基于热电偶的炉内高温检测的设计

-i-基于热电偶的炉内高温检测的设计【摘要】：本文提出的温度测量系统由热电偶、温度转换芯片MAX6675、单片机（89c52）和显示部分组成。该系统大部分功能通过硬件来实现，电路简单明了，系统稳定性很高。本文首先介绍了系统组成框图，然后分别介绍各个模块的基础知识和基本功能。本文介绍了一个基于单片机的测温系统,该系统可以方便地实现温度采集、温度显示等功能。本系统的温度控制部分采用单片机完成。本课题的核心部分就是温度采集部分，这个部分使用美国MAXIM公司生产的MAX6675芯片完成，这是一种带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器,它的温度分辨能力为0.25,冷端补偿范围为-20+80,工作电压范围广3.05.5V。与这块芯片一同使用的是一个K型热电偶探棒，这种探棒将温度的变化传递给MAX6675芯片，MAX6675芯片将采集到温度进行冷端补偿之后，再将其转换为数字量，由SPI口送入单片机控制系统，单片机系统经过处理后将其送入LED数码管，显示出当前的温度值。【关键词】：热电偶；单片机；MAX6675芯片；LED数码管；-i-Abstract:Theproposedsystemconsistsofthermocoupletemperaturemeasurement,temperatureconversionchipMAX6675,microcomputer(89c52)anddisplaycomponents.Mostfunctionsofthesystemisrealizedbyhardware,thecircuitissimpleandclear,highsystemstability.Thispaperfirstintroducestheblockdiagramofthesystem,thenintroducesthebasicknowledgeandbasicfunctionsofeachmodule.Thisarticledescribesamicrocomputer-basedtemperaturemeasurementsystemthatcanbeeasilyachievedtemperatureacquisition,temperaturedisplay.Thesystemtemperaturecontrolpartadoptssinglechip.Thecoreofthisthesisisthatthetemperatureacquisitionpart,thispartoftheuseofMAX6675chipproducedbyMAXIMcompanyAmericanfinish,thisisaserialtypeKthermocoupleanalog-to-digitalconverterwithacoldendcompensation,linearcorrection,thermocouplewirebreakdetection,itstemperatureresolvingpoweris0.25,thecoldendcompensationrangeof-20to+80C,workingvoltagerangeof355V.WiththechipisaKtypethermocoupleprobe,theprobewilltransfertemperaturechangestotheMAX6675chip,MAX6675chipwillbecollectedatthetemperatureofthecoldendcompensation,thenconvertedintodigitalquantity,bytheSPIportintotheSCMcontrolsystem,singlechipsystemintothetreatmenttoLEDdigitaltube,displaythecurrenttemperature.Keywords:temperature;microcomputer;chipMAX6675;LEDdigitaltube;-i-目录前言.3第1章热电偶测温总体方案设计.4第1.1节方案选择.4第2章系统模块介绍.6第2.1节温度采集及温度转换模块的介绍.6第2.2节控制模块介绍.10第3章系统设计.15第3.1节软件设计.15第3.2节硬件设计.17第4章系统测试.22第4.1节实物连接.22第4.2节温度测量.22结论.24参考文献.25致谢.26附录.27附录1：实物照片说明.27附录2：部分源程序.28第0页前言在国民经济各部门，如电力、化工、机械、冶金、农业、医学以及人们的日常生活中，温度检测是十分重要的。在许多模拟量控制和监视应用中，温度测控通常是基于-40125温度范围内的应用，如环境监测、蔬菜大棚、粮库、热电偶冷端温度补偿、设备运行的可靠性等应用。实时采集温度信息，及时发现潜在故障，并采取相应的处理措施，对确保设备良好运行具有重要意义。本文介绍了一个基于单片机的测温系统,该系统可以方便地实现温度采集、温度显示等功能。本系统的温度控制部分采用单片机完成。单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、使用电子元件较少、内部配线少、制造调试方便等显著优点，将其用于温度检测和控制系统中可大大地提高控制质量和自动化水平，具有良好的经济效益和推广价值。