基于单片机的热电偶测温系统设计.doc

基于单片机的热电偶测温系统设计摘 要 本系统由K型热电偶、温度传感器DS18B20、高精度放大器、A/D转换器TLC549、AT89C51单片机、译码显示模块与报警电路等部分构成，根据热电偶中间温度定律, 实现了具有热电偶冷端温度补偿功能的大范围高精度数字测温系统，而在测得温度超出某一范围时即启用报警电路进行超标报警。文中提出了具体设计方案，讨论了热电偶测温的基本原理，进行了可行性论证。由于利用了单片机及数字控制系统的优点，系统的各方面性能得到了显著的提高。关键词 K型热电偶；单片机；译码显示；超标报警；冷端补偿1 引言温度是反映物体冷热状态的物理参数，对温度的测量在工农业生产、国防、科研等领域中有广泛地应用。在某些特殊的场合对温度的检测速度有很高的要求，例如：在测量汽车发动机吸入空气的温度的时候，就要求热响应时间小于1s；航天飞机的主发动机的温度测量要求0.4s 内完成等。通常用来测量温度的传感器有热电阻温度传感器、热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器等几种。这些常用温度传感器一般在测量固体温度和液体温度时具有较快的响应速度。但在气体温度测量时候，由于温度传感器自身的热滞特性，而气体传热过程又比较缓慢，气体温度测量就有很大滞后。工业常用的精度较高的温度传感器有铂热电阻、半导体温度传感器等。铂热电阻具有温度测量范围大、重复性好、精度高等特点，但是响应不是很快，特别是在对气体温度测量时至少要几秒钟，在某些工作环境比较特殊的场合，如高压环境下，还需使用铠装的铂热电阻，更是延缓了热响应速度。半导体温度传感器分热敏电阻和PN 结型温度传感器两种。热敏电阻非常适合对微弱温度变化的测量，但是缺点是非线性严重；PN 结型的特点是体积小、线性输出、精度高，但是不能使用在液体环境，对气体温度变化响应也较慢。所以常用温度传感器一般都存在着对气体温度变化响应较慢的问题。在对气体温度实时性测量要求比较高的系统，运用常用温度测量方法很难做到对温度的快速测量，对系统的精度影响就很大。针对以上情况，本文设计了一种基于AT89C51 单片机，应用快速响应热电偶的温度快速测量系统。该热电偶采用K型镍铬镍硅热电偶。正极为Ni：Cr=90：10，负极为Ni：Si=97：3。测温仪的测量范围在01370之间，使用12V和5V电源。采用4位共阴极LED显示。因此系统能够实现对固体表面、液体和气体温度的高精度快速测量。2. 设计思路与原理方框图2.1 设计思路本设计中采用K型热电偶测量热端温度。用美国DALLAS半导体公司最新推出的DS18B20温度传感器测量冷端温度。单片机是TI公司的带有LCD驱动的低功耗单片机，可以直接与LCD屏相连而不需要另外的驱动电路，它最多可以显示96段。A/D转换器TLC549是采用IinCMOSTM技术并以开关电容逐次逼近5原理工作的8位串行A/D芯片。通过热电偶测量温度再将测量的温度信号通过放大电路，A/D转换等单元电路处理后送到单片机中，最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理，将电信号转变成与之相对应大小的温度值并将结果送到LED进行显示6。当测得温度超出设定的温度范围时即启用报警电路，进行声光报警。2.2系统方框图及测温原理2.2.1系统方框图根据设计要求，建立总的系统设计框架。总体框架图如图2-1所示。键 盘 输 入 部 分温 度 传 感 器 部 分热电偶测温部分时 钟 部 分单片机主控部分显 示 部 分报 警 部 分扩 展 部 分图2-1 红外测温装置的设计框架2.2.2 热电偶测温原理热电偶测温有两大优点，一是测温的上限可达1800。二是反应速度快。由于热电偶体积小，热容量小，特别是裸装热电偶，接触瞬间即可反映出被测点温度。若用热电耦去测量元件、集成电路、散热器等的温度特别方便。热电偶的测温原理基于热电效应，将两种不同材料的导体A 和B 串接成一个闭合回路，当两个接点的温度不同时，在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，此种现象称为热电效应。热电动势是由两种导体的接触电势(珀尔贴电势)和单一导体的温差电势(汤姆逊电势)所组成。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。热电偶工作原理图如图2-2所示。图2-2 热电偶工作原理图本系统采用K型热电偶。常用的K 型热电偶，由镍铬与镍硅合金构成，其平均温差电动势在40.7V左右，其非线性在230以下可忽略。尽管其热电势小，非线性较大，但可用于测量-2001370范围内的温度，且不易被氧化，为工业测温的首选，但是在电路上必须补偿非线性误差。例如采用折线近似法、查表法等，把非线性误差减少到允许范围内。热电偶测量的是温度差，而非温度。只有知道热电偶一端的温度，才能借助热电势来求出另一端的温度。这一点也与PN 结、热敏电阻温度传感器不同。这些传感器一定的电压或电阻就对应一个确定的温度。而用热电偶测温时，必须借助另一个温度标准确定冷端的温度，才能测出热端的温度。为此，最简单直观的方法是用一个普通温度计测出热电偶冷端温度，然后加上热电偶测出的冷热端的温度差，就是热端的真正温度。各种各样的冷端补偿电路尽管千变万化，复杂不同，依据的却都是上述简单办法所包含的基本原理。3 器件选择3.1 LM358放大器件（1）LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关11。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。