基于单片机的多点采集系统设计

中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 49 页基于单片机的多点采集系统设计摘要随着现代信息技术的飞速发展，多点采集系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以多点采集系统的设计与研究有十分重要的意义。本文介绍了一种以单片机为微处理器的多点温度数据采集系统，该设计以AT89S51单片机作为系统核心，采用K型热电偶作为温度传感器，运用MAX6675芯片对热电偶输出的模拟信号进行处理并将处理结果输送给单片机。单片机实现三路温度数据的实时采集与显示。该设计包含了温度超限报警部分，报警系统采用声光报警设计。运用按键设计实现了良好的人机交互环境，提高了系统的实用效率。该设计包含了串口通信部分，详细介绍了串口通信协议以及MAX232芯片的应用。通过上位机的设计实现了远距离的实时采集，克服了采集现场分散不利于实时监测的缺点。良好的上位机交互界面能够方便操作人员轻松高效完成任务。本文详细介绍了该采集系统的硬件设计部分和软件设计部分，包括：温度检测电路温度显示电路、报警电路、串口通信电路、下位机程序编写与调试、上位机程序编写与调试。文中着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：数码管显示程序、温度信号处理程序、超温报警程序、数据发送接收程序。关键词：AT89S51，数据采集，热电偶，串口通信中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 49 页Multipoint collection system design based on MCUAbstractWith the rapid development of modern information technology, Multipoint collecting system in industry and agriculture and Peoples Daily life play an increasingly important role, It has a great influence on peoples lives, So the design of the multipoint collecting system and the research has very important significance.In this paper, a single-chip microcomputer as the multi-point temperature data acquisition system of the microprocessor, With AT89S51 as the core system for the design, Using type K thermocouple as the temperature sensor, Using MAX6675 chip to the thermocouple output analog signal processing and send the results to the single chip microcomputer. The monolithic integrated circuit to realize three temperature data real-time acquisition and display. The design contains temperature overrun alarm part, Alarm with sound and light alarm system design. Use buttons design can achieve a good human-computer interaction environment, improve the practical efficiency of communication protocol is introduced, and the application of MAX232 chip, Through the upper machine design has realized the long-distance real-time acquisition, overcomes the drawback of gathering field dispersion is not conducive to real-time monitoring. Good PC interface can convenient operation personnel easy and efficient completed the task. This paper introduces in detail the hardware design and software design of acquisition system, including: temperature detection circuit, display circuit, alarm circuit, serial communication circuit and lower place machine programming and debugging, computer programming and debugging. This paper emphatically introduces the software design part, here uses the modular structure, main modules include: digital tube display program, temperature signal handlers and overtemperature alarm program, send and receive data.Key words: AT89S51, data collection, thermocouple, serial port communication中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 49 