基于热电偶温度传感器的高速测温系统设计毕业论文

1、本科半jk设计题 目基于热电偶温度传感器的高速测温系统设计学生姓名专业班级学 号院（系） 指导教师村觀i英文摘要ii1绪论12系统原理概述32.1快速测温的算法实现32.2热电偶测温基本原理42.3热电偶冷端补偿方案确定52.3.1分立元气件冷端补偿方案52.3.2集成电路温度补偿方案62.3.3方案确定72.4硬件组成原理72.5软件系统工作流程73硬件设计93.1 热电偶简介93.1.1 热电效应93.1.2热电偶基木定律113.1.3热电偶温度补偿113.1.4热电偶的结构形式123.1.5 k型热电偶概述133.1.6 k型热电偶特点143.2具有冷端补偿的数字温度转换芯片max667

2、5功能简介.143.2.1冷端补偿专用芯片max6675性能特点153.2.2冷端补偿专用芯片max6675温度变换163.2.3冷端补偿专用芯片max6675的冷端补偿问题173.2.4冷端补偿专用芯片max6675的热补偿跟噪声补偿问题173.2.5冷端补偿专用芯片max6675测量精度的提高方法173.2.6冷端补偿专用芯片max6675的温度读取il3.3单片机选择及部分功能简介183.3.1 at89c51单片机的spi实现203.4路同相三态双向总线收发器74ls245 213.5硬件电路详细设计213.5.1温度采集电路213.5.2 显示电路223.5.3 报警电路243.5.

3、4 单片机控制电路254 软件设计264.1 主程序设计274.2温度采集转换程序设计284.3显示程序设计305 系统仿真315.1 proteus 概述315.2 系统仿真结果31结束语33醐34参考文献35附录36基于热电偶温度传感器的高速测温系统设计摘 要本文主要介绍丫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吋间常数问题，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。本文采用丫带有冷端补

4、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砬温度采集电路、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0.25°c。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丫 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based on thermocouple temperaturesensor high-speed temp

5、eraturemeasuring system designabstractthis design describes the thermocouple temperature sensor based on the rapid temperature measurement system. this comprehensive taking into account the thermal inertia of the thermocouple time constant problem, the use of fast algorithm features fast measurement

6、 of temperature. fast algorithm idea is: in the other three intervals quickly acquire temperature data，and then based on they contact with thermal time constant，initial temperature and stable temperature, finally, temperature formula is given, so we can obtain the measured temperature values.this de

7、sign uses a temperature conversion chip max6675, k-type thermocouple， 89c51 microcontroller，led and other components，design corresponding temperature acquisition circuit，temperature converter circuit，temperature control circuit，over-range alarm circuit，the led display circuit. with the hardware give

8、 out the corresponding software design, temperature measurement accuracy up to 0.25 °c. the system works is: first acquisition thermocouple temperature data through the treatment of the of the max6675 internal circuit and be then sent to 89c51 aim for rapid algorithm processing. finally，the led

9、 circuit shows the measurement temperature values. in the last，the design of the system was protuse debugging and simulation,achieve the design requirements.key words temperature sensor thermocouple thermal time constant cold junction compensation1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、

10、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, 就要求热响应吋间小于is;航天飞机的主发动机的温度测量要求0.4s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

11、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/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uj。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人。在工

12、业过程控制与生产制造领域普遍使用具奋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1000oc 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21。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°c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

13、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。在许多热工实验屮，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，都会带來实验费用较高、 实际的检测系统较复杂.难以达到实时测量、接u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己成为必然 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

14、过程，以达到使电路简化，成本减少，增加系 统可靠性的s的。鉴于上面的分析，木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a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2.1快速测温的算法实现热电偶测温系统测温吋，温度

15、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l3j， 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t,、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|l7|r、初始温度7；、稳定后的温度7；之间的关系、最后得出7；的数学计算公式|41,从而得到所测量温度值。测 温时，时间随着温度变化如图2-1所示。图2-1时间随着温度变化曲线 由温度与时间及时间常数关系式：当t分别为ti、t2、t3时:r(r)= r, +(r0-r,)/t(t2) = te+(t,-t0)er(r3)= r, +

16、(r0-7；)/(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)由式子（2-1）得当t分别为h、t2、t3时，则有:d n，) - 7；t,-te(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)(2-9)由式子（2-6） +式子（2-7）得：由式子（2-7） +式子（2-8）得：)-7；(2-10)因为ti、t2、t3时间间隔相等，t3-t2=t2-ti,可得:(2-11)r（r,）-r, =r（r2）-r, t-tt（t3）-t0整理式子（2-11）得：tor2(z2)-7).7) 2r(r2)- r(z,)- r(r3)(2-12)由式（2-12）可知稳定后的温度只跟采集的三个温度值相关，此算法与吋间常数