利用单片机对温度进行测控的技术，日益得到广泛应用。本文中对温度采集的部分是通过使用MAX6675芯片，此款芯片是由美国MAXIM公司开发生产的，它是一种带有线性校正、冷端补偿、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器，它温度的分辨能力为0.25，冷端补偿范围为-20+80，工作电压范围广3.05.5V。显示部分通过LED数码管显示。系统软件主要由初始化程序、主程序、监控显示程序等组成。其中初始化程序是对单片机的接口工作方式，A/D转换方式等进行设置；显示程序包括对显示模块的初始化、显示方式设定及输出显示；主程序则完成对采集数据进行处理。该系统应用范围相当广泛，同时采用单片机技术，由于单片机自身功能强大，因而系统设计简单，工作可靠，抗干扰能力强，也可在此基础上加入通信接口电路，实现与上位机之间的通信。第1页第1章热电偶测温总体方案设计热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响测量的准确性。在冷端采取一定措施进行补偿以消冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。第1.1节方案选择设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。1.1.1.方案一：分立元器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1.1。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分时模数转换LED显示模块热端冷端图1.1分立元器件冷端补偿1.1.2.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。主要包第2页括热电偶、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1.2。热电偶MAX6675单片机LED数码显示图1.2集成电路温度补偿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。这是整篇论文的设计思路，下面章节将分别介绍各个模块的基础知识及设计方法。第3页第2章系统模块介绍第2.1节温度采集及温度转换模块的介绍温度采集模块是本文中的核心模块，通过这个模块来采集温度并通过A/D转换电路将模拟量转换为数字量送入单片机模块，再由LED数码管显示温度，所以本节将作为重点来介绍。这个模块主要就是用K型热电偶温度传感器元件和MAX6675温度转换电路来实现的。2.1.1.热电偶的基础知识热电偶是一种被广泛应用的温度传感器，也被用来将热势差转换为电势差。它的价格低廉、易于更换，且有标准接口，具有很大的温度量程。主要的局限是精度，小于1摄氏度的系统误差通常较难达到。1821年，德国-爱沙尼亚物理学家托马斯约翰塞贝克发现任何导体（金属）被施加热梯度时都会产生电压。现在这种现象被称为热电效应或“Seebeck效应”。若要测量这个电压，必须把“热”端连到另一导体上。增加的导体也会经历热梯度，自身也会产生一个电压，并与原来的电压抵消。幸运的是，热电效应中电压的大小取决于金属的种类。在电路中使用不同的金属会产生不同的电压，这个电压被称为热电势，因此存在一个很小的电压差值可以被测量，这个差值随温度的升高而增大。对于目前常用的金属组合，这个差值通常在1到大约70微伏每摄氏度之间。一些常用的固定组合成为工业标准，如选择热电偶类型时通常考虑到成本、适用、便利、熔点、化学性质、稳定性和输出。由于热电偶产生的电压很小，很多的应用是利用热电偶堆。2.1.2.热电偶分类（1）S型：铂铑10合金/铂这是一种贵金属热电偶，铂铑10合金（铂占90%，铑占10%）为正极，铂为负极。电极直径通常为0.5mm，长期使用温度可达1300，短期使用可达1600,有很好的复现性和稳定性，在国际适用温标中在630.741064.43范围内用它做标准仪器。这种热电偶的热势率较小，平均灵敏度为0.009mV/左右。价格贵，非线性大，不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽的气氛中使用，在真空中可以短暂使用。第4页（2）B型：铂铑30合金/铂铑6合金长期使用的最高温度可达1600，短期可达1800。性能稳定，测试准确度较高，适宜于氧化性介质和中性介质中使用，不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽的气氛中使用。热电势率比S型的更小。（3）K型：镍铬合金或镍铝合金这是最常用的热电偶。温度量程自200到+1200。磁性。敏感度41V/。（4）E型：镍铬合金或铜镍合金高输出（68V/），非磁性。（5）J型：铁或铜镍合金有限量程（40至+750），不可用于760以上，敏感度约为52V/。（6）T型：铜或铜镍合金有限量程（250至+350），敏感度约为43V/。（7）N型：镍铬硅合金或镍硅合金高稳定性，抗高温氧化。可用于高于1200。900时，敏感度39V/，略低于K型。在本文中用到的温度传感器就选用了K型热电偶，也是下面重点介绍的。