页目录1 引言12 系统设计方案22.1 方案选择22.1.1 测量单元选择22.1.2 显示单元的选择22.1.3 下位机方案选择32.1.4 上位机方案选择32.2 系统总体设计框图42.2.1 硬件设计框图42.2.2 软件设计框图53 硬件设计63.1 单片机AT89S5163.1.1 简介63.1.2 单片机的基本结构93.1.3 最小系统103.2 热电偶123.2.1 热电偶冷端的温度补偿133.2.2 K型热电偶143.3 MAX6675芯片153.3.1 MAX6675简介153.3.2 MAX6675原理163.4 显示电路设计183.4.1 LED简介183.4.2 LED显示方式193.4.3 LED与单片机接口电路213.5 报警电路设计214 串口通信设计24中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 49 页4.1 MAX232原理244.2 串口协议设计254.3 MSCOMM控件275 结论296 软件编程306.1 下位机程序设计306.2 上位机程序设计37附录 A42附录 B46参考文献47致谢49中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 49 页1 引言多点采集，是利用一种装置，从系统外部多点采集数据并输入到系统内部的一个接口。被采集数据是已被转换成为电信号的各种物理量，如温度、风速、压力等采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据测量是数据采集的基础。数据测量方法有接触式和非接触式，检测元件也多种多样。不论使用哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证采样数据的正确性。在互联网行业快速发展的今天，多点采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，多点采集领域已经发生了重要的变化。国内外各种多点采集器先后问世将多点采集带入了一个全新的时代。 多点采集系统根据不同的应用需求有不同的定义，这就使得多点采集系统的发展显得尤为重要。多点采集系统的任务就是根据不同的地理环境对信号进行采集，如实现采集地点的任意性，采集时间的任意性，然后将采集的模拟信号转换成单片机能够识别的数字信号，送入单片机进行相应的处理，得出相应的数据，并将其进行显示或加以通信，以便实现对采集量的实时监视和处理。在生产与生活的各个方面多点采集系统几乎无处不在，凡是有自动监控系统的地方都会有多点采集系统的出现，随着工业生产生活不断发展的需要，对多点采集系统的要求越来越高，尤其是根据不同的需求实现以不同的方式采集数据。温度作为一个与人们生活密切相关的物理量一直以来都得到各方面的重视，因此本课题以对多点温度数据的采集完成整个设计，该课题的研究具有较大的发展前景和一定的经济价值。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 49 页2 系统设计方案整个系统采用模块化设计，硬件结构由传感器和单片机、LED数码管、蜂鸣器、LED灯等装置组成，传感器将物理参量转换为电压变化并将转换结果输送给芯片进行处理，芯片将处理结果发送给单片机，采用AT89S51读取芯片的数据，单片机控制显示电路实时显示各路的采集数据，同时控制报警系统工作，保证系统安全运行单片机还将数据通过总线送给上位机，上位机设有显示功能、报警功能和设置下位机报警参数的功能。下位机有按键设置强制控制。能够实时显示报警参数和调节报警上限。2.1 方 案 选 择2.1.1 测量单元的选择方案一：本设计的测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件作为温度传感器，将由温度变化所引起的电压变化采集过来，然后进行A/D转换，这样，单片机就可以进行数据处理，同时，也可以通过上位机或LED屏，将被测温度实时地显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，测温电路比较麻烦，设计模块较大，不利于多点采集。方案二：采用集成芯片和传感器搭配完成测温单元。在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只K型热电偶与MAX6675芯片搭配作为温度测量模块。此模块，可以很容易的将温度变化转换成电压变化，通过MAX6675将电压变化转换成与实际温度相应的数字量，采用此模块能满足设计要求。从以上两种方案比较，很容易看出，采用方案二具有很强的优越性，模块电路比较简单且抗干扰能力强，系统的稳定性得到很大的提高，同时下位机软件设计也能更加简洁，单片机运行效率更高，因此采用了方案二作为温度测量模块。2.1.2 显示单元的选择方案一：使用LED静态显示，这种方法编程简单而且不用另加驱动模块，可以直接与单中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 49 页片机管脚相连，能达到较高的显示指标，而且显示程序简洁。但是静态显示占用了较多的I/O口。只能应用于显示位数不多的情况。虽然LED静态显示也能通过外加锁存器的方法节约I/O口，但是这种方法必须在每一个显示位加一个锁存器锁存单片机送出的显示字段，同时还要控制锁存器的锁存时间与显示字段的协调，这样就加大了编程的工作量，同时也大大增加了硬件的数量，扩大了系统的面积，既不实用也不经济。方案二：使用LED动态显示完成显示单元，动态扫描在一定程度上节省了I/O口的使用，减少了硬件的数量，系统面积得到减小，既经济又实惠。但这种方法需要加外部驱动，以此增加输出电流来更好的驱动数码管显示，电路虽简单，但是还需要特定的编程来完成动态扫描，增加了编程的难度和编程的工作量。通过以上两种显示方法的比较，考虑本设计最终输出的数据位较多，单片机没有太多的输出口来完成静态显示，同时考虑到实际要求和设计的经济性本，设计最终决定使用动态显示。2.1.3 下位机方案选择单片机自1971年诞生以来经过飞速的发展，单片机技术已经得到了巨大的提高单片机已经广泛应用于人类生活的方方面面。单片机的型号也多种多样，本文设计采用AT89S51单片机。