精度较高集成度的智能测温仪表 跟传统热电偶测 温方案相比该设计采用了数字集成芯片 MAX6675 该芯片集成了 A D 转换器 冷端 补偿及 SPI 串口的热电偶放大器与数字转换器 这使得仪表的精度跟集成度得到提升 的同时也降低了设计的复杂度 该论文主要由测量仪表的软件设计 硬件设计两个部 分组成 热电偶测温仪表硬件主要由单片机最小系统电路 MAX6675 数据采集与转换 电路 数码管显示电路 串口通信电路 报警电路五个部分组成 软件部分主要由数 据读取程序 串口通讯程序 数码管动态扫描显示程序等程序模块组成 设计的测温 软件程序可以在 51 单片机上移植 关键词关键词 智能仪表 K 型热电偶 温度测量 MAX6675 AT89S51 III ABSTRACT In the industrial and agricultural production process the temperature is a very important physical parameters temperature detection instrumentation for temperature measurement tool class and therefore widely used Thermocouple low cost high accuracy and wide temperature range and other advantages will naturally become a priority in industrial applications programs In order to obtain an accurate temperature measurement value this paper will microcomputer technology and thermocouple sensors combine high precision design of a high degree of integration of intelligent Thermometer Compared with the conventional thermocouple program designed using digital integrated chip MAX6675 the chip integrates the A D converter serial interface SPI cold junction compensation and thermocouple amplifier and digital converter This makes integration with precision instrumentation has been improved while also reducing the complexity of the design The paper mainly consists of measuring instruments software design hardware design of the two parts In this design first introduced the hardware part of the thermocouple thermometer table Thermocouple Thermometer hardware consists of five parts the smallest single chip system circuit MAX6675 data acquisition and conversion circuits digital display circuit serial communication circuit alarm circuit Software part consists of the following modules data reading program serial communication program the digital display dynamic scanning procedures routines Software program designed temperature can be used in the 51 MCU Keywords intelligent instrument K type thermo couple temperature measurement MAX6675 AT89S51 I 目目 录录 诚信声明诚信声明 I 摘摘 要要 II ABSTRACT III 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 研究背景和意义 1 1 1 1 研究背景 1 1 1 2 研究意义 1 1 2研究现状及发展趋势 1 1 2 1 国内外测温研究现状 1 1 2 2 发展趋势 2 1 3 研究思路及主要内容 