2.1.3.K型热电偶对于一种温度传感器来讲，K型热电偶一般和记录仪表，显示仪表，和电子调节器配套一起使用。各种生产中从0到1300范围的气体介质和液体蒸汽以及固体的表面温度可以直接用K型热电偶测量。感温元件、安装固定装置和接线盒等组成K型热电偶。K型热电偶是如今使用量最大的廉金属热电偶，它的用量是其他热电偶的总和。K型热电偶丝的直径一般为1.24.0mm。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90:10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni:Si=97：3，其使用温度为-2001300。K型热电偶的优点是线性度好，灵敏度高，热电动势较大，稳定性和均匀性较好，价格便宜，抗氧化性能强，能用于氧化性惰性气氛中。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛。热电偶测温必须由热电偶、显示仪表和连接导线三部分组成。下图是最简单的热电偶测温示意图如图2.2。第5页图2.2热电偶温度计示意图按照上图组成的热电偶蕊及测温电偶丝1，假如将热电偶的热端加热，使冷、热两端的温度变得不同，则在该热电偶的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相接触电势和温差电势两部分组成。接触电势：它是一种热电势，由两种电子密度不同的导体相互接触时产生。当两种不同的导体A和B相互接触，假设导体A和B的电子密度分别为Na和Nb并且NaNb，则在两导体的接触面上，电子在两个方向的扩散率就会不相同，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失去电子从而显正电，导体B获得电子则显负电。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继续进行，同时加速电子向相反的方向运动，使从B到A的电子数增多，最后达到动态的平衡状态。此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。这个电势只和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时，接触电势只和它的接点温度有关。温度越高，则导体中的电子就越活跃，由A导体扩散到B导体的电子就会越多，致使接触面处所产生的电位差越大。下一节中将介绍一种K型热电偶温度转换芯片，也是本课题中要用到的主要芯片。2.1.4.MAX6675芯片介绍在工业检测系统中，热电偶是一种具有结构简单、使用方便、制造容易、测温范围宽、测温精度高等特点的主要测温元件，被广泛应用在工业温度控制过程中。但热电偶输出电势非常微弱，并且存在冷端温度的误差和输出电势与被测温度的非线性问题，容易引起较大的测量误差，特别是在以单片机为核心器件的智能装置中，需要进行复杂的信号放大、查表线性、A/D转换、温度补偿及数字化输出接口等软硬件的设计，软件编写任务重，硬件芯片使用过多，不能够适应现阶段产品集成化、模块化的需要。MAX6675是MAXIM公司推出的K型热电偶串行模数转换器，它能够独立完成信号放大、线性化、冷端补偿、A/D转换以及SPI串口数字化输出功第6页能，很大的简化了热电偶测量智能装置的软硬件设计。本文中所选用的K型热电偶的温度转换芯片是MAX6675。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,它的温度分辨能力为0.25,冷端补偿范围为-20+80,工作电压范围广3.05.5V。芯片如图2.3所示。图2.3MAX6675芯片之所以选择这块芯片是因为MAX6675有众多特点：（1）工作电压：3.05.5V；（2）内部集成有冷端补偿电路；（3）带有简单的3位串行接口；（4）可将温度信号转换成12位数字量；（5）温度分辨率达：0.25；（6）冷端补偿范围：-20+80；（7）内含热电偶断线检测电路；（8）采用SPI3线通讯方式；（9）温度探头K型；（10）K型测温范围0-800度。根据热电偶的测温原理，热电偶的输出热电势不仅仅和测量端的温度相关，而且和冷端的温度有关，使用硬件电路进行冷端补偿时，虽然能够部分改善测量的精度，但是由于热电偶使用环境的不同及硬件电路本身的局限性，效果并不是很明显；而使用软件补偿，一般都是使用微处理机表格法或线性电路等方法来减少热电偶自身非线性带来的测量误差，但同时也加大了程序编制和调试电路的难度。MAX6675第7页对它内部元器件的参数进行了激光修正，内部修正了热电偶的非线性。同时，MAX6675内部集成的非线性校正电路、冷端补偿电路、断偶检测电路都给K型热电偶的使用带来很大的方便。MAX6675的内部集成有冷端补偿电路，带有简单的3位串行SPI接口，可以将温度信号转换成12位数字量，温度的分辨率达到0.25，内部含有热电偶断线检测电路，冷端补偿的温度范围为-2080，可以测量01023.75的温度，基本达到了工业上测量温度的需要。从接口时序可以看出来，当MAX6675的引脚从高电平变成低电平时，MAX6675将停止任何信号的转换并且在时钟SCK的作用下通过SO引脚向外输出已转化的数据（此数据是经过放大了的A/D转换后的数字量与冷端补偿之和）；相反，当从低电平变成高电平的时候，MAX6675将进行新的转换。