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS的8位单片机，片内含有4k Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术，兼容标准MCS-51指令系统以及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元 ，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中已经得到了广泛应用 1。基于此，本文采用了AT89S51作为采集系统的核心，围绕其完成整个系统的设计。2.1.4 上位机方案选择目前上位机设计主要采用VC+编程，VC+的代码可移植性好，执行效率高，是专业的上位机开发语言，但是VC+涉及的知识面很广，不利于在短时间内掌握应用方法，对于一个比较简单的人机交互界面设计，如果采用VC+编程似乎有杀鸡用牛刀的感觉。其实上位机的设计也可以采用VB语言编程，VB与VC+比较有很多不足的地方，但是简单的设计VB语言已经绰绰有余。对于一个非计算机专业的中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 49 页学生来说采用VB具有很多优势。首先VB上手速度快，语言简单且能够在较短的时间内掌握VB的基本用法，况且采用VB已经能完全满足上位机设计的需要，基于此本文最终决定上位机采用VB语言设计。2.2 系统总体设计框图本文系统总体设计包括两部分，一部分为硬件设计，一部分为软件设计。硬件设计框图如图2.1，系统软件设计框图如图2.22.2.1 硬件设计框图图 2.1 采集系统硬件设计框图K 型热电偶K 型热电偶K 型热电偶声光报警系统AT89S51三路温度数据显示按键开关MAX66755MAX66755MAX66755串口通信 上位机实时采集显示界面中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 49 页2.2.2 软件设计框图YNNNNYYY单片机接受数据是否接收到上位机数据?第三路声光报警第二路声光报警第一路声光报警串口设计读第一路温度并处理数据循环显示第一路温度多次读第二路温度并处理数据循环显示第二路温度多次循环显示第三路温度多次读第三路温度并处理数据是否超过报警上限?是否超过报警上限?是否超过报警上限?向上位机发送数据上电复位中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 49 页图 2.2 采集系统软件设计框图3 硬件设计3.1 单片机AT89S513.1.1 简介AT89S51是一种低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含有4k Bytes可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术，兼容标准MCS-51指令系统和80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有以下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器(ROM)128 bytes的随机存取数据存储器（RAM） ，32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级以及2层中断嵌套中断，2个16位可编程的定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路和片内时钟振荡器 2。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。在空闲模式下，CPU暂时停止工作而RAM定时计数器，串行口，外部中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直到有外部中断激活或硬件复位。主要功能特性为：AT89S51兼容MCS-51指令系统；4k可反复擦写的(1000次）ISP Flash ROM；32个双向输入/输出(I/O)口；4.5-5.5V的工作电压；2个16位的可编程定时/计数器；时钟频率0-33MHz；全双工UART串行中断口线；1288bit内部RAM；2个外部中断源；低功耗空闲和省电工作模式；中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 49 页中断唤醒省电模式；看门狗（WDT）电路；灵活的ISP字节以及分页编程；双数据寄存器指针。AT89S51单片机与其他品牌的单片机相比有着非常高的性价比高，以及性能 稳定的特点。(1) 51单片机的优点如果是作低成本的智能产品，51构架单片机的成本优势是无人能敌,比如一片AT89S51和AT89S52单片机的批量价格大概是5元左右，STC89C52单片机的批量价格大概是6元左右，这样的芯片价格是非常低的。一片普通的74系列通用数字逻辑芯片大概要1元左右，而一片51单片机内部集成有成千上万个晶体管开关电路。51构架已经诞生很多年了，到目前任然具有非常强大的生命力和实用性，自从1976年51构架成功面市以来，多少年过去了，从90年代初全新闪存结构的AT89C51要90元一片，到目前的AT89S51只要5元多一片，51依然在大量的使用着使用51单片机能够非常有效的控制智能产品整机的总体成本，因此51系列单片机还是有着无法替代的重要地位。(2) AT89S51与AT89C51的比较AT89S51相对与AT89C51新增加了很多功能，性能有了很多的提升，价格却基本保持不变，甚至比89C51更低 3。 AT89S51具有ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序时不需要把芯片从工作环境上拔除，可以在线烧写，大大的提高了单片机的实用性和工作效率。AT89S51单片机的最高工作频率为33MHz， 89C51的极限工作频率是24MHZ也就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度和更高的工作效率。 AT89S51具有双工UART串行通道。AT89S51内部集成有看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路，给单片机应用开发提供了更大的便利。 AT89S51具有双数据指示器。 AT89S51具有电源关闭标识。