毕业设计（论文）-基于热电偶温度传感器的高速测温系统设计

高等教育自学考试毕业论文学生姓名考籍号专业年级电子工程题目热电式传感器温度控制系统设计指导教师向诚姓名专业技术职务评阅教师姓名专业技术职务2012年3月目录中文摘要I1绪论12系统原理概述321快速测温的算法实现322热电偶测温基本原理423热电偶冷端补偿方案确定5231分立元气件冷端补偿方案5232集成电路温度补偿方案6233方案确定724硬件组成原理725软件系统工作流程73硬件设计931热电偶简介9311热电效应9312热电偶基本定律11313热电偶温度补偿11314热电偶的结构形式12315K型热电偶概述13316K型热电偶特点1432具有冷端补偿的数字温度转换芯片MAX6675功能简介14321冷端补偿专用芯片MAX6675性能特点15322冷端补偿专用芯片MAX6675温度变换16323冷端补偿专用芯片MAX6675的冷端补偿问题17324冷端补偿专用芯片MAX6675的热补偿跟噪声补偿问题17325冷端补偿专用芯片MAX6675测量精度的提高方法17326冷端补偿专用芯片MAX6675的温度读取1733单片机选择及部分功能简介18331AT89C51单片机的SPI实现2034路同相三态双向总线收发器74LS2452135硬件电路详细设计21351温度采集电路21352显示电路22353报警电路24354单片机控制电路254软件设计2641主程序设计2742温度采集转换程序设计2843显示程序设计305系统仿真3151PROTEUS概述3152系统仿真结果31结束语33致谢34参考文献35基于热电偶温度传感器的高速测温系统设计摘要本文主要介绍了基于热电偶温度传感器的快速测温系统的设计。本文综合考虑到热电偶的热惰性时间常数问题，采用快速算法实现了温度快速测量的功能。快速算法思想是在等时间间隔内快速采集三个温度数据，然后根据它们与热时间常数、初始温度以及稳定后的温度之间的关系，最后得出稳定后温度的数学计算公式，从而得到所测量的温度值。本文采用了带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675、K型热电偶、89C51单片机、数码管等元器件设计了相应温度采集电路、温度转换电路、温度控制电路、超量程报警电路、数码管显示电路。结合硬件电路给出了相应的软件设计，测温精度可达到025。本系统的工作流程是首先热电偶采集温度，数据经过MAX6675内部电路的处理后送给单片机进行算法处理，最后通过数码管电路显示出测量温度。本设计最后对系统进行了PROTUSE的调试和仿真，实现了设计的要求。关键词温度传感器热电偶热时间常数冷端补偿1绪论温度是反映物体冷热状态的物理参数，对温度的测量在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工、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04S内完成等。因此针对以上问题就有人提出温度快速测量的思想。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的温度测量中可以满足响应速度的问题。但在特殊的场合就不能达到快速检测的要求，例如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1。所以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。在工业过程控制与生产制造领域普遍使用具有较高测温精度及测温范围的热电偶做测温元件。在工业标准热电偶中,K型镍铬镍硅热电偶由于具有价格低廉、输出热电势值较大、热电势与温度的线性关系好、化学稳定性好、复制性好、可在1000下长期使用等特点,因而是工业生产制造部门应用最广泛的热电偶元件。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2。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。冷端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显然无法直接满足这个要求。在许多热工实验中，往往面临热电偶冷端温度问题,不管是采用恒温补偿法冰点补偿法还是电桥补偿法,都会带来实验费用较高、实际的检测系统较复杂难以达到实时测量、接口转换电路复杂等问题,而随着计算机测控技术在工业生产制造领域的普遍应用,温度参数的微机化测量与控制已成为必然趋势。因此我们必须解决对热电偶测量信号的放大调理、非线性校正、冷端补偿、模数转换、数字输出接口等一系列复杂的问题,以及解决模拟与数字电路硬件设计过程和建表、查表、插值运算等复杂的软件编制过程,以达到使电路简化,成本减少,增加系统可靠性的目的。鉴于上面的分析,本论文主要任务是设计一种基于高精度K型热电偶传感器的快速测温系统。采用带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675、K型热电偶、89C51单片机、数码管等元器件设计出相应温度采集电路、温度转换电路、温度控制电路、超量程报警电路、数码管显示电路。系统用单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675进行控制,要达到任务书中的技术指标，并对系统进行PROTUSE的调试和仿真试验，使其具有良好的实用性能，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系统原理概述21快速测温的算法实现热电偶测温系统测温时，温度是一个缓慢上升的过程，且温度随时间的变化并不是一个线性的过程，因此要实现快速测温就要考虑热电偶的热惰性时间常数问题3，采用合理的软件算法。下面就从基本算法着手，其原理就是在等间隔的时间点T1、T2、T3连续采集三个温度值，然后根据采集温度值跟热时间常数17、初始温度、稳定后的温度之间的关系、最后得出的数学计算公式4，从而得到所测0TTT量温度值。测温时，时间随着温度变化如图21所示。个个T个个TT1T2T30T123图21时间随着温度变化曲线由温度与时间及时间常数关系式（21）TETTT0当T分别为T1、T2、T3时（22）101TT（23）22TETT（24）303TT由式子（21）得（25）TTET0当T分别为T1、T2、T3时，则有（26）TET011（27）TTT022（28）TET033由式子（26）式子（27）得（29）TTET2112由式子（27）式子（28）得（210）TET3223因为T1、T2、T3时间间隔相等，则T3T2T2T1，可得（211）TTTT321整理式子（211）得（212）231TT由式212可知稳定后的温度只跟采集的三个温度值相关，此算法与时间常数等未知量都不相关。所以通过此算法只要在等间隔的时间内快速采集三个温度值，通过软件算法计算就可实现温度的快速测量。22热电偶测温基本原理热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路2，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端（热端），温度较低的一端为自由端（冷端），自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。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相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后即可知道被测介质的温度。