在引脚从高电平变成低电平时，第一个字节D15出现在引脚SO上，一个完整的数据读过程需要16个时钟周期，数据的读取一般在SCK的下降沿完成。值得指出的是这个芯片的AD转换速度在0.170.22s之间，比之一般的AD转换芯片微秒级的转换速度要长很多。第2.2节控制模块介绍在上一节中介绍了温度采集及温度转换模块的原理，以及实现这一过程所需的器件其中最主要的一个模块就是单片机控制模块，因此在本节中将详细的介绍一下单片机的功用。随着计算机技术的发展，单片机技术已成为计算机技术的一个独特的分支；单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。2.2.1.单片机的基本概念单片机的全称为单片微型计算机。从应用领域看，单片机主要用于控制，所以又称为微型控制器或嵌入式控制器。单片机是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上的微型计算机。2.2.2.芯片AT89C52的功能介绍AT89C52主要功能列举如下：（1）拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash；第8页（2）晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）；（3）内部数据存储器（RAM）为256字节；（4）内部程序存储器（ROM）为8KB；（5）8个中断向量源；（6）32个可编程I/O口线；（7）三级加密程序存储器；（8）三个16位定时器/计数器；（9）全双工UART串行通道。AT89C52部分引脚功能介绍，如图2.4所示。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U3AT89C52图2.4AT89C52的引脚图VCC：AT89C52电源正端输入，接+5V。VSS：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，通常在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统，系统就能动作。另外可以在两引脚与地之间加入一个20PF的小电容，来使系统更加的稳定，防止受到噪声干扰然后死机。RESET：AT89C52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片进行重置的时候，只第9页要对这个引脚电平提升到高电平并且能够保持两个机器周期以上的时间，AT89C52便可以完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器的内容都被设成已知状态，并且到地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。/VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），EA不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，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）。PO口：端口0是一个8位宽的开路基极双向输出端口，一共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）都不具有这个电路组态，而是内部有一个提升电路，P0在当做I/O用时能够推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚是低电平的时候（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式来提供地址总线（A0A7）和数据总线（D0D7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0A7，然后再配合端口2所送出的A8A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。P2口：在访问外部存储器时，P2口可用于输出高八位地址，若当作通用I/O口用，P2口则是一个准双向口。当把口2的某一位作为输入位时，首先要在对应锁存器中写入“1”，它使得输出FET截止。从而使三态缓冲器输入端逻辑电平随输入信号而变，由“读引脚”信号将外部输入信号接通到内部总线，并读入CPU。否则和P0口作为通用I/O口使用时相同。若不予先在锁存器中写入“1”，则输出FET有可能处于导通状态，从而将口线钳位在低电平上，而不可能把高电平输进来，因此称其为准双向口。线路中输入没有锁存，但对内部总线具有三态缓冲门，输出有锁存，符合通常的习惯。复位时，8个锁存器的状态均为高电平，可以当作输入线使用。综上所述，P2口输出有锁存功能，作准双向口使用输入时要先向口写“1”。每根引脚既可以作地址输出，也可以作数据输出和输入。例如，口2可以作为高8位程序计数器输出，高8位数据地址指针输出或者作通用I/O口使用。但一般来说，若P2口已外接程序存储器，由于访问外部存储器的操作不断，P2口不断送出高8位地址，故这时P2口不可能再作通用I/O口使用。