3 第二章第二章 系统方案论证与总体设计系统方案论证与总体设计 4 2 1 系统方案论证 4 2 1 1 热电阻测温系统 4 2 1 2 红外测温系统 4 2 1 3 热电偶测温系统 4 2 2 方案选型与总体设计 4 2 3 本章小结 5 第三章第三章 仪表的硬件设计仪表的硬件设计 5 3 1 温度的数据采集与前期数据处理模块 6 3 1 1 K 型热电偶 6 3 1 2 K 型热电偶串行模数转换器 MAX6675 7 3 1 3 MAX6675 与 AT89S51 单片机的接口 9 3 2 AT89S51 与 PC 机串口通讯模块 10 3 2 1 RS 232C 标准 10 3 2 2 MAX232 芯片简介 10 3 2 3 单片机的串行口工作方式 11 3 2 4 接口电路 11 3 3 蜂鸣器报警与报警温度值设定模块 12 3 4 LED 数码管显示模块 12 3 5 AT89S51 单片机最小系统模块 12 3 5 1 AT89S51 单片机 12 3 5 2 片内振荡器和时钟电路 13 II 3 5 3 单片机复位电路 13 3 6 本章小结 14 第第四四章章 软件设计软件设计 15 4 1 KeilC51 集成开发环境简介 15 4 2 基于 KeilC51 软件编程设计 15 4 2 1 主程序流程图 15 4 2 2 读取 MAX6675 数据程序 15 4 2 3 报警温度值设定程序 17 4 2 4 串口通讯程序 17 4 2 5 数码管显示子程序 17 4 3 本章小结 19 第五章第五章 仿真仿真 20 5 1proteus 简介 20 5 2 仿真步骤 20 5 2 1 建立仿真电路原理图 20 5 2 2 导入程序 20 5 3 仿真结果 21 5 3 1 测温模块与报警模块 21 5 3 2 串口通讯模块仿真 22 结结 论论 24 参考文献参考文献 25 致致 谢谢 26 附录附录 A 硬件原理图硬件原理图 27 附录附录 B 设计程序设计程序 28 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 研究背景和意义研究背景和意义 1 1 1 研究背景研究背景 温度是所有物理现象中一个最基本的物理现象 它是应用于生产过程中最基础 最普通的工艺参数 不管是科学研究 国防工业 还是工农业的发展 它们都无法离 开温度的测量 但是 获得温度的准确值并不是件容易的事 即使温度传感器的精度 很高 如果测量的环境不是很理想或者是测量的手段选取不正确 都无法测得正确的 温度值 目前 传统的测温技术应用比较成熟 但是还是存在许多需要改进的方面 比如 集成度低 测量的精度不是很高和设计的过程繁琐等等 由于这些原因 传统的设计 方案已不能满足于当前电子产品要求小体积高精度发展的要求 因此 如何在充分利 用传统测温技术的基础上改进测温仪器的测量精度和集成度具有非常重要的意义 热电偶测温优势很多但也有其自身的缺点 热电偶信号的调理电路过于复杂 使 得测温仪的集成度跟精度受到限制 正因为如此 怎样改善热电偶的这些缺点以达到 工农业生产中对测温仪高精度和高集成度的需求是研究的一个方向和重点 1 1 2 研究意义研究意义 基于热电偶原理的测温方案虽然优势明显 但热电偶应用在基于单片机的嵌入式 系统领域时存在着下面几个问题 1 热电偶输出热电势与温度之间为非线性关系 1 2 热电势输出信号必须经过冷端温度补偿 3 热电偶无法将电势数字化输出 因 此 将热电偶应用于嵌入式系统时 需进行复杂的信号放大 A D 转换 查表线性化 温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计 2 由于这些原因 传统热电偶测温仪的测量 精度和集成度受到很大的限制 但是单芯片 MAX6675 很好的解决了这些难题 该芯 片把冷端补偿功能 SPI 串口功能 热电偶放大器功能 A D 转换功能 热电偶的电势 放大功能与数字转换的功能集成在一起 这样在热电偶设计难度大大降低的同时 仪 表的测量精度和集成度也得到提升 所以将 MAX6675 应用于热电偶的测温仪表中具 有非常大的意义 1 2研究现状及发展趋势研究现状及发展趋势 1 2 1国内外测温研究现状国内外测温研究现状 1 光纤温度传感器 从理论和实践的经验来看 光导纤维技术都被证明具有其它同类技术无法比拟的 优越性 它的组成主要有三个部分 分别为光电的转换 光耦合器与传输光纤 现阶 2 段基于光导纤维的传感器有测量角速度 测量温度值 测量液面的高度 测量距离 测量压强 测电流大小 测量磁场和测量电场等的功能 很好的完成了传统测量技术 难以解决的问题 光导纤维正逐渐被运用到许多不同的领域 它的优越性和无法替代 性正在一步步的体现 在可预见的未来 光导纤维的应用领域将会越来越宽 在传感 器的领域扮演无法替代的角色 2 石英温度计 高分辨率 高精度传感器的研制是科技发展的必然趋势更是实际生产的需求 高 分辨率是石英温度传感器的一大特性 其分辨率高达 0 001 0 0001 不仅如此 它还 有相当高的准确度 当温度在 