热电偶的热电势，应注意如下几个问题1、热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；2、热电偶所产生的热电势的大小当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；3、当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关。若热电偶冷端的温度保持一定，这时热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。23热电偶冷端补偿方案确定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，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。231分立元气件冷端补偿方案方案一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22。个个个个个个个个个个个个个个个个个AD个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个图22分立元气件冷端补偿232集成电路温度补偿方案方案二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5。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的测量结果，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23。个个个个个个个个个个个MAX6675个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个图23集成电路温度补偿233方案确定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。24硬件组成原理本系统硬件主要由热电偶温度采集电路、MAX6675温度处理电路、89C51单片机控制电路、超量程报警电路和数码管显示电路组成。热电偶采用分度号为K的热电偶，为了减少外界信号的干扰通过双绞线跟MAX6675芯片直接相连接。MAX6675芯片通过SPI串行接口传输数据，采用的89C51单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675进行控制。本系统设计还具有报警的特点，当所测量的温度低于零摄氏度或者高于400摄氏度时报警电路发出警报。显示电路由89C51单片机通过锁存器对四位共阳数码管控制，数码管工作需要较大的电流采用型号为8550的PNP三极管进行控制，当所测温度在规定范围内时就可以通过数码管快速显示出来。25软件系统工作流程系统的软件工作流程为热电偶采集的温度数据；温度数据经过MAX6675内部电路的AD转换、冷端补偿、内部校正6；温度转换电路将处理后12位数字温度量以串行方式送给单片机；单片机将数字量进行软件算法处理；如果测量温度在测量范围内，最后通过数码管显示出测量温度；如果超出测量范围由单片机控制使报警电路报警。其软件工作流程图如图24。热电偶温度数据采集MAX6675将采集的数据处理为数字量单片机通过算法编程达到快速测温效果温度高于或低于某一温度值报警温度在测量范围内显示图24系统软件工作流程图3硬件设计31热电偶简介热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它是将温度量转换为电量变化的装置。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位。311热电效应当两种不同材料的导体或半导体连成闭合回路时，将两个接点分别置于温度为T和T0的热源中，该回路内会产生热电势2。热电势的大小反映两个接点温度差，保持T0不变，热电势随着温度T变化而变化。测得热电势的值，即可知道温度T的大小。图31热电偶测温原理图产生的热电势由两部分组成温差电势和接触电势。接触电势产生的原因由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，（NANB，A到B）在接触处失去电子的一侧带正电，得到电子的一侧带负电，形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势和可表示为TEAB0AB（31）BTANEKLN（32）0LN00BTAABNEKTE式中波尔兹曼常数；单位电荷电量；、和、分别KABT0AN0BT在温度为和时，导体A、B的自由电子密度。T0同一导体温差电势是由同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，形成一个静电场，该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此，在导体两端便形成温差电势，其大小由下面公式给出（33）DTTEAA0,汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势。热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和。,0000TETETEABABAB（34）DNKTABBBTLNLN0在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，在精度要求不高的情况下，热电偶的热电势可近似表示为（35）,00TETEABAB对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即（36）,0TFCETABAB实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。热电偶回路的几点结论1、如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。2、如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。3、热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。312热电偶基本定律中间导体定律利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导体，只要其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。均质导体定律由一种均匀介质导体组成的闭合回路，不论导体的截面、长度以及各处的温度分布如何，均不产生热电势。换句话说如果热电偶的两根热电极是由两种均质导体组成，那么热电偶的热电势仅与两接点温度有关，与沿热电极的温度分布无关。如果热电极为非均质导体，当处于具有温度阶梯的情况时，将会产生附加电势，引起测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的主要指标之一。参考电极的实用价值在于它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。用作参考电极标准电极的材料，目前主要为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定。中间温度定律热电偶AB在接点温度为、,0,0TETECABCABABT中间温度为该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温0TCT回路中,利用热电偶这一性质10,可对参考端温度不为0的热电势进行修正。