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 49 页AT89S51具有全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性得到了很大的加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 在兼容性方面，AT89S51向下完全兼容51全部字系列产品。例如8051、89C51等产品。就是说不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等。在89S51上也一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容 4。 AT89S51与AT89C51就如同INTEL的P3向P4升级一样，虽然都可以应用Windows98，不过速度是不同的。总之，无论是与其他不同品牌同类产品相比，还是与同品牌产品相比都显示出了AT89S51优良的性能，以及更高的性价比。因此AT89S51芯片成为了本系统的首选。AT89S51管脚说明如图3.1所示：图 3.1 AT89S51 管脚图VCC：供电电压。 GND：接地管脚。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 49 页P0口：P0口是一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻态输入。P0能够可以用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的八位口线。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0作为原码输出口，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供了上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入口P1口被外部下拉为低电平时，将会输出电流，这是由于内部上拉电阻的缘故在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部含有上拉电阻的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。这是由于有内部上拉的缘故。当P2口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口输出是地址的高八位。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口管脚是带内部上拉电阻的8位双向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。作为输出由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉电阻的所产生的结果 5。3.1.2 单片机的基本结构AT89S51单片机基本结构主要包括了以下几个主要部件：(1) 控制器控制器是单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令和执行指令并根据指令的性质和功能控制单片机各功能部件进行工作，从而保证单片机各部分能够自动而协调地工作。单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。首先从程序存储器中读出指令，然后送到指令寄存器保存，最后送至指令译码器进行译码，译码结果被送到定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑电路产生各种定时信号和控制信号再将各个信号送到单片机的各个部件中去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，执行程序的过程就是不断重复这一过程。控制器主要包括的部分有程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 49 页逻辑电路以及时序控制逻辑电路。(2) 存储器AT89S51单片机存储器采用哈佛结构，即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开，程序存储器和数据存储器各有各的寻址方式，寻址空间和控制系统这种结构使单片机面向控制的实际应用变得十分方便，在8051/8751中，不仅在片内集成了一定容量的程序存储器和数据存储器以及众多的特殊功能寄存器，而且还具有非常强的外存储器的扩展能力，寻址能力分别可达64KB，寻址和操作非常简单方便 6。(3) 并行I/O口MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0-P3，共有32根口线，各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成 7。实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之内。这四个口除了按字节寻址以外，还可以按位进行寻址。由于它们在结构上有一些差异，故各口的性质和功能有具有一些差异。(4) 时钟电路与时序时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所需要的时钟信号 8。MCS-51单片机本身就是一个很复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机应该在唯一的时钟信号控制下，严格地按照时序执行进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。3.1.3 最小系统单片机最小系统包含两个部分，一部分为复位电路，一部分为时钟电路。单片机第九引脚为复位引脚，当该引脚接5V电压时单片机复位，单片机从新开始执行程序 9。为了保证可靠地复位通常VCC与RESET引脚之间要加一个电容。复位电路如图3.2所示。单片机最小系统另一部分为时钟电路，时钟电路接单片机的18和19引脚AT89S51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚19，输出端为引脚18。