MAX6675的温度传感器报告

1 课程设计课程设计 课程名称 传感器原理及应用 实验项目 热电偶温度传感器的设计 实验地点 信息学院传感器实验室 专业班级 电科 1401 班 学号 2014001864 学生姓名 李康泽 2018 年 12 月 26 日日 2 太原理工大学课程设计任务书 学生姓名专业班级 课程名称传感器原理及应用课程设计 设计名称设计周数1 5 周 设计 任务 主要 设计 参数 设计内容 设计要求 主要参考 资 料 学生提交 归档文件 注 1 课程设计完成后 学生提交的归档文件应按照 封面 任务书 说明书 图纸的顺 序进行装订上交 大张图纸不必装订 2 可根据实际内容需要续表 但应保持原格式不变 3 1 设计设计方案方案 设计中采用了两个方案 具体的方案见方案一和方案二 方案一 分立元气件冷端补偿方案 该方案的热电偶冷端温度补偿器件是由分立元件构成的 其体积大 使用不够 方便 而且在改变桥路电源或热电偶类型时需要重新调整电路的元件值 主要包 括温度采集电路 信号放大电路 A D 转换电路 热电偶冷端补偿电路 数码 管显示电路等 其系统框图如图 1 AD590冷端补偿电路模块 单片机模块 热电偶转换和放大电路模块 模 数 转 换 LED 显示模 块 热端 冷端 图 1 分立元气件冷端补偿 方案二 集成电路温度补偿方案 采用热电偶冷端补偿专用芯片 MAX6675 MAX6675 温度转换芯片具有冷 端温度补偿及对温度进行数字化测量这两项功能 一方面利用内置温度敏感二 极管将环境温度转换成补偿电压 另一方面又通过模数转换器将热电势和补偿 电压转换为代表温度的数字量 将二者相加后从串行接口输出测量结果 即为 实际温度数据 主要包括温度采集电路 MAX6675 温度转换电路 数码管显示 电路等 其系统框图如图 2 图 2 集成电路温度补偿方案 4 测温的模拟电路是把当前 K 型热电偶传感器的电阻值 转换为容易测量的 电压值 经过放大器放大信号后送给 A D 转换器把模拟电压转为数字信号 再 传给单片机 AT89S51 单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值 转换为温度值 并将数据送出到数码管进行显示 综合对比以上两种方案 方案一电路复杂 且测量不精确照成误差较大 方案二采用集成温度转换芯片不仅能很好的解决冷端温度补偿及温度数值化问 题 并消除由热电偶非线性而造成的测量误差 且精确度高 可实现电路的优化 设计 故最后采用方案二 2 传感器的选择传感器的选择 物体的冷热水平可以通过温度来衡量 从分子水平看 又可以表示物体分 子运动状态 温度越高 分子运动越猛烈 物体温度改变后显示出的一些特点 只可以由温度间接测量 最基本的环境方法 温度 对周边环境会产生重要 影响 和人们的衣食住行 农业生产等方面密不可分 温度的测量在工业 农 业生产中必不可少 在工业生产中甚至需要时刻观察温度的变化 所以通过对 温度的测量和测温设备的研究具有非比寻常的意义 在社会生产力的不断提高下 对温度测量系统收集的温度数据方法要求越 来越高 已经渗透到社会方方面面 温度的测量主要应用于工业 农业这两大 领域 在这两大领域中 无论是机械的正常运转还是农作物的蓬勃生长 都离 不开温度的测量 在工业生产中 由于生产环境的限制 员工不可长时间停留 观察设备运行正常或因为其他原因不能在现场 这是找到最佳的方式收集数据 的迫切需要 将数据发送到一个比较好操作的控制室 便于工作人员对数据的 分析与处理 在农业生产上 对温室大棚的温度监测 以前都是选择分区取样 的人工处理方式 工作辛苦 精确度不高 而且在实际操作中 因为大棚的诸 多环境限制因素 例如占地面积广 测量点分散而且数目多 所以这种测量方 式已经被淘汰 当前的科技水平下 为了取得更大的效益促使我们必须找到一 种精确 简便易行的温度采集测量方法 在科学技术的不断发展下 现代社会 对各种参数 准确度和精密度的要求有一个几何增长 在以此基础上 如何快 5 速 准确获取这些参数需要依靠现代信息的发展水平 传感器技术 通信技术 计算机结构技术并称当代三大信息采集技术 而这之中传感器技术遥遥领先其 他两种技术 特别是传感器技术中对于温度的测量 所以研究温度的收集方式 和设备这一课题是相关领域国内外研究者的重要课题之一 对于本课题而言 基于测温线的温度测量系统可以较为简洁方便的测量出温度 温热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类 前者简称 热电阻 后者简称热敏电阻 常用的热电阻材料有铂 铜 镍 铁等 它具有 高温度系数 高电阻率 化学 物理性能稳定 良好的线性输出特性等 常用 的热电阻如 PT100 PT1000 等 近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度 传感器 如 DALLAS 公司 DS18B20 MAXIM 公司的 MAX6576 MAX6577 ADI 公司的 AD7416 等 这些芯片的显著优点是与单 片机的接口简单 如 DS18B20 该温度传感器为单总线技术 MAXIM 公司的 2 种温度传感器一个为频率输出 一个为周期输出 其本质均为数字输出 而 ADI 公司的 AD7416 的数字接口则为近年也比较流行的 I2C 总线 这些本身都 带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便 采用热电阻传感器设计测温电路 