50 120 内 精度为 0 05 普通温度计的精度为 0 1 3 声学温度计 测温温度的范围宽 无需直接的触碰 测温原理相对简单是声学温度计的特性 正是由于这些特点 声学测温仪已经被广泛使用于垃圾焚烧炉 发电站和水泥回转炉 等工业过程的测量和控制 4 超声波检测气体温度值 随着温度的不同 超声波在气体等介质的中的传播速度也会随之改变 正是利用 这些特点 用超声波技术做成测温传感器有反应时间短 不受外壁热辐射影响等优点 测量声速的主要方式有两种 脉冲式测量 假如收音机和喇叭间的路程为 l 两者间传 播所花费的时间为 就可按照 u l 求得 u 的值 当在测量的环境选取不理想的 情况下而直接测量声速时将会产生很大的误差 例如当测量环境有风时 在这样的情 形下 选取的解决方法是将收音机和扬声器交换测量 然后选取两者的平均速度 共 振方式测量法 依据共振的原理 频率 f u l 可算得 u 5 热噪声温度计 热噪声的另外一个名字叫做约翰逊噪声 温度和热噪声之间存在可以计算的确定 的某种关系 基于热噪声原理的测温仪就是依据温度与热噪声之间的这种关系 热噪 声温度计的一些特点有以下几个方面 不需要分度 和传感器的材料无关 不会受压 力的影响 传感器阻值不影响测量的准确度 测温范围广 4 1400K 由于这些特点 热噪声温度计可被看成是一种十分理想的测温方法 但是 热燥声温度计也有其难以 实用化的几大缺点 电压信号十分的微弱 信号的调理十分的困难 不易于操作 解 决这几大难题是目前所要思考的 1 2 2 发展趋势发展趋势 随着工农业的发展 人们对生产效率的要求也越来越高 基于这一原因 对温度 3 测量的精度 便捷和集成度的要求也越来越苛刻 将现代科技的微机智能技术与现代 检测科技理论相结合成为当今温度测量技术发展的必然趋势 基于上述原因考量 国 内和国外测温仪器的生产厂商将朝着下面几个方向发展 1 继续发展应用十分普遍的传统测温元器件 例如 热电阻 热电偶 2 大力投入新的工艺 新的基础材料和新的原理的研发 例如近年来已经研发 出来的薄膜铂 厚膜电阻的测量仪表 炭化硅热电阻测量仪表等 3 新的产品检测功能只是当中的一项 同时要具备指令 判断等功能 因此 将目前的微机智能控制技术应用于测温仪表以实现智能化 集成化的目的成为未来的 发展趋势 1 3 研究思路及主要内容研究思路及主要内容 本测温仪器使用 AT89S51 为微处理器 K 型热电偶 镍铬一镍硅 用来作为前端温 度传感器 MAX6675 作为信号的调理芯片 送微机的数字信号经处理后在共阳的数码 管上显示 同时将读取的新的温度值跟开始时设定的温度值进行对比 如果超过设定 值则单片机将会驱动蜂鸣器发声 本测温仪同时具备有和上位机进行通讯的功能 将 实时采集到的信号传回到计算机上 本论文完成的工作如下 以 AT89S51 单片机作为主芯片 完成了测温仪器的数据 采集处理电路 输出显示电路 报警电路 与 PC 机通讯电路以及单片机最小系统 跟 传统的热电偶测温仪比较 本系统的一大特点就是采用了 MAX6675 芯片进行数据处 理 使得系统集成度提高 测量结果更加精确 4 第二章第二章 系统方案论证与总体设计系统方案论证与总体设计 2 1 系统方案论证系统方案论证 2 1 1 热电阻测温系统热电阻测温系统 金属是制作热电阻的主要材料 目前而言 使用量最大的是铜和铂 铜材料的电 阻在额定的测量范围之内温度与电阻值成正比的关系 非常容易被氧化在高于 150 时 适合在没有腐蚀的介质中 在实际的生产应用中 铂电阻的使用相当的普遍 铂电阻 的测量精度较高 而且稳定性也比较理想 但它的一大缺点就是温度与电阻存在一定 的非线性 温度增高时电阻的变化率反而更小 当温度存在于被测量介质中时 所测 的温度是感温元件所在介质中的平均温度 3 三线制常用于热电阻系统的接线中 这样 做原因是导线的接入会带来误差 这种接法可以消除它 2 1 2 红外测温系统红外测温系统 红外测温系统是一种非接触式测温系统 红外测温仪表的组成有三大部分 分别 是光电探测器 信号放大器 光学系统 4 在实际使用时 测温环境对测量性能的影 响是要重点考虑的 比如干扰和污染所带来的测量不准确度 这些问题需要采用一些 软件算法进行补偿 由于测温环境的不确定性 红外测温系统应用时需要考虑环境对 温度测量的影响 2 1 3 热电偶测温系统热电偶测温系统 热电偶测温是应用十分广泛的一种测温方案 热电偶的检测原理是由检测热电势 的大小来测量温度的 测量高温时 由于热电偶与测量物体之间是直接接触的 因而 准确度比较高 还有以下一些特点是热电偶测温所具有的 1 结构简洁 易于维护 由此原因 热电偶维修和装配比较便捷 自然价格 相比其他更加的便宜 2 实时性能比较好 热端的的体积可以做的非常小 例如 一些薄膜的或针状 的热电偶 响应的时间能够达到微妙级 3 信号的传输可以更加的远 可通过导线把信号远距离的输送到显示仪表上 因为电信号的传输受距离的影响较小 同样 热电偶也有不尽人意的地方 在长期使用和高温环境下 热电偶容易被氧 化和腐蚀 2 2 方案方案选型与总体设计选型与总体设计 由前面的论述可知 