图32热电偶中间导体示意图313热电偶温度补偿从热电偶测温基本公式可以看到，对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度T和自由端温度T0有关即（37）,0TETEABAB热电偶的分度表是以T00作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，参考端温度往往不为0，那么工作端温度为T时，分度表所对应的热电势与热电偶0,TEAB实际产生的热电势之间的关系可根据中间温度定律得到下式,0TEAB（38）0,0TETABAB由此可见，是参考端温度T0的函数，因此需要对热电偶参考端温度进行处,TAB理。常用的补偿方法有781、冷端恒温法；2、补偿导线法；3、计算修正法；4、电桥补偿（又称冷端补偿器）法；5、显示仪表零位调整法；6、软件处理法。314热电偶的结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件、热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。其结构图如图33所示。图33普通结构热电偶铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。其结构图如图34所示。图34套管热电偶结构图薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料，用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶，薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到00101M）,具有热容量小，反应速度快等的特点，热相应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。其结构图如图35所示。图35薄膜热电偶结构图315K型热电偶概述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。图36K型热电偶镍铬偶（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1240MM。正极（KP）的名义化学成分为NICR9212，负极（KN）的名义化学成分为NISI993，其使用温度为2001300。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。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316K型热电偶特点K型热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。必须配和二次仪表使用其优点是测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从501600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到269（如金铁镍铬），最高可达2800（如钨铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。32具有冷端补偿的数字温度转换芯片MAX6675功能简介MAX6675是美国MAXIN公司生产的基于SPI总线的专用芯片9，不仅能对K型热电偶进行冷端补偿，还能对热电势信号作数字处理，具有很高的可靠性和稳定性，可广泛应用于工业、仪器仪表、自动化领域等。其内部结构框图如图37所示。图37MAX6675内部结构框图321冷端补偿专用芯片MAX6675性能特点MAX6675的主要特性如下简单的SPI串行口温度值输出。0L024的测温范围。12位025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2085。2000V的ESD保护。该器件采用8引脚50贴片封装。引脚排列如图38所示，引脚功能如表31。图38引脚功能图表31引脚功能表引脚名称功能1GND接地端2TK型热电偶负极3TK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8NC空引脚322冷端补偿专用芯片MAX6675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，同时使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，被送至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，电压变化率为41V/，电压可由线性公式VOUT41V/TRTAMB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。323冷端补偿专用芯片MAX6675的冷端补偿问题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0L02375范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，此温度在2085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。324冷端补偿专用芯片MAX6675的热补偿跟噪声补偿问题在测温应用中，芯片自热将降低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。MAX6675的测量精度对电源藕合噪声较敏感。为降低电源噪声的影响，可在MAX6675的电源引脚附近接入1只01UF陶瓷旁路电容。325冷端补偿专用芯片MAX6675测量精度的提高方法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；在恶劣环境中，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。326冷端补偿专用芯片MAX6675的温度读取MAX667多采用标准的SPI串行外设总线与MCU接口，且MAX6675只能作为从设备。MAX6675S0端输出温度数据的格式如图39所示，MAX6675SPI接口时序如图310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S0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L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，并使接地点尽可能接近GND脚；第1位为低以提供MAX6675器件身份码，第0位为三态。图39MAX6675S0端输出温度数据的格式D14D3为12位数据，其最小值为0，对应的温度值为0；最大值为4095，对应的温度值为102375；由于MAX6675内部经过了激光修正，因此，其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为温度值102375转换后的数字量/4095图310MAX6675SPI接口时序33单片机选择及部分功能简介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。