需要设计恒流源 冷端补偿电路 线性 校正电路 放大电路 A D 转换电路 过程比较繁琐 集成度低 并且各个电 路存在偏差 这些偏差经过多级电路后形成较大误差 严重影响测量温度值 为了电路简洁方便集成度高 减小误差 本次测温电路选用 K 型热电偶 配合 MAX6675 完成测温系统 热电偶是工业中常用的温度测温元件 具有如下特点 测量精度高 热电偶与被测对象直接接触 不受中间介质的影响 热响应时间快 热电偶对温度变化反应灵敏 测量范围大 热电偶从 40 1600 均可连续测温 性能可靠 机械强度好 使用寿命长 安装方便 但是 K 型热电偶须进行复杂的信号放大 A D 转换 查表线性线 温度补偿及数字 化输出接口等软硬件设 MAX6675 是美国 MAXIM 公司生产的带有冷端补偿 线性 校正 热电偶断线检测的串行 K 型热电偶模数转换器 即一个集成了热电偶放 6 大器 冷端补偿 AD 转换器及 SPI 串口的热电偶放大器与数字转换器 将 K 型 热电偶和 MAX6675 结合使用 电路集成度高 简洁很多 减小误差 因此 本 次电路设计选用 K 型热电偶 3 硬件介绍硬件介绍 3 1 K 型热电偶 3 1 1 K 型热电偶概况 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 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 图 3 K 型热电偶 3 1 2 热电偶传感器测温原理 热电偶测温由热电偶 连接导线及显示仪表三部分组成 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 7 差电势和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 获得电子而显负电 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 接触面处所产生的电动势就越大 即接触电势越 大 3 2 MAX6675 3 2 1 MAX6675 概况 热电偶作为一种主要的测温元件 具有结构简单 制造容易 使用方便 测温范围宽 测温精度高等特点 但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系 统领域时 却存在着以下几方面的问题 非线性 热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系 因此在应 用时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 时与测量端差值 而在 实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的 故需要进行冷端补偿 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 AD 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 如果能将上述的功能 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 8 4 2 2 MAX6675 性能及结构 Maxim 公司新近推出的 MAX6675 是一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 MAX6675 内部集成有冷 端补偿电路 带有简单的 3 位串行 SPI 接口 可将温度信号转换成 12 位数字量 温度分辨率达 0 25 内含热电偶断线检测电路 冷端补偿的温度范围 20 80 它的温度分辨能力为 0 25 可以测量 0 1023 75 的温度 工作电压为 3 0 5 5V MAX6675 的主要特性如下 简单的 SPI 串行口温度值输出 0 1024 的测温范围 12 位 0 25 的分辨率 片内冷端补偿 高阻抗差动输入 热电偶断线检测 单一 5V 的电源电压 低功耗特性 工作温度范围 20 85 2000V 的 ESD 信号 该器件采用 8 引脚 SO 帖片封装 引脚排列如图 4 所示 引脚功能如下表所 列 9 图 4 MAX6675 引脚排列 MAX66475 引脚功能如下表所示 引 脚名 称功 能 1GND 接地端 2T K 型热电偶负极 3T K 型热电偶正极 4VCC 正电源端 5SCK 串行时钟输入 6CS 片选端 CS 为低时 启动串行接口 7SO 串行数据输出 8N C 空引脚 3 2 3 MAX6675 的工作原理与功能 根据热电偶测温原理 热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关 而 且与冷端的温度有关 使用硬件电路进行冷端补偿时 虽能部分改善测量精度 但 图 5 MAX6675 工作原理 由于热电偶使用环境的不同及硬件电路本身的局限性 效果并不明显 而 使用软件补偿 通常是使用微处理机表格法或线性电路等方法来减小热电偶本 身非线性带来的测量误差 但同时也增加了程序编制及调试电路的难度 MAX6675 对其内部元器件参数进行了激光修正 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 断偶 检测电路都给 K 型热电偶的使用带来了极大方便 其工作原理如图 5 所示 1 温度变换 