热电偶测温的优势跟其它两种测温方法比较是显而易见的 因此本论文的设计方案采用热电偶 K 型热电偶有很好的灵敏度 线性度好 测温宽 5 在复杂环境下输出的热电势都比较稳定 本论文选择 AT89S51 单片机作为中央控制单元 K 型热电偶作为感温元件 信号 调理等复杂电路由 MAX6675 芯片解决 热电偶输出的信号必须要进行一系列的前期 处理才能被读取 这是由于输出信号特别的微弱 易受到各种噪声的影响 传统的信 号调理电路包括 1 输出电势与温度间的线性化处理 2 冷端补偿 3 数字化输出 由 于上述缺点 传统的做法无法满足集成化 精度高等特点 MAX6675 是这样一种元 件 具有线性校正 热电偶断线检测 冷端补偿 线性校正串行 K 型热电偶模数转换 器其温度分辨能力达 0 25 5 可以满足绝大多数工业应用场合 大大提高了系统的 集成度与测量精度 系统总体机构如图 2 1 所示 2 3 本章小结本章小结 本节较详细的论述了当前一些主流的测温方案 并且相互比较了它们的优点和缺 点 最后选择 K 型热电偶为本论文的测温传感器 基于热电偶元件测温的理论 给出 了本论文测温仪器的整体方案图 2 1 AT89S51 数码管显示 单片机复位 蜂鸣器报警 MAX6675 信号放大 非线性处理 冷端补偿 模拟量数字化 K 型热电偶 报警温度值设定 按钮 串口通讯 图图 2 1 系统总体结构系统总体结构 第三章第三章 仪表的硬件设仪表的硬件设计计 本智能仪表由 K 型热电偶 AT89S51 单片机最小系统 MAX6675 信号调理模块 6 报警模块 RS232C 通讯模块 共阳数码管显示模块等模块组成 该仪表实现了这样一 些功能 可以实时的检测温度值 能够将数据按照设定的时间间隔传回到计算机上 将温度值在数码进行了显示 并且可以设定报警温度值 3 1 温度的数据采集与前期数据处理模块温度的数据采集与前期数据处理模块 3 1 1 K 型热电偶型热电偶 工业生产中使用最为广泛一类热电偶为 K 型热电偶 该类型热电偶负极组成材料 为 3 的镍和硅的合金 KN 正极的材料成分为 10 的镍和铬的合金 KP 由于镍硅合 金亲磁 利用这个特性 使用磁铁辨别 K 型热电偶的正负极变得十分的简单跟方便 K 型热电偶不容易被氧化 灵敏程度较高 电势跟温度的比率较大 测温宽和在还原 的气氛中热电势输出较平稳 K 型热电偶能够长时间的工作在 1000 以下的条件中 短时间内可以在 1200 附近使用 长时间的在过高的环境中使用时 热电偶的测量准 确度会大大的降低 K 型热电偶的负极受磁场影响明显 在使用时应尽量减少周围场 对热电偶的干扰 6 K 型热电偶材料中含有锰 铬等元素 在有辐射的环境中长时间使 用时这些元素性质会发生改变 导致测量结果不正确 热电偶的输出电势信号微弱容 易受到干扰 必须经过复杂的信号调理之后才能被单片机读取 由于本论文不进行这 些电路的具体设计 现只做一些概要的说明 1 冷端补偿 热电势是热电偶对温度变化的反应 是参考端的温度和测量端温度的函数差 但 假如参考端温度值不是一定的 则引入测量的误差同样也是变量 参考端温度大小的 变化会带来测量端温度的改变 所以要进行冷端补偿 2 放大电路 热电偶的输出热电势是毫伏级别的 无法直接读取 所以在送入单片机之前必 须经过高精度的放大单元电路处理 3 模数转换电路 A D 芯片负责将热电偶产生的热电势数字化输出 之后信号由微机处理 A D 芯 片的一个重要参数是转换精度 对于测控电路 模拟信号经一些放大 滤波等电路处 理之后才由 A D 芯片进行处理 总的误差由量化误差和系统误差来共同决定的 所以 模数转换芯片的精度和测量系统的精度相符合是设计过程中必须要考虑的一个重要问 题 一个方面 量化误差和总误差的比值要求越小越好 另外一方面 依据当前的测 温仪的精度位数 合理地选择 A D 转换器的精度位数 7 3 1 2 K 型热电偶串行模数转换器型热电偶串行模数转换器 MAX6675 传统的基于热电偶的测温仪表当中 必须要进行复杂的查表线性 温度补偿 信 号放大 数字化输出及模数转换等软件和硬件的设计 由于这些原因 导致所需芯片 的数量太多 编写软件的工作量加大 这跟现阶段产品模块化 集成化的要求是相背 离的 MAX6675 是 MAXIM 公司生产的适用于 K 型热电偶的集成芯片 它功能十分 的强大 7 集成了许多的功能模块如信号的线性化功能 冷端温度补偿功能 模数转换 的功能 SPI 串口功能 信号的数字化转换功能等 这样极大地简化了传统热电偶所需 的复杂的信号调理 使得软硬件设计变得简单 MAX6675 芯片的引脚排列如图 3 1 所示 1 各引脚的功能介绍 T 热电偶负极 使用时接地 T 热电偶正极 SCK 串行时钟输入 CS 片选信号 SO 串行数据输出 VCC 电源端 GND 接地端 N C 悬空 不用 MAX6675 的结构电路如图 3 1 它内部组成模块为模数转换单元 信号放大单元 冷端温度补偿单元 以及控制单元等构成 图图 3 1 MAX6675 引脚和内部结构引脚和内部结构 2 工作原理及功能特点 