MAX6675的温度测控系统报告

1 目目 录录 目 录 1 1 设计方案 1 2 传感器的选择 2 3 系统设计 3 4 硬件介绍 4 4 1 K 型热电偶 4 4 1 1 K 型热电偶概况 4 4 1 2 热电偶传感器测温原理 4 4 2 MAX6675 5 4 2 1 MAX6675 概况 5 4 2 2 MAX6675 性能及结构 5 4 2 3 MAX6675 的工作原理与功能 7 4 3 89C51 单片机 9 4 4 4 位共阳极 LED 12 5 硬件电路 13 5 1 K 型热电偶采集信号电路 13 5 2 放大电路 14 5 3 电压跟随器 15 5 4 A D 转换电路 15 6 整体电路设计 16 7 软件设计 17 8 仿真结果 21 9 总结体会 23 2 1 设计方案 设计方案 温度测量系统使用温度传感器检测温度变化 补偿电路减小误差提高准确性 将温度变化转化为电压或电流信号 经过放大器将信号放大后 再用 A D 转换器 将模拟信号转化为数字信号 并将数字信号送到 51 单片机进行处理 最后在数码 管上显示被测温度值 2 传感器的选择 传感器的选择 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类 前者是让 温度传感器直接与待测物体接触 而后者是使温度传感器与待测物体离开一定 的距离 检测从待测物体放射出的红外线 达到测温的目的 在接触式和非接 触式两大类温度传感器中 相比运用多的是接触式传感器 非接触式传感器一 般在比较特殊的场合才使用 目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热 电式传感器 其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器 将温度变 化转换为热电势变化的称为热电偶传感器 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 热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器 它具有结构 简单 制造方便 测温范围宽 热惯性小 准确度高 输出信号便于远传等优 点 常用的热电偶材料有铂铑 铂 铱铑 铱 镍铁 镍铜 铜 康铜等 各种不同 材料的热电偶使用在不同的测温范围场合 热电偶的使用误差主要来自于分度 3 误差 延伸导线误差 动态误差以及使用的仪表误差等 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 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 系统设计 系统设计 本设计系统主要包括温度信号采集单元 信号调理单元 单片机数据处理 单元 显示单元 其中温度信号的数据调理单元采用 MAX675 集成芯片 它包 括信号调节放大器 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 系统的整体结构框图如下图所示 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 4 硬件介绍 硬件介绍 4 1 K 型热电偶型热电偶 4 1 1 K 型热电偶概况型热电偶概况 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 4 1 2 热电偶传感器测温原理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 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 5 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 4 2 MAX6675 4 2 1 MAX6675 概况概况 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 6 4 2 2 MAX6675 性能及结构性能及结构 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 1 所示 引脚功能如下表所 列 7 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 4 2 3 MAX6675 的工作原理与功能的工作原理与功能 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 2 所示 8 1 1 温度变换温度变换 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 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 2 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 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 3 热补偿热补偿 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 4 噪声补偿噪声补偿 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 5 测量精度的提高测量精度的提高 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 9 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 6 SPISPI 串行接口串行接口 MAX6675 采用标准的 SPI 串行外设总线与 MCU 接口 且 MAX6675 只能作为 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 10 4 3 89C51 单片机单片机 单片机是一种集成电路芯片 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处 理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 多种 I O 口和中 断系统 定时器 计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计 算机系统 因而被称为单片机微型计算机 检查简称单片机 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 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 89C51 是一种高效微控制器 11 引脚功能 引脚功能 3 1 电源 VCC 芯片电源 接 5V 3 3V 2 7V VSS 接地端 3 2 时钟 XTAL1 XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端 3 3 控制线 控制线共有 4 根 1 ALE PROG 地址锁存允许 片内 EPROM 编程脉冲 ALE 功能 用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址 PROG 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 此引脚输入 编程脉冲 2 PSEN 外 ROM 读选通信号 寻址外部程序存储器时选通外部 EPROM 的读 控制端 OE 低有效 3 RST VPD 复位 备用电源 RST Reset 功能 复位信号输入端 VPD 功能 在 Vcc 掉电情况下 接备用电源 4 EA Vpp 内外 ROM 选择 片内 EPROM 编程电源 EA 功能 内外 ROM 选择端 80C51 单片机 ROM 寻址范围为 64KB 其中 4KB 在片内 60KB 在片外 80C31 芯片无内 ROM 全部在片外 当 EA 保持高电平时 先访问内 ROM 但当 PC 程序计数器 值超过 4KB 0FFFH 时 将自动转向执行外 ROM 中的程序 当 EA 保持低电平时 则只访问外 ROM 不管芯片内有否内 ROM 对 80C31 芯片 片内无 ROM 因此 EA 必须接地 Vpp 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 施加编程电源 Vpp 3 4 I O 线 80C51 共有 4 个 8 位并行 I O 端口 P0 P1 P2 P3 口 共 32 个引脚 P3 12 口还具有第二功能 用于特殊信号输入输出和控制信号 属控制总线 P3 0 RXD 串行口输入端 P3 1 TXD 串行口输出端 P3 2 INT0 外部中断 0 请求输入端 P3 3 INT1 外部中断 1 请求输入端 P3 4 T0 定时 计数器 0 外部信号输入端 P3 5 T1 定时 计数器 1 外部信号输入端 P3 6 WR 外 RAM 写选通信号输出端 P3 7 RD 外 RAM 读选通信号输出端 4 4 4 位共阳极位共阳极 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 a a 管脚排列 管脚排列 b b 共阳结构 共阳结构 13 设计中采用的是 7SEG MPX4 CA 如下图示 1234 为位选 ABCDEFG DP 为段码 14 5 硬件电路 硬件电路 5 1 K 型热电偶采集信号电路型热电偶采集信号电路 对于 K 型热电偶 它的电压变化率为 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 并且 Vout V V 15 5 2 放大电路 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 5 3 电压跟随器 电压跟随器 根据电路图可得 Vin Vout 5 4 A D 转换电路转换电路 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 6 整体电路设计 整体电路设计 18 7 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 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 19 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 20 return Temp 2 返回值 void Display temp 温度显示子函数 uint temp wend