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 10 同时是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 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 它需要对热电偶的冷端进行补偿 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 电压变化率 为 41 电压可由线性公式 Vout 41 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 2 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 比温度在 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 3 热补偿 在测温应用中 芯片自热将降低 MAX6675 温度测量精度 误大小依赖于 MAX6675 封装的热传导性 安装技术和通风效果 为降低芯片自热引起的测量 误差 可在布线时使用大面积接地技术提高 MAX6675 温度测量精度 4 噪声补偿 MAX6675 的测量精度对电源耦合噪声较敏感 为降低电源噪声影响 可在 MAX6675 的电源引脚附近接入 1 只 0 1 F 陶瓷旁路电容 5 测量精度的提高 热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高 尽量采用不能从测 量区域散热的大截面导线 如必须用小截面导线 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 避免受能拉紧导线的机械挤压和振动 当热电偶距离较远时 应采用双绞线作热电偶连线 在温度额定值范围内 使用热电偶导线 避免急剧温度变化 在严劣环境中 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 6 SPI 串行接口 MAX6675 采用标准的 SPI 串行外设总线与 MCU 接口 且 MAX6675 只能作为 11 从设备 MAX6675 SO 端输出温度数据的格式如图 3 所示 MAX6675 SPI 接口时 序如图 4 所示 MAX6675 从 SPI 串行接口输出数据的过程如下 MCU 使 CS 变低 并提供时钟信号给 SCK 由 SO 读取测量结果 CS 变低将停止任何转换过程 CS 变高将启动一个新的转换过程 一个完整串行接口读操作需 16 个时钟周期 在 时钟的下降沿读 16 个输出位 第 1 位和第 15 位是一伪标志位 并总为 0 第 14 位到第 3 位为以 MSB 到 LSB 顺序排列的转换温度值 第 2 位平时为低 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 并使能地点尽可能接近 GND 脚 第 1 位为低以提 供 MAX6675 器件身份码 第 0 位为三态 图 6 SO 端数据输出 图 7 MAX6675 通信协议图 12 图 8 MAX6675 典型应用 3 3 89C51 单片机 MCU 是整个系统的控制核心 由于温度测量系统的接口方便 综合考虑整 个系统 选用美国 ATMEL 公司生产的 AT89C51 型单片机 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 其外观引脚如图 9 所示 图 9 89C51 单片机 AT89C51 提供以下标准功能 4k 字节的 flash 闪速存储器 可以反复擦除 100 次 128 字节内部 RAM 4 个 8 位并行 I O 口 两个 16 位定时 计数器 一 个 5 向量两级中断结构 一个全双工串行通信口 片内振荡器及时钟电路 同 时 AT89C51 可降至 0hz 的静态逻辑操作 并支持两种软件可选的节电工作模 式 空闲方式停止 CPU 工作 但允许 RAM 定时 技术器 串行通信口及中断系 统继续工作 掉电方式保存 RAM 中的内容 但振荡器停止工作并禁止其他所有 部件工作指导下一个硬件复位 AT89C51 共有 4 个双向的 8 位并行 I O 端口 分别为 P0 P3 共有 32 根口 线 端口的每一位均由锁存器 输出驱动器和输入缓冲器所组成 P0 P3 的端 口寄存器属于特殊功能寄存器系列 这四个端口除了可以按字节寻址外还可以 位寻址 其中 P0 口为漏极开路作为输出使用时应外加上拉电阻 P3 口既可以 做为普通 I O 口使用 还可以作为特定的功能引脚 虽然 51 单片机只有一个串 13 口接口 但其 I O 口既可以用字节寻址也可以位寻址 这样在实际应用中 我 们就可以通过模拟不同总线的时序特征来实现各种数据的传输 AT89C51 单片机内部有一个功能强大的全双工的一部通信串口 其串行口 有四种工作方式 分别为同步通信方式 8 位异步收发 9 位异步收发 特定波 特率 9 位异步收发 定时器控制波特率 它有两个物理上独立接收发送 缓冲器 SBUF 可同时发送 接收数据 波特率可由软件设置片内的定时器来控 制 而且每当串行口接收或发送 1B 完毕 均可发出中断请求 3 4 4 位共阳极 LED 7 段 LED 数码管是利用 7 个 LED 发光二极管 外加一个小数点的 LED 组合 而成的显示设备 可以显示 0 9 等 10 个数字和小数点 