（2）LM358参数特性 内部频率补偿； 直流电压增益高(约100dB)； 单位增益频带宽(约1MHz)； 电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5 一15V)； 低功耗电流，适合于电池供电； 低输入偏流； 低输入失调电压和失调电流； 共模输入电压范围宽，包括接地； 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围； 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)；3.3 温度传感器DS18B203.3.1 DS18B20性能特点DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；零待机功耗；温度以9或12位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不正常工作； 3.3.2 DS18B20内部结构DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3-1所示。64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入报警上下限。64位ROM和单线接口存储器和控制逻辑高速缓存温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器 图3-1 DS18B20的内部结构框图DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，头2个字节包含测得的温度信息，第3字节和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3-4所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率13。温度LSB温度MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRCTM R1 R0 1 1 1 1 1 图3-2 DS18B20的字节定义由表3-1所示可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。表3-1 DS18B20温度转换的时间R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表3-2所示是一部分温度值对应的二进制温度数据。表3-2 一部分温度对应表温度/二进制表示十六进制表示+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+10000 0000 0000 00010001H00000 0000 0000 10000000H DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若TTH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。3.3.3 DS18B20与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式。如图3-3所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。 P0单片机 P31 2 31 2 31 2 3图3-3 DS18B20与单片机的接口电路3.4 A/D转换器TLC5493.4.1 TLC549的性能参数TLC549是采用IinCMOSTM技术并以开关电容逐次逼近原理工作的8位串行A/D芯片，可与通用微处理器、控制器通过I/O、CLOCK CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。TLC549既有4MHz的片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为17s，允许最高转换速度达40000次/s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗为6mW。TLC549采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，由于其VREF-接地时，(VREF+)-(VREF-)1V,故可用于较小信号的采样，此外该芯片还单电源36V的供电范围。总之，TLC549具有控制口线少，时序简单，转换速度快，低功耗，转换精度高，价格便宜等特点，故我们选用TLC549作为A/D转换器件使用。TLC549的内部框图如图3-4所示。8位模数转换器输出数据寄存器数据选择器和驱动器采样保持内部系统时钟控制逻辑和输出计算图3-4 TLC549内部框图3.4.2 TLC549的工作原理TLC549带有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK是独立工作的，无需特殊速度和相位匹配。当CS为高时，数据DATA OUT端处于高阻态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用TLC549时，共用I/O CLOCK，以减少A/D使用时的I/O控制端口。3.5 AT89C51单片机 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案17。AT89C51的管脚如图3-5所示。1主要特性与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 图3-5 AT89C51的管脚图2管脚说明 VCC:供电电压。 GND:接地。P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时,ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 3振荡器特性 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器,石晶振荡和陶瓷振荡均可采用17。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。