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。在本系统时钟模块的设计中所选用的12MHz的石英晶振，由于12MHz晶体振荡的每个定时周期为1us，可得到1us的精度由此设置就可以使单片机在运行时能够有条不紊。晶振电路如图3.3所示。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 49 页图 3.2 单片机复位电路中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 49 页图 3.3 单片机晶振电路3.2 热电偶热电偶是一种测温元件，它能把温度信号转换成热电动势信号，通过电气表转换成被测介质的实际温度 10。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路，当两端存在温度差时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就会产生电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体均为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度环境下。根据回路产生的热电动势与温度的函数关系制成热电偶分度表。分度表是在自由端温度为0 的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表 11。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度保持相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即回路不受第三种金属接入的影响。因此，在热电偶测量温时，可接入测量仪表，测得热电动势后即可知道被测介质的实际温度。热电偶是工业中常用的测温元件，热电偶具有如下特点：测量精度高热电偶与被测对象直接接触，且热电偶回路不受接入中间介质的影响。 热电偶热响应时间快：热电偶对温度变化反应非常灵敏。测量范围大：热电偶从 -401600均可以进行连续测温 12。 热电偶性能可靠，机械强度好。使用寿命长，安装方便，维护方便。热电偶的种类 K 型（镍铬 - 镍硅） WRN 系列N 型（镍铬硅 - 镍硅镁） WRM 系列E 型（镍铬 - 铜镍） WRE 系列J 型（铁 - 铜镍） WRF 系列T 型（铜 - 铜镍） WRC 系列S 型（铂铑 10- 铂） WRP 系列R 型（铂铑 13- 铂）WRQ系列 热电偶的基本结构包含热电极，绝缘材料和保护管三个部分；并且与显示仪表、记录仪表或者与计算机等设备配套使用。在现场使用中根据不同的环境，被测介质的性质等多种因素研制成适合各种环境的通用热电偶。 热电偶简单分为三中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 49 页种类型，分别为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用的不同环境细分有耐高温热电偶，耐磨损热电偶，耐腐蚀热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶，循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等3.2.1 热电偶冷端的温度补偿由于热电偶的制作材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离通常又很远，为了节省热电偶材料，降低系统成本，通常需要采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室，连接到仪表的端子上进行冷端补偿但是必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上的作用，它本身并不能消除冷端温度变化对测温效果的影响并不能起到冷端补偿的作用 13。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度T00时对测温的影响。 在使用热电偶补偿导线时必须注意所选型号必须与热电偶相配，且极性不能接错补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100。热电偶作为一种主要的测温元件，具有很多优点，热电偶具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围大、测温精度高等诸多特点。但是将热电偶应用于基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几个问题。非线性：热电偶输出的热电势与所测温度之间的关系为非线性关系，因此应用在基于单片机的嵌入式系统时就必须进行线性化处理。冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度却是随着环境温度而变化的故需进行冷端补偿。数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶所产生的信号显然无法直接满足这个要求。因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号放大A/D转换、查表线性线、温度补偿以及数字化输出接口等软硬件设计，如此一来系统结构将十分复杂，体积与较大，系统成本相应升高，非常不利于多点采集系统的设计，但是如果能将上述问题的解决集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计，大大拓宽了热电偶的使用范围 14。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 49 页3.2.2 K型热电偶本次设计对温度范围没有明确的规定，因此根据实际情况本次设计最终决定采用K型热电偶进行设计，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好，抗氧化能力强，价格便宜等诸多优点，也能应用于氧化性惰性气氛中。目前K型热电偶已经广泛应用在工业的各个方面 15。