AT89C51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MCS51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，其外观引脚图如下图311AT89C51外观引脚图AT89C51提供以下标准功能124K字节的FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，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P0P3，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。P0P3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。331AT89C51单片机的SPI实现串行外围设备接口SPI（SERIALPERIPHERALINTERFACE）总线技术是MOTOROLA公司推出的一种同步串行接口，MOTOROLA公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口。SPI用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI可以同时发出和接收串行数据。它只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯，这四条线是串行时钟线（CSK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）、低电平有效从机选择线CS。当SPI工作时，在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器（高位在前）。发送一个字节后，从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。主SPI的时钟信号（SCK）使传输同步。其时序图如下图312SPI总线时序图对于不带SPI串行总线接口的AT89C51单片机来说，可以使用软件来模拟SPI的操作13，包括串行时钟、数据输入和数据输出。对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。对于在SCK的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时钟输出口P11（模拟MCU的SCK线）的初始状态设置为1，而在允许接口后再置P11为0。这样，MCU在输出1位SCK时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至MCU的P13口（模拟MCU的MISO线），此后再置P11为1，使单片机从P10（模拟MCU的MOSI线）输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。此后再置P11为0，模拟下1位数据的输入输出，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为0，即在接口芯片允许时，先置P11为1，以便外围接口芯片输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再置时钟为0，使外围接口芯片接收1位据MCU发送1位数据，从而完成1位数据的传送。34路同相三态双向总线收发器74LS24574LS245是我们常用的芯片，用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。其引脚图如下图31374LS245引脚功能图74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。当89C51单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。当片选端E低电平有效时，DIR“0”，信号由B向A传输；（接收）DIR“1”，信号由A向B传输；（发送）当E为高电平时，A、B均为高阻态。由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。P0口与74LS245输入端相连,E端接地，保证数据线畅通。89C51的/RD和/PSEN相与后接DIR，使得RD且PSEN有效时，74LS245输入（P01D1），其它时间处于输出（P01D1）。35硬件电路详细设计351温度采集电路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14。但是，热电偶的应用却存在着非线性、冷端补偿、数字化输出等几方面的问题。设计中采用的MAX6675是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，其电路如图314所示。K型热电偶的两端分别跟MAX6675芯片的T跟T相连，为了允许热电偶断路检测，T引脚必须接地。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，在MAX6675的电源引脚附近接入1只01F陶瓷旁路电容。温度由热电偶采集，然后将数据直接送给冷端补偿芯片MAX6675芯片进行处理，处理后送给单片机控制电路，完成简单的温度采集过程。2345678U0MAXGNDTVCSOUFP偶图314温度采集电路原理图352显示电路LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件，是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个或一个笔画发光，控制不同组合的二极管导通，这就能显示出不同字符。七段LED共有8个发光二极管，其中7个发光二极管七端字形“8”，一个发光二极管构成小数点。发光二极管阴极连在一起的称为共阴极显示器，如图315A所示。共阴极LED显示器的发光二极管阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，即逻辑电平“1”时，发光二极管点亮。发光二极管阳极接在一起的称为共阳极显示器，如图315B所示。共阳极LED显示器的阳极接在5V电压源上，当某个发光二极管的阴极为低电平，即逻辑“0”时，发光二极管点亮。共阴极显示器B共阳极显示器图315七段LED显示器内部结构图点亮显示器有静态和动态两种方式。所谓静态显示就是显示器在显示某个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。这种显示方式每个显示器都需要一个8位输出口控制，需要硬件多，适用于显示位数较少的场合。当显示位数较多时采用动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各位显示器，对于每位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的点亮和点亮时的导通电流有关，还与点亮时间和间隔时间有关，调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。本设计使用的是一个四位共阳数码管，当89C51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74LS245等总线驱动器。本文温度显示电路设计是由一个4位共阳数码管通过三态双向总线收发器芯片74LS245跟单片机相连接，其电路如图316所示。其中74LS245的片选跟三态控制引脚接地，数据由单片机向数码管传输。数码管的位的选择通过8550三级管进行控制，三级管基极通过限流电阻跟单片机的I/O口相连接，当端口为高电平时，三极管截止，当给端口为低电平时三极管导通，数码管相应的位被选中。这样可方便地对数码管每一位进行单独控制。R3R10为限流电阻。