热电偶的输出电势信号必需是经过冷端补偿后的输出信号 根据前人的设计经验 有非常多的冷端温度补偿方案 例如电桥方式补偿法和冷端冰点式补偿法等 但这些 方法调试起来都比较复杂 毫无疑问 这些都会增加电路调试和程序编写的复杂度 而 MAX6675 完全能够避开这些缺点 MAX6675 芯片内部集成的元器件参量都被进行 了先进的激光纠正 从而非线性误差得到了很好的解决 而且 MAX6675 芯片的内 8 部集成非线性校正 断偶检测 冷端补偿等电路这些都给 K 型热电偶的应用大大降低 了难度 7 MAX6675 的特点如下 可将温度信号转换成 12 位数字量 温度分辨率为 0 25 带有简单的 3 位串行接口 内部集成有冷端补偿电路 内含热电偶断线检测电路 3 工作时序 MAX6675 芯片接口十分地简单只需要三个接口便可以跟微机或者别的数字器件进 行通信 其工作时序如图 3 2 所示 当 CS 引脚为低电平时开始向微机传送转换了的数 字信号 相反的 CS 管脚的电平由低转为高时 芯片将开始下一轮的数据的转换 当 CS 端口由高电平转为低电平时 数据的值将以高低电平的形式出现在 SO 读取数据 的过程由 SCK 发送 16 个时钟周期 每次读取都是在 SCK 电平由高电平到低电平转换 的这一过程进行的 数据由 16 位构成 其中 D15 是无效的信号 D14 D13 才是真正的 测量温度值 热电偶断偶标志位为 D2 D2 为高电平时说明热电偶是断开的 D1 起标 识符的作用 D0 为三态 MAX6675 的内部集成了断偶检测电路 这使得设计变得更 加的简洁 D14 D3 组成 12 位数字量 全为 1 时值为 4095 与之对应的测温值为 1023 75 全为 0 时值为 0 与之对应的温度值为 0 测量温度值 1023 75 数 字量 4095 需要注意的是由于 MAX6675 芯片内部电路复杂模数转换的速度介于 170ms 220ms 之间 相比其它模数转换芯片时间要长的多 工作时序如图 3 2 所示 图图 3 2 MAX6675 工作时序工作时序 4 读取 MAX6675 转换数据的相关代码 程序中 ADL 与 ADH 分别用来存储转换后的低 8 位数据和高 4 位数据 相关的数 据读取源程序如下 void data read unsigned char i ADH ADL 0 SCK 0 CS 0 片选信号有效 9 SCK 1 SCK 0 移除无效位最高位 D15 SCK 1 for i 4 i 0 i 读取转换结果高 4 位 SCK 0 ADH ADH 0 i 读取转换结果低 8 位 SCK 0 ADL ADL 1 先左移一位 然后读取数据 ADL ADL SO SCK 1 CS 1 片选信号置 1 内部转换数据开始 读取数据无效 temp0 ADH 256 ADL 25 10 把测量结果转换为整数然后去掉最低位 小数点后第二位 data flag 0 MAX6675 的转换时间为 200ms 该标志位用于判断是否转换 完成 3 1 3 MAX6675 与与 AT89S51 单片机的接口单片机的接口 MAX6675 是带 SPI 串行口的器件 而本系统选取的 AT89S51 单片机没有 SPI 串 行总线的接口 所以本设计采取软件的方式来来模拟 SPI 串口传送数据 包括数据输 出 片选和时钟信号 转换后的值以高低电平的形式出现在 P1 0 口上 片选通信号由 P1 1 给出 MAX6675 的输出数字信号在时钟脉冲的驱动下连续的输出 首先将 P1 2 置为 1 在允许数据输出信号有效后后再置 P1 2 为 0 这样 单片机在输出 1 位 SCK 时钟信号的同时 芯片数据将会串行左移 数据就会送到单片机的 P1 0 口上 7 之后 再保持 P1 2 为高电平 至此 模拟一位数据输入过程完成 接口电路如图 3 3 所示 10 偶偶偶 GND T T VC C SC K C S SO NC M AX6675 VC C0 1UF C 1 SO C S SC K 图图 3 3 MAX6675 与单片机接口与单片机接口 3 2 AT89S51 与与 PC 机串口通讯模块机串口通讯模块 3 2 1 RS 232C 标准标准 该标准是由美国电子协会制定的一种通信标准 该标准对信号是怎么传送的 电 缆怎么连接等一系列的问题都做了非常详细的规定 RS 232 的最初制定是为了数据通讯设备和远程的通信连接终端设备通讯 所以 该标准并没有考虑到计算机通信的需求 但是大部分公司都生产兼容 RS 232 电平的元 器件 因此该标准在计算机系统中也得到了普遍的应用 3 2 2 MAX232 芯片简介芯片简介 该芯片使用相当的方便 外部只需要接 5 个 1uF 的电解电容即可 并且价格便宜 所以使用相当的广泛 MAX232 芯片引脚如图 3 4 所示 图图 3 4 MAX232 引脚引脚 1 引脚介绍 第一部分是电荷泵电路 由 1 2 3 4 5 6 脚和 4 只电容构成 功能是产生 12v 和 12v 两个电源 提供给 RS 232 串口电平的需要 第二部分是数据转换通道 11 第三部分是供电 15 脚 