K型热电偶的冷端热端在不同温度下产生的电势差如表3.1所示，在Protues中热电偶与MAX6675接法如图3.4所示：图3.4 热电偶与MAX6675接法中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 49 页表 3.1 K 型热电偶冷热端温度电势对照表3.3 MAX6675 芯片3.3.1 MAX6675 简介MAX6675是Maxim公司推出一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器的热电偶处理芯片。MAX6675是一个很复杂的单片热电偶数字转换器，内部集成了信号调节放大器、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个相关的逻辑控制单元。该器件具有很多优点：MAX6675具有简单的SPI串行口温度值输出功能；0+1024的测温范围；片内冷端补偿；低功耗特性；12位0.25的分辨率；高阻抗差动输入；热电偶断线检测；单一+5V的电源电压。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 49 页工作温度范围-20+85。MAX6675采用8引脚SO帖片封装 16。该器件引脚功能如表3.2所列。器件的引脚排列如图3.5所示表3.2 MAX6675引脚功能图引 脚 名 称 功 能1 GND 接地端2 T- K型热电偶负极3 T+ K型热电偶正极4 VCC 正电源端5 SCK 串行时钟输入6 CS 片选端，CS为低时、启动串行接口7 SO 串行数据输出8 N.C. 空引脚图 3.5 MAX6675 引脚排列图3.3.2 MAX6675 原理MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度的变化来处理热电偶信号，该器件可将周围环境温度通过内部的温度检测二极管转换成温度补偿电压，以此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作为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中进行数模转换，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 17。因此在实际测温应用时，应尽避免在 MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值从而产生相应的热电势，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，其温度在-20+85范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 49 页测热端的温度变化。在测温实际应用中，芯片自热将会降低MAX6675温度测量精度，误差大小依赖于MAX6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热所引起的测量误差，可在布线时用大面积接地技术以此来提高MAX6675温度测量精度MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为了降低电源噪声对测量结果产生不利影响，可在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1F陶瓷旁路电容，提高测量精度热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高测量精度：尽量采用不能从测量区散热的大截面导线；如必须采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，减少测温区传导出热量影响测量精度；避免导线的机械挤压和振动；当热电偶距离较远时，应该采用双绞线作热电偶连线；在温度额定值范围内可以使用热电偶导线避免急剧温度变化在严劣环境中，应该使用合适的保护套以保证热电偶导线；仅在低温和小变化率区域使用扩展导线；保持热电偶电阻的事件记录和连续记录。MAX6675内部具含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让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放大后再经过A2电压跟随器缓冲后，被送至ADC通道的输入端。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。对于K型热电偶，热电势电压变化率为41V/，电压可由线性公式Vout=(41V/)(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。MAX6675采用标准的SPI串行外设总线设计与MCU接口，且MAX6675只能作为从设备不能作主设备。MAX6675 的SO端输出温度数据的格式如表3.3所示，MAX6675 SPI接口时序如图3.6所示。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下所述：MCU使片选端CS变低并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量数据。CS变低后将停止任何转换过程；CS从新变高将启动一个新的转换过程一个完整串行接口读数据操作需16个时钟周期，在时钟信号的下降沿读16个输出位，输出数据的第1位和第15位是一伪标志位，并总为0；第14位到第3位为转换温度值；第2位平时总为0，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，并使接地点尽可能接近GND脚；第1位为低目的为提供MAX66中北大学 2013 届毕业设计说明书第 22 页 共 49 页75器件身份码，第0位为三态。表 3.3 MAX6675 的 SO 端输出温度数据的格式图 3.6 MAX6675 SPI 接口时序3.4 显示电路设计3.4.1 LED 简介7段LED数码显示管，是在一定形状的绝缘材料上，利用单只LED灯组合排列成“8”字型的数码显示管，分别引出它们的电极，点亮相应的点划来显示出0-F的数字。