只有在仅连接外部数据存储器的系统中，可视访问外部数据存储器的频繁程度或扩充外部数据存储器容量的大小，在一定限度内作一般I/O口使用。P1口：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。第10页如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。P3口：P3口是一个双功能口，第一功能和P2口一样可作为通用I/O口，每位可定义为输入或输出，且是一个准双向口。P3口工作于第二功能时，各位的定义见表2.1。表2.1P3口各位第二功能定义引脚名称作用引脚名称作用P3.0RXD串行输入通道P3.4T0定时器0外部输入P3.1TXD串行输出通道P3.5T1定时器1外部输入P3.20INT外部中断0P3.6WR外部数据存储器写选通P3.31外部中断1P3.7D外部数据存储器读选通2.2.3.中断概述中断是通过硬件来改变CPU的运行方向的。计算机在执行程序的过程中，当出现CPU以外的某种情况时，由服务对象向CPU发出中断请求信号，要求CPU暂时中断当前程序的执行而转去执行相应的处理程序，待处理程序执行完毕后，再继续执行原来被中断的程序。这种程序在执行过程中由于外界的原因而被中间打断的情况称为“中断”。当有中断标志时，CPU会调用一段特定的函数，称为中断服务函数，与程序中函数的调用是不同的。程序中的一般函数是由主函数或其他函数调用的，而中断服务函数不能被其他函数调用；一般函数的调用在程序中是固定的，而中断服务函数的执行完全是随机的。与中断有关的寄存器有4个，分别为中断源寄存器TCON和SCON、中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP；中断源有5个，分别为外部中断0请求、外部中断1请求、定时器0溢出中断请求TF0、定时器1溢出中断请求TF1和串行中断请求RI或TI。5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器IP和顺序查询逻辑电路共同决定，5个中断源分别对应5个固定的中断入口地址。两个外部中断是（P3.2）引脚、（P3.3）引脚上输入的外部中断源，0INT1INT低电平或负跳变有效，在每个机器周期的S5P2状态采样，并相应置位TCON中的IE0和IE1中断请求标志。三个内部中断是定时器/计数器T0的溢出中断源、定时器/计数器T1的溢出中断第11页源和串行接口的发送/接收中断源，对T0和T1中断，当定时计数回“0”溢出时，由硬件自动置位TCON中的TF0或TF1中断请求标志位；对串行接口接收/发送中断，当完成一串行帧的接收/发送时，由硬件自动置位SCON中的中断请求标志位T1或R1。第12页第3章系统设计第3.1节软件设计系统软件设计主要包含主程序、温度采集转换子程序、显示子程序等功能模块。其程序总流程图如3.1所示。主程序主要完成子程序的调用，并对温度数据进行快速的算法处理；温度采集转换子程序负责将MAX6675转换来的温度数字量读入单片机并完成温度值的处理得到12位数字温度值；显示子程序主要将计算后的温度值进行显示。3.1.1.主程序设计主程序主要完成子程序的调用，并对温度数据进行快速的算法处理。主程序首先对系统进行初始化处理，然后调用一次温度采集转换程序，之后根据计算原理得到测量温度值，最后对温度值进行量程判断、数据显示处理。图3.1主程序流程图3.1.2.子程序流程图温度测量转换是通过MAX6675芯片将热势差进行A/D转换，将模拟量转化为数字量，然后通过单片机模块和LED模块将温度显示出来。系统初始化调用采集转换子程序计量温度值调用显示子程序开始第13页图3.2温度测量转换子程序流程图显示是检验程序结果最直接也最简单的硬件设计，其流程如下图。图3.3显示模块流程图调用温度十进制设置值转换成十六进制存入5AH调用温度测量子程序调用测量值转换为温度值子程序开始返回入栈读取数据地址送位选码跳到下一个显示出栈是否显示到尾数NYLED显示入口返回第14页第3.2节硬件设计前几节已经将各个模块的原理及功用都介绍过了，一切准备好之后，接下来的工作就是对课题硬件部分的设计了。本次课题中的硬件电路设计是在单片机开发板上进行设计的，如图3.4所示。在将MAX6675芯片的SPI接口与单片机相接，再将采集到的温度通过P端口送入数码管显示，课题中用到的MAX6657芯片及采集温度用到的探棒如图3.5所示。图3.4单片机开发板图3.5MAX6675芯片及探棒第15页3.2.1.原理图在进行实物焊接之前，先要画出系统的原理图，课题中通过画图软件画出的整个原理图以及各模块的原理图，如图3.6所示。图3.6基于单片机的测温系统的原理图3.2.2.温度采集转换模块原理图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3.7所示，热电偶的功能是检测冷、热两端温度的差值，热电偶热节点温度能够在0+l023.75之间变化。冷端就是安装MAX6675的电路板周围温度，这个温度在-20+85之间变化。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。这个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。当热电偶第16页的冷端和芯片温度相等时，MAX6675可获得最佳的测量精度。