GND 16 脚 VCC 5v 2 主要特点 1 符合所有的 RS 232C 技术标准 2 只需要单一 5V 电源供电 3 具有升压和电压极性反转的能力 4 内部集成 2 个 RS 232C 驱动器高集成度 片外最低只需 4 个电容即可工作 3 2 3 单片机的串行口工作方式单片机的串行口工作方式 AT89S51 单片机的串口通讯的方式有四种 本次采用方式 1 进行通讯 方式 1 的 数据帧格式如图 3 5 所示 图图 3 5 串行方式串行方式 1 数据帧格式数据帧格式 方式 1 为波特率可变的 8 位异步通信接口 波特率由下式确定 方式 1 波特率 2 SMOD 定时器 T1 的溢出率 32 SMOD 为寄存器 PCON 中的最高位 本次设计中波特率设定为 9600 外部晶振采 用 11 0592HZ 与单片机的接口电路如图 3 6 所示 3 2 4 接口电路接口电路 C AP 1 1 R R IN2 8 C AP 6 C AP 2 5 C AP 1 3 C AP 2 C AP 2 4 R T OUT2 7 R OUT2 9 T IN2 10 T IN1 11 R OUT1 12 R R IN1 13 R T OUT1 14 GND 15 VC C 16 U3 M AX232 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 10 J1 DB 9 1 F C 4 1 F C 5 1 F C 6 F C 7 1 F C 8 5V TXD R XD OUT1 IN1 图图 3 6 MAX232 与单片机接口电路与单片机接口电路 12 3 3 蜂鸣器报警与报警温度值设定模块蜂鸣器报警与报警温度值设定模块 蜂鸣器采用 S8550 三极管驱动 该三极管的放大倍数 hfe 300 R1 为限流电阻 该电阻阻值满足当三极管导通时三极管处于深度饱和状态 这样三极管才能够获得足 够的电压 三个按钮实现报警温度值的重设 当 S3 被按下时 触发外部中断 INT0 运行温度值重设程序 接口电路如图 3 7 所示 470 R 1 R es1 Q18550 5V P3 4 LS B uzzer S2 SW PB S3 SW PB S1 SW PB P2 2 P2 3 INT0 GND 1K 5V 1K1K 图图 3 7 报警模块接口电路报警模块接口电路 3 4 LED 数码管显示模块数码管显示模块 显示系统采用 4 位共阳数码管 用 PNP 三极管驱动 数码管显示电路如图 3 8 所 示 f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS1 Dpy B lue C A LED0 PNP 1K 5V f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS Dpy B lue C C a b c d e f g DP LED11K 5V PNP f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS Dpy B lue C C a b c d e f g DP LED2 5V 1K PNP f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS Dpy B lue C C a b c d e f g DP LED3 5V 1K PNP a b c d e f g DP 图图 3 8 数码管显示电路数码管显示电路 3 5 AT89S51 单片机最小系统模块单片机最小系统模块 3 5 1 AT89S51 单片机单片机 单片机 又称微控制器 属于第四代电子计算机 在一块芯片上集成了中央处理 器 存储器 输入 输出接口电路以及定时器 计数器集成在一块芯片上 所以具有价格 便宜 能耗低 体积小和高的抗干扰能力等特点 8 AT89C5x AT89S5x 单片机是目前取代 MCS 51 系列单片机的主流芯片之一 9 AT89S51 特点如下 13 1 与 MCS 51 兼容 2 4K 字节可编程 FLASH 存储器 3 寿命 1000 写 擦循环 4 数据保留时间 10 年 5 全静态工作 0Hz 24MHz 6 三级程序存储器锁定 7 128 8 位内部 RAM 8 32 可编程 I O 线 9 两个 16 位定时器 计数器 10 5 个中断源 11 可编程串行通道 12 低功耗的闲置和掉电模式 3 5 2 片内振荡器和时钟电路片内振荡器和时钟电路 时钟系统模块一般有两种方式可选 一种是采用外部时钟的方式 而另外一种则 是采用内部时钟 10 本设计采用内部时钟方式 外接晶振频率为 11 0592HZ 时钟电 路如图 3 9 所示 20pF C 21 20pF C 22Y1 11 0592M Hz XT2 XT1 图图 3 9 单片机时钟电路单片机时钟电路 3 5 3 单片机复位电路单片机复位电路 按键复位与上电复位是微机系统中常用的复位方式 上电自动复位的原理 电容 是储能元件 在充电的过程中 电容相当于一个电阻 