三极管饱和开通时，集电极发射极之间电压取CEV05V，数码管的压降取2V，数码管的工作电流取5MA15MA。则限流电阻可这FVFI样计算获得（39）FCECFIVR把数据带入式子（39）得可取值170500现取。为保证三极管F240FR可靠开通关断，且要求数码管的亮度适量较高，基极电阻R11R14可适量取小值，本设计取基极电阻为470。12R3407G9DIAB865ULSABFCGDEPYPCEQV图316数码管显示电路353报警电路蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。超量程报警电路如图317所示。蜂鸣器的正极接到VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R17后由单片机的P20引脚控制，当P20输出高电平时，三极管Q6截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P20输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P20引脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。三级管基极电流IB为1MA5MA时就足够进入开关状态了，三极管导通时蜂鸣器跟三极管分压很小，电阻R17两端分压约为5V，三级管放大倍数为100左右，流过三级管CE的电流IC约为500MA左右这足够三极管饱和导通的条件，所以R17的阻值选用1K比较合理。KN图317报警电路原理图354单片机控制电路本文控制电路选用AT89C51对其外围电路进行控制，其接口电路如图318。由于AT89C51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P10模拟SPI的数据输入端与SO相连,P11模拟SPI的串行时钟信号与SCK相连,P12模拟SPI的从机选择端与CS相连,电路中主机为AT89C51,从机为MAX6675。单片机的P20用来控制系统的超量程报警。单片机的P24、P25、P26、P27和P0口分别通过相应的电路对数码管的位码和段码惊醒控制。系统通过AT89C51的P11给MAX6675发送串行时钟，P10用来接收MAX6675输出的串行温度数据,P12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0400,分辨率达到025。P07326189VCALE/ROGSNTXDIWUYMHZFKUBSPEAKR图318单片机与其它电路接口图4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、延时子程序、超量程报警子程序、显示子程序等功能模块。其程序总流程图如41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；超量成报警子程序主要判断温度值是否超出测量范围；显示子程序主要将计算后的温度值进行显示。个个个个MAX6675个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个0400个个个个个个个个个个个个个个个个个图41系统总程序流程图41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，然后每隔05秒调用一次温度采集转换程序，调用三次，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。其流程图如42所示。个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个3个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个05个图42主程序流程图42温度采集转换程序设计采集转换程序主要是MAX6675的操作14。MAX6675是以SPI方式输出数据的。其过程如下单片机使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1位为低以提供MAX6675器件身份码，第0位为三态。当12位全为0时,说明被测温度为0；12位全为1，则被测温度为102375。由于MAX6675内部经过了激光修正,因此转换的数字量与被测温度值之间具有较好的线性关系，可由下式给出温度值102375转换后的数字量/4095。下面给出相应的程序设计，其程序流程图如43所示。UINTRE_CONVERT/采集转换程序UCHARIUINTP_TEMP20SCK0S00CS0FORI0I3/12位温度数据提取RETURNP_TEMP2P_TEMP20DELAY200/数据转换时间大约需要170MS个个个个1个个个个个个170MS16个个个个个个个12个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个图43温度采集转换流程图43显示程序设计显示子程序主要是对经过单片机处理后的温度值进行显示处理。采用四位共阳数码管显示，首先将处理后的温度数据扩大十倍，然后分别提取百位、十位、个位、小数位的数值，并使其分别在相应的数码管位上动态显示出来。百位、十位、小数位显示采用不带点的断码；个位的显示采用带点的段码，其显示效果可以精确到十分位，其程序流程图如44所示。个个个个个个个个1000个个个个个个10个个个100个个个个10个个个个个个个个个个个个个个个个1000个个个个个个个个个个个个个个个个1000个个个个100个个个个个个个个个个个个个个个个10个个个个个个个个个个个个个个图44显示程序流程图5系统仿真51PROTEUS概述PROTEUSISIS是英国LABCENTER公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于WINDOWS操作系统上，可以仿真、分析SPICE各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KEILC51UVISION2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。52系统仿真结果根据系统的硬件电路设计跟软件设计，本文对系统做了一些简单的仿真测试，简化了基本原理图达到了预期的效果。其仿真效果图如51、52、53，所示。图51温度为0时仿真图图52温度为375仿真图图53温度为318时仿真图结论本文主要介绍了基于热电偶温度传感器的快速测温系统。该系统综合考虑到热电偶的热惰性时间常数问题，采用快速测温算法实现了温度快速测量的功能。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。最后对系统进行了仿真实验，很好的完成了设计要求。本文主要采用K型热电偶、K型热电偶专用数字转换芯片MAX6675、AT89C51单片机进行了相关设计。MAX6675将热电偶测温应用时复杂的线性化、冷端补偿及数字化输出等问题集中在一个芯片上解决，简化了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，因而该器件是将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域的理想选择。根据快速算法的原理通过AT89C51单片机软件编程实现了温度的快速测量。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。在路立平路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，并在此次毕业设计的实践中