所以在实际测温应用时，我们应该尽量避免在MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样容易造成冷端误差。图3.7温度采集模块原理图3.2.3.单片机最小系统原理图本文控制电路选用AT89C52对其外围电路进行控制，其接口电路如图3.8。由于AT89C52不具备SPI总线接口,设计中采用模拟SPI总线的方法实现与MAX6675的接口。其中P1.6模拟SPI的数据输入端与SO相连,P1.4模拟SPI的串行时钟信号与SCK相连,P1.5模拟SPI的从机选择端与CS相连,电路中主机为AT89C52,从机为MAX6675。单片机的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7和P0口分别通过相应的电路对数码管的位码和段码进行控制。系统通过AT89C52的P1.4给MAX6675发送串行时钟，P1.6用来接收MAX6675输出的串行温度数据,P1.5输出的低电平将MAX6675的置零,用于选通MAX6675工作。系统配有4位数码管显示,小数点设在十位后边,可测温度为0800,分辨率达到0.25。第17页图3.8单片机最小系统模块原理图3.2.4.LED显示模块原理图设计使用的是四个共阴数码管，当89C52单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接74573等总线驱动器。本文温度显示电路设计是由四个共阴数码管通过三态双向总线收发器芯片74573跟单片机相连接，其电路如图3.9所示。其中74573三态控制引脚接地，数据由单片机向数码管传输。数码管的位的选择通过单片机P2端口进行控制。P2端口对应的位被给予高电平，相应的数码管的位被选中，这样可方便的对数码管进行控制。第18页图3.9LED数码管显示模块原理图第19页第4章系统测试第4.1节实物连接根据上一节的原理图利用单片机开发板连接的实物图如图4.1所示，系统能够正常运行。图4.1测温系统实物图第4.2节温度测量用实物图测出的几个温度数据如图4.2,4.3所示图4.2测量的温度第20页图4.3测量的温度第21页结论本文主要介绍了基于热电偶温度传感器的测温系统。本文对系统原理进行了简单的概述，着重分析了系统的硬件设计方案跟软件设计方案。最后对系统进行了硬件设计，很好的完成了设计要求。本文主要采用了K型热电偶、K型热电偶专用数字转换芯片MAX6675、AT89C52单片机进行相关设计。MAX6675是将热电偶测温应用时冷端补偿、复杂的线性化以及数字化输出等问题集中在一个芯片上解决，大大简化将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域时复杂的软硬件设计，所以该器件是将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域的最佳选择。毕业设计是我们在大学期间的最后一门课程，也是能将大学期间最重要的几门理论课联系实际的课程，由此可知毕业设计的重要性。在吴文明老师的精心指导和其他同学的帮助下，经历三个多月的努力和实践，我终于完成了毕业设计，并且在此次毕业设计的实践中获益良多。这次毕业设计让我们有机会将大学四年所学的专业课程与实际的实践紧密联系起来，加深了我们对理论知识的理解和掌握，开阔了我们的视野，最重要的是锻炼了我们勤于思考问题的能力，熟练使用电脑办公软件的能力，独立查阅资料的能力，分析问题与解决问题的能力，以及操作专业软件的能力，让我们基本具备了一个工程技术人员应有的素养。通过本学期的毕业设计巩固了我们的基础知识，培养了我们的创新意识，以及集体协作等多方面的综合素质。这些都将会让我们在将来的工作和学习当中受益匪浅。然而，由于基础知识的掌握还不够牢靠，准备的时间不够充分等原因。我在设计的实用性方面还存在不足之处，还有很多不尽人意的地方。希望在将来工作实践当中，进一步提高自己、完善自己。第22页参考文献1程德福，王君，凌振宝，等.传感器原理及应用M.北京：机械工业出版社，2007.103143.2河道清.传感器与传感器技术M.北京：科学出版社，2004.188201.3路立平,冯建勤,鹿晓力.温度传感器的热时间常数及其测试方法J.仪器仪表传感器，2005：17-184丁来玲,王磊.动态温度测量加速方法研究J.测控技术，1998，6：42-44.5虞致国,徐健军.MAX6675的原理及应用J.国外电子元器件，2002,(12)：41-43.6沙占友.集成化智能传感器原理与应用M.北京：电子工业出版社，2004.7096.7马天艳，马天虹.热电偶测温及其冷端温度补偿J.工业计量,2005,15(6):31-32.8王霄实现热电偶电势非线性补偿的软件方法J耐火材料，1998，32(2)：36-38.9韩玉杰.基于MAX6675的烘炉温度追踪仪的研究及设计J.自动化仪表,2006,27(5):59-61.10李华.MCS51系列单片机实用接口技术.北京:北京航空航天大学出版社1993.11潘永雄.新编单片机原理与应用M.西安：西安电子科技大学出版社,2003.12沙占权,葛家怡,王彦朋.热电偶冷端补偿电路的优化设计J.电测与仪表,2003,451（7):26-28.13陈羿，周东祥热电偶热电势温度特性的线性化处理J仪表技术与传感器，1999，3