随着充电过程的结束 电阻的 阻值趋于无穷大 在这一过程中复位引脚上会有一个高电平持续的过程 11 本设计采 用的是上电自动复位的方式 单片机晶振电路如图 4 0 所示 5V 10 F C 23 10k R 28 R ST 14 图图 4 0 单片机复位电路单片机复位电路 3 6 本章小结本章小结 本章分别对各个电路模块做了较为详细的介绍 给出了电路图 并对电路的参数 和容易出错的地方做了说明 15 第第四四章章 软件设计软件设计 好的软件设计可以降低硬件的设计难度 所以软件设计在整个系统中的重要性是 不言而喻的 系统设计成功的条件首先是硬件的设计合理 然后是与之相对应的完善 的软件设计 本节主要对主流的开发环境跟各程序功能模块作较具体的说明 4 1 KeilC51 集成开发环境简介集成开发环境简介 Keil C51 是 Keil Software 公司开发的一款软件 它是兼容 51 单片机 C 语言的开发 系统 它将源码编辑 程序的调试 项目的管理等集成在一个环境中 12 Keil5l 集成开发环境的主要功能有以下几点 1 uVision2forwindows 是一个集成开发环境 它将项目管理 源代码编辑和程 序调试等组合在一个功能强大的环境中 2 RTX 51 实时操作系统 简化了复杂的实时应用软件项目的设计 3 A51 宏汇编器 从 80C51 汇编源代码产生可重定位的目标模块 13 4 C51 国际际准化 C 交叉编译器 从 C 源代码产生可重定位的目标模块 14 4 2 基于基于 KeilC51 软件编程设计软件编程设计 本论文是基于 KeilC51 编程的 模块化编程思想在该软件设计中得到了体现 将 控制单元中需要的所有功能编成相应的子模块 供主程序调用 整个应用程序包括如 下一些模块 数据采集模块 数码管显示模块 串口通信模块等组成 下面介绍各程 序模块的设计方法与编程实现 4 2 1 主程序流程图主程序流程图 单片机工作的流程为 等待 MAX6675 完成数据的转换 接着单片机模拟 SPI 串口 读取转换后的数字信号 把读取的数字信号转换为温度值并判断是否触发蜂鸣器报警 最后将数据传回到上位机 之后运行数码管显示子程序 之后接着循环 整个过程只 要有按键按下则触发外部中断 运行报警温度值设定程序 主程序流程图如图 4 1 所示 4 2 2 读取读取 MAX6675 数据程序数据程序 MAX6675 将 K 型热电偶的热电势信号进行复杂的信号调理之后最终以 12 数字信 号的方式传送给 AT89S51 15 MAX6675 读取程序流程如图 4 2 所示 16 开始 读 max6675 数据 大于报警值 将数据传回主机 数码管显示 蜂鸣器报警报警值设定 Y N 中断 中断 中断 图图 4 1 系统主程序结构系统主程序结构 max6675 转换完成 发送移位脉冲 读取引脚数据 数据读取完毕 置 CS 为高 开始下 一轮转换 Y 置 CS 为高电平 退出 N 图图 4 2 读取读取 MAX6675 数据流程数据流程 Y Y 17 4 2 3 报警温度值设定程序报警温度值设定程序 报警温度由三个按钮完成温度值设定 报警设定程序流程图如 4 3 所示 初始化 报警温度显 示 判断标志位 并作相应操作 判断标志位 并作相应操作 标志位增 1返回主程序 中断 按键 1按键 2 扫描三个键 当前标志位 是否为 4 YN 图图 4 3 报警温度值设定程序报警温度值设定程序 4 2 4 串口通讯程序串口通讯程序 该程序实现将采集到的温度数据传送回计算机 在主程序中每隔一定的时间调用函 数一次 串口通信程序流程如图 4 4 4 2 5 数码管显示子程序数码管显示子程序 该模块用四个数码管来显示百位 十位 个位 小数位 P0 口用来传送 8 位断码 另外四个 I O 口实现位选 采用共阳的数码管 数码管显示程序流程如图 4 5 按键 2 18 初始化 退出 发送完成 继续发送 等待 写 BUFFER N Y Y N 图图 4 4 串口通讯流程串口通讯流程 分离温度值选通百位送入百位码 延时选通十位送入十位码 延时选通个位送入个位码 延时关闭个位码退出 图图 4 5 数码管显示流程数码管显示流程 19 4 3 本章小结本章小结 本章对各模块的软件设计给出了程序流程图 并对程序的具体实现做了说明 本 系统的软件组成部分分别是 MAX6675 读取程序 串口通讯程序 数码管显示程序和 温度报警程序 20 第五章第五章 仿真仿真 5 1proteus 简介简介 仿真软件 Proteus 是英国 Labcenter electronics 公司开发的 EDA 工具软件 Proteus 已有十五年的历史 在全球广泛使用 16 该软件功能十分的强大 和其它 EDA 工具相比较 该软件最为突出的特点是能虚拟大部分的元件能在虚拟的原型机上编程 并且可以实时的调试 Proteus 与 Keil uVision 联合使用 使得设计变得更加简单 17 5 2 仿真步骤仿真步骤 5 2 1 建立仿真电路原理图建立仿真电路原理图 单击工具栏上的 新文件 New File Proteus 会以默认模板建立原理图文件 