使用非常广泛 图 10 a 管脚排列 b 共阳结构 设计中采用的是 7SEG MPX4 CA 如下图示 1234 为位选 ABCDEFG DP 为段码 14 图 11 ABCDEFG DP 为段码 4 硬件电路硬件电路 4 1 温度采集转换电路模块 温度采集电路模块包括 K 型热电偶和 max6675 所组成的电路模块 其电路 原理图如图 3 2 所示 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 l023 75 范围变化 冷端即安装 MAX6675 的电路板周围 温度 此温度在 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 15 图 12 温度采集转换电路模块 4 2 放大电路 放大器的输入信号Vin Vout V V 根据电路图可以得到方程 VA 300V 300 30 VA VA R4Vo VAR41RVoV 联立方程可得 Vo 10 V V S 10 Vout 16 4 3 电压跟随器 根据电路图可得 Vin Vout 4 4 A D 转换电路 MAX6675 内部有自带 12 位 AD 转换器 在数字控制器的作用下 A D 转换 器将模拟信号转换为数字量输出 AD 量化单位 q 5V 4096 转换结果 D Vin mV q mV 17 5 整体电路设计整体电路设计 图 13 整体电路设计 6 软件设计 软件设计 软件包括四个函数 主函数 读取 AD 转换数值函数 显示函数 延时函数 include reg51 h include intrins h nop 延时函数用 define uchar unsigned char 用 uchar 代替 unsigned char 1 字节 0 255 define uint unsigned int 用 uint 代替 nsigned int 2 字节 0 26653 sbit SO P1 0 P1 0 口与 SO 相连 sbit SCK P1 1 P1 1 口与 SCK 相连 sbit CS P1 2 P1 2 口与 CS 相连 uint j float wendu 18 uint Read AD AD 转换数据数据读取 并返回值 void Display temp 温度显示 uchar qian 0 bai 0 shi 0 ge 0 xiao 0 初始化 LED uint temp uchar code tab 1 10 0 xC0 0 xF9 0 xA4 0 xB0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xF8 0 x80 0 x90 共阳 LED 段码表 uchar code tab 2 10 0 x40 0 x79 0 x24 0 x30 0 x19 0 x12 0 x02 0 x78 0 x00 0 x10 含 小数点共阳段码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 uchar code tab 3 4 0 x01 0 x02 0 x04 0 x08 位码 uint Read AD AD 转换数据读取子函数 并返回值 uchar i unsigned long Temp 2 Temp 2 0 CS 1 SCK 0 nop 这个 nop 等效与汇编里面的 NOP 指令 即空一个机器周期 CS 0 for i 0 i 16 i 16 位数据读取 Temp 2 1 向左移一位 nop SCK 1 上升沿脉冲 if SO 1 Temp 2 Temp 2 0 x01 else Temp 2 Temp 2 0 x00 nop SCK 0 nop Temp 2 Temp 2 取 3 14 位 Temp 2 Temp 2 1024 4096 变换为温度值 return Temp 2 返回值 void Display temp 温度显示子函数 19 uint temp wendu temp temp 10 if wendu0 j 延时 P3 0 x00 P0 tab 1 shi P3 tab 3 1 显示十位数字 for j 300 j 0 j P3 0 x00 P0 tab 2 ge P3 tab 3 2 显示个位数字 for j 300 j 0 j P3 0 x00 P0 tab 1 xiao P3 tab 3 3 显示小数位 for j 300 j 0 j void main 主程序 for j 300 j 0 j while 1 20 wendu Read AD 热电偶数据读取 返回温度 Display temp 温度显示 7 仿真结果仿真结果 在 proteus 中画好电路 检验没有错误后 将单片机的程序指定到编译 好的 hex 文件 然后开始仿真 从 200 到 500 随机选取几组温度值 记录 LED 显示的数值 21 实际温度值与测量温度值如下表示 温度值 233281354420487 测量值 232282355420487 8 8 误差分析误差分析 在系统设计过程中难免会有误差 虽不能绝对地消除 但我们可以尽量将 他们减小到最低程度 由于环境温度的变化 热电偶的冷端随时可能发生变化 然而该系统存在 一定的热响应时间 所以环境温度的快速变化可能带来冷端补偿造成的一系列 的误差问题 而且器件的参数也存在一定的误差 之后在放大 AD 转换 和数 字量化的转换过程中也会因为热噪声或其他的干扰源带来转换的误差 其中