4 电路设计根据设计要求，系统整体硬件电路包括：复位部分，环境温度采集部分，上下温度控制部分，红外信号采集部分，显示部分，报警部分等电路组成。4.1 复位电路设计当在AT89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持两个机器周期时，单片机内部就执行复位操作。若该引脚一直保持高电平，单片机就处于循环复位状态。我们采用的是上电与按键均有效的电路。按健复位电路是上电手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。复位电路如图4-1所示。图4-1 复位电路4.2 上下限温度控制电路如图4-2所示上下限温度控制电路由四个点动式开关构成，分别送入单片机的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口14。开始时P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口的电位都处于高电位，此时显示屏显示当前温度，当按下控制P1.5的开关立即就会显示上限温度和下限温度。如果发现设置的温度上限过低，再点击控制P1.5的开关就会将温度上限所设置的温度降低，点击P1.7确定。如果觉得上限温度设置的过低，此时按下控制P1.4的开关，点击控制P1.5的开关就可将温度上限所设置的温度升高，同样点击P1.7确定。上述是对温度上限的设置。当需要设置温度下限的时候，我们同样需要点击控制P1.5的开关，在显示温度上限和下限时点击控制P1.6的开关就可调节温度下限，点击控制P1.4的开关就可以在升温降温间转换，设置好以后按确定按钮回到当前温度显示状态。图4-2 上下限温度控制4.3 报警电路 报警功能由蜂鸣器实现，当由于意外因素导致温度高于设置温度时，单片机驱动蜂鸣器鸣叫报警。报警上限温度值为预置温度+5，即当前温度上升到高于预置温度+5时报警；报警下限温度值设为预置温度-5，即当前温度下降到低于预置温度-5，且报警允许时报警，这是为了防止开始从较低温度升温时误报警。如图4-3所示报警电路的发声器由P3.7口输出，设计原理主要是根据热敏电阻与温度的线性变化，即温度升高电阻也随之增大。图4-4为报警子程序流程图。图4-3 报警电路图4-4报警子程序流程图。4.4 显示电路在显示电路中采用4位共阴极LED静态显示，LED驱动器为74LS377。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。缺点是使用元件多，线路比较复杂。共阴极LED数码管显示如图4-5所示。当在它的a、b、c、d、e、f、g、DP加上正向电压时，各段发光二极管就点亮。 图4-5 共阴极显示原理图与管脚分布4.5 键盘电路本设计键盘电路采用独立式按键。独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每根I/O口线上按键的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。独立式按键电路如图4-6所示。图4-6独立式按键电路4.6 DS18B20温度采集电路DS18B20的测温原理是这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将0所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在0所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。如图4-7所示是DS18B20与单片机的连接图，采集信号由P3.3口送入单片机，经过单片机分析处理，转换成相应大小的温度数值显示。图4-7 DS18B20与单片机的连接图5、程序设计主程序如下：TEMP1 EQU 50H ；当前检测温度（高位）TEMP2 EQU TEMQ1+1 ；当前检测温度（低位）ST1 EQU 52H ；预置温度（高位）ST2 EQU 53H ；预置温度（低位）T100 EQU 54H ；温度BCD码显示缓冲区（百位）T10 EQU T100+1 ；温度BCD码显示缓冲区（十位）T EQU T100+2 ；温度BCD码显示缓冲区（个位）BT1 EQU 57H ；温度二进制码显示缓冲区（高位）BT2 EQU BT1+1 ；温度二进制码显示缓冲区（低位）ADIN0 EQU 7FF8H ；ADC 0809通道IN0的端口地址F0 BIT PSW.5 ；报警允许标志TEMP1 DB 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H ；50H58H单元初始化(清零) ORG 0000H AJMP MAIN ；转主程序 ORG 00BH AJMP PT0 ；转T0中断服务子程序 ORG 0030HMAIN： MOV SP，#59H ；设堆栈标志 CLR F0 ；报警标志清零 MOV TMOD，#01H ；定时器0初始化（方式1） MOV TL0，#0B0H ；定时器100ms定时常数 MOV TH0，#3CH MOV R7，#150 ；置15s软计数器初值 SETB ET0 ；允许定时器0中断 SETB EA ；开中断 SETB TRO ；启动定时器0MAIN1：ACALL KIN ；调键盘管理子程序主程序和中断服务子程序的流程图如下图所示：显示程序如下：本系统设有4位LED数码显示器，用于显示电阻设定温度和实际温度。采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路。显示子程序DISP如下：DISP： ACALL HTB ；调用将显示数据转换成BCD码的子程序HTB MOV SCON,#00H ；置串行口为方式0 MOV R2,#03H ；显示位数送R2 MOV R0,#T100 ；显示缓冲区首地址送R0LD： MOV DPTR,#TAB ；指向字符码表首地址 MOV A,R0 ；取出显示数据 MOVC A