调整图纸大小或样式时可单击 系统 设置图纸尺寸 菜单进行设置 仿真电路图如图 5 1 所示 5 2 2 导入程序导入程序 单片机的仿真电路图搭建好之后 接着就是导入 HEX 文件 双击单片机 打开单 片机属性窗口 也可以先在单片机上单击右键 再单击左键 在 Program File 项中选 择对应的 HEX 文件 21 b c a d e f g dp a b c d e f g dp 1 2 3 4 jiay INT0 jiany SOSCK CS bao jing lLED1 LED3 LED4 LED2 TXD jiany jiay LED44 LED33 LED11 RXD TXD INT0 bao jing CS SCK SO LED22 T T T T RXD T 2 T 3 SO 7 SCK 5 CS 6 ERROR TXD 3 RXD 2 CTS 8 RTS 7 DSR 6 DTR 4 DCD 1 RI 9 P1 COMPIM P PORT COM4 V BAUDRATE 9600 V DATABITS 8 V PARITY NONE INPUT BUFFER SIZE 1024 OUTPUT BUFFER SIZE 1024 T1IN 11 R1OUT 12 T2IN 10 R2OUT 9 T1OUT 14 R1IN 13 T2OUT 7 R2IN 8 C2 4 C2 5 C1 1 C1 3 VS 2 VS 6 U3 MAX232 R1 470 R4 R5 R6 R7 R8 Q2 2N2905 Q3 2N2905 Q4 2N2905 Q5 2N2905 R10R11R12 C3 1uF XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 11 00 CJ 图图 5 1 仿真电路整体图仿真电路整体图 5 3 仿真仿真结果结果 5 3 1 测温模块与报警模块测温模块与报警模块 当温度为 100 时的仿真结果如图 5 2 所示 a T T 100 00 CJ 图图 5 2 温度显示温度显示 设定初始报警温度值为 100 当热电偶传感器温度高于 100 时 控制蜂鸣器的 P3 4 bao jing 口为低电平 三极管导通 蜂鸣器发出声音 仿真结果如图 5 3 所示 22 a T T bao jing 105 00 CJ 图图 5 3 测温值测温值 5 3 2 串口通讯模块仿真串口通讯模块仿真 本系统采用的是虚拟串口仿真的 仿真流程如下 1 安装虚拟串口驱动软件 VSDP 安装完成后运行该程序 在图 5 3 所示 的窗口中中选择 First Port 中选择 COM4 在 Second 中选择 COM5 然后单击 Add pair 按钮 这两个端口会出现在左边的 Virtual Ports 分支下 如果打开 PC 设备管理器 会 在端口下发现多出了两个串口 汉化的 VSDP 界面窗口如图 5 4 所示 图图 5 4 虚拟串口驱动软件界面虚拟串口驱动软件界面 2 将这两个串口中的 COM4 分配给 COMPIM 组件 COM5 分配给串口 助手使用 运行同一台 PC 中的串口调试助手软件和 Proteus 的单片机仿真系统 这时即可以实现串口通讯了 串口调试助手界面如图 5 5 所示 23 图图 5 5 串口调试助手界面串口调试助手界面 仿真实验结果如下图所示 实现了将温度值传回到 PC 机上 结果如图 5 6 所示 图图 5 6 串口通讯仿真现象串口通讯仿真现象 24 结结 论论 本论文主要特点是将数字集成芯片 MAX6675 与 K 型热电偶相结合 跟传统热电 偶测温方案相比 大大提升了系统的集成度 并使得测温的精度有了很大的改善 该仪表选用 AT89S51 单片机作为微处理器 温度传感器与数据处理部分由 K 型热 电偶与 MAX6675 组成 其中 MAX6675 将传统热电偶应用时复杂的冷端补偿 数字化 输出及线性化等问题集中在一起处理 很大程度上简化了传统热电偶测温方案的软硬 件设计 并且系统的集成度明显提高 所以该测温方案是应用于嵌入式系统领域的理 想选择 本论文的研究实验过程中 主要完成了以下一些工作 通过对 K 型热电偶测温原理以及热电偶的温度补偿方法的分析 设计了采用数字 集成芯片 MAX6675 对其进行冷端补偿和信号调理的方法 以 AT89S51 单片机作为微处理器 设计了智能温度测量仪表的硬件系统 以 keilC51 作为主要软件 设计了相应的软件系统 完善了整个智能温度测量仪表 的功能 由于作者时间和经验不足 技术水平有限 本智能温度测量仪表还需在以后的使 用和研究过程中加以改进和完善 25 参考文献参考文献 1 郭佑民 杜运峰 一种新型温度检测系统设计 J 甘肃科技 2004 18 2 44 45 2 黄世勇 MAX6675 在六通道温度采集仪中的应用 J 自动化信息 2008 11 1 81 82 3 王愧汉等 温度测量实用技术 M 北京 机械工业出版社 2006 4 王忠 红外测温系统在直流牵引电机在线测试中的应用 J 电力机车与城轨车辆 2007 30 1 60