LED数码显示管根据LED的接法不同分为共阴数码管和共阳数码管两类，了解LED的这些特性，对编程实现数码显示功能是非常重要的，因为不同类型的数码管除了它们的硬件电路有所差异外，使用的编程方法也是有一些不同的。图3.7是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同。将多只LED数码显示管的阴极连在一起即为共阴式数码管，而将多只LED数码显示管的阳极连在一起即为共阳式数码管。以共阴式数码管为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，LED的电流通常较小一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将b和c段接上正电源，其它端接地或悬空，那么b和c段发光，此时，数码管显示将显示数字“1” 。而将abd、中北大学 2013 届毕业设计说明书第 23 页 共 49 页e和g段都接上正电源，其它引脚都悬空，此时数码管将显示“2”以此类推，其它字符的显示原理类同。共阳极数码管显示原理与共阴极数码管显示方式非常相似，当把共阳极端接上电源，其他端接地，此时数码管将全亮，显示数字为8。图 3.7 数 码 管 共 阴 极 、 共 阳 极 接 法数 码 管 的 两 种 接 法 显 示 译 码 如 表 3.4 所 示 ：表 3.4 数 码 管 显 示 译 码 表显 示 字 符 共 阴 极 段 码 共 阳 极 段 码 显 示 字 符 共 阴 极 段 码 共 阳 极 段 码0 3FH C0H 8 7FH 80H1 06H F9H 9 6FH 90H2 5BH A4H A 77H 88H3 4FH B0H b 7CH 83H4 66H 99H c 39H C6H5 6DH 92H d 5EH A1H6 7DH 82H E 79H 86H7 07H F8H F 71H 8EH3.4.2 LED 显示方式N个LED显示块会有N条位选线和8N根段码线。 段线控制显示的字型，位选线控制该显示位的亮或暗。LED数码管的显示方式可以分为静态显示和动态显示两种方式。1.静态显示方式将数码管的公共端连接在一起（接地或+5V） 。 每位的段码线分别与一个8的锁存器输出相连。显示字符一确定，相应锁存器的段码输出将维持不变，将要显中北大学 2013 届毕业设计说明书第 24 页 共 49 页示的字符锁存到锁存器中，然后通过数码管进行显示，直到送入另一个段码为止。静态显示具有显示亮度高的特点，但是需要硬件配合，多位显示不利于采取这种方法。图3.8是4位静态LED显示器电路。该电路各位可独立显示。图 3.8 4 位 静 态 LED 显 示 器 电 路2.动态显示方式将多位数码管的段码线并在一起，由一个8位I/O口控制形成段码线的多路复,各位的公共端分别由相应的I/O线控制，形成对各位的亮与暗分时选通。图3.9是4位8段LED动态显示电路。其中的段码线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个4位I/O口 7。图 3.9 4 位 动 态 LED 显 示 电 路由 于 本 次 设 计 中 共 使 用 了 三 个 四 位 八 段 的 数 码 作 为 显 示 模 块 ， 如 果 采 用 静态 显 示 将 占 用 较 大 资 源 ， 因 此 ， 本 设 计 中 将 采 用 动 态 显 示 模 式 。3.4.3 LED 与单片机接口电路中北大学 2013 届毕业设计说明书第 25 页 共 49 页本次设计中的 LED 与单片机的接口电路如图 3.10 所示:图 3.10 LED 与单片机的接口电路3.5 报警电路设计报警电路在许多设计中已经广泛应用，报警电路能够对现场的实际情况进行实时的监控，当工作环境发生变化且超过了预先设定的值，报警器能够及时工作，提醒人们环境的变化。报警电路在人们生活的方方面面已经得到了广泛的应用。尤其是在工业领域，报警电路的应用几乎无处不在。本次设计是对三个点的温度数据进行实时的采集和显示，设置温度的上限报警电路是该系统不可或缺的部分，如果缺少了报警电路，该系统的可用性将大打折扣。为此本次设计采用了声光报警系统，报警系统包括一个蜂鸣器和三个二极管灯。其中蜂鸣器为公用器件，无论那一路采集到的温度值超过所设定的报警值时，蜂鸣器将发出报警声音。但是对于多路的温度采集系统来说，一个蜂鸣器还远远不够。当蜂鸣器发出报警声时，人们还不能迅速判断是那一路温度超过了报警上限值。基于此，在报警电路中增加了三个二极管灯作为报警的指示灯，三个二极管灯分别位于三个四位数码管旁边，当采集的温度超过报警上限时，蜂鸣器会立刻发出报警音，同时相应的二极管也将发光，由于二极管位于数码显示管的旁边，人们能够非常方便的判断是那一路温度超过了上限值大大提高了人们的反应时间，同时也提高了该系统的实用性和工作效率。报警电路设计图如图 3.11 所示。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 26 页 共 49 页图 3.11 报 警 电 路 图该报警电路包含了一个开关，一个三极管（NPN）和两个按钮。开关用于控制整个报警电路的工作状态，开关按下时报警系统停止工作，开关弹起时报警系统恢复工作。三级管用于驱动蜂鸣器，本设计中采用的是9013（NPN）三极管，但是在硬件调试中却遇到了诸多麻烦，尤其是已经做出了PCB板，改电路图显得麻烦。但是值得注意到是在Protues中仿真时用9013不会遇到问题，其能顺利的驱动蜂鸣器工作，但是实际中却不是如此，使用9013在硬件实际电路中，一个单片机引脚是无法驱动蜂鸣器工作的，蜂鸣器的声音极其微小，此时只有加上拉电阻以加大单片机引脚所输出的电流来驱动蜂鸣器正常工作，也可以用单片机两个引脚来同时驱动蜂鸣器。这样单片机有限的输入输出口就被浪费。因此强烈建议使用9015（PNP）三极管来驱动蜂鸣器工作，如果使用9015单片机只需要一个引脚就能控制和驱动蜂鸣器正常工作了，而且蜂鸣器发出的声音非常明亮。本次设计中由于没有找到9015而使用了9013来驱动蜂鸣器工作，导致了非常多的麻烦，具体情况是已经做好的PCB板被割开，以至于被迫连导线，严重破坏了PCB的美观以及整个系统的稳定性。因此建议使用单片机驱动蜂鸣器时最好使用中北大学 2013 届毕业设计说明书第 27 页 共 49 页9015但是前提是蜂鸣器是5V的有源蜂鸣器，如果蜂鸣器是12V的蜂鸣器那么最好使用9013驱动，因为9013只需要单片机的一个引脚就完全能够三极管工作。报警系统中包含了两