17、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。2.2热电偶测温基本原理热电偶测温的基木原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路l2j，当两端存在 温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时w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fl由端（冷端），&由端通常处于某个恒定的温度k。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b由端温度在o'c时的条件k得到 的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶冋路中接入第三种金

18、属材料吋，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吋，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。2.3热电偶冷端

19、补偿方案确定热电偶测量温度时耍求其冷端（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。2.3.1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吋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2-2。图2-2分立元气件冷端补偿2.3.2

20、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温度转换芯片兵有冷端 温度补偿及对温度进行数字化测量这w项功能l5j。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，男一方而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门输出的测量结果，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 2-3 o图2-3集成电路温度补偿2.3.3方案确定综合对比以上w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

21、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。2.4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

22、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。2.5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。苏软件工作流程图如图2-4。热电偶温度数据采集max6675将采集的数据处理为数字量单机通过算法编程达到快速测温效果温度高于

23、或低于温度在测量某一温度值报警范围内显示图2-4系统软件工作流程图3硬件设计 3.1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，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。3.1.1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to的热源中，该回路内会产生热电势l2j。热电势的大小反映两个接点温度差，保 持to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3-1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

24、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eafi(r0)可表示为:eab(t) = n(3-1)bteab(t =(3-2)式中：尺一波尔兹曼常数；6 一单位电荷电量；nat、n町和nat。、一分别在 温度为r和r(,时，导体a、b的自由电子密度。同一导体温差电势是由同一导体的w端因其温度不同面产生的一种热电势。同一 导体的两端温度不同时，高

25、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：ea(t,t) = 1raadt(3-3)汤姆逊系数，表示导体a两端的温度差为rc吋所产生的温差电动势。热电偶回路屮总的热电势应是接触电势与温差电势之和。= eab (to)4(尸，凡)(1，凡)+ -cra)dt (3-4)bt e n"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

26、，热电偶的热 电势可近似表示为：eab (t,t0)eab(t)-eab(tq)(3-5)对于己选定的热电偶，当参考端温度r()恒定时，eab(tq)为常数，则总的热电动势就只与温度t成单值函数关系，即：eafi(t,t0) = eafi(t)-c = f(t)(3-6)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o'c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冋的均质导 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

27、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。3.1.2热电偶基本定律屮间导体定律：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冋路中的热电势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温冋路 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

28、极为非均质导体，当处于具有温度阶梯的情况吋，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，在高温与常温吋的物理、化学性能都比较稳定。 中间温度定律：£4/?（r，rq） = £a/?（7；re） + £（rerq）热电偶ab在接点温度为r、凡中间温度为7；.该定律是参考端

29、温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中， 利用热电偶这一性质可对参考端温度不为or的热电势进行修正。to图3-2热电偶中间导体示意图3.1.3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和由端温度to有关即:ah 0 ) = eah _ eah (0 )(3-7)热电偶的分度表是以t（f0°c作为基淮进行分度的，而在实际使用过程中，参考端温度 往往不为0°c，那么工作端温度为t时，分度表所对应的热电#£a,（z，0）与热电偶实 际产生的热电势£（以。）之间的关系可根据中间温度定律得到下式：e

30、ah（°）= eahz（）+ eah（zo °）<3-8）由此可见，£（m）是参考端温度to的函数，因此需要对热电偶参考端温度进行处理。常用的补偿方法有1、冷端恒温法；2、补偿导线法；3、计算修正法；4、 电桥补偿（乂称冷端补偿器）法；5、显示仪表零位调整法；6、软件处理法。3.1.4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3-3所示。图3-3普通结构热电偶铠装热电偶乂称套管热电偶。它是由热电

31、偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸 加工面成的坚实组合体，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屮。其结构图如图3-4所示。/4i.b-b©a放大阁3-4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 0.010.1 um），具有热容量小，反应速度快等的特点，热相应吋间达到微秒级，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

32、图3-5所示。1 热电极；2热接点；3绝缘基板4 引出线图3-5薄膜热电偶结构图3.1.5 k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°c到1300°c范围的液体蒸 汽和气体介质以及固体的表面温度。图3-6 k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1.24.0mm。正极（kp）的名义化学成分为：nh cr=92： 12,负极（kn）的名义化学成分 为：ni: si=99： 3,其使用温度为-2001300&#

33、176;c。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.3.1.6 k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，不受屮间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+160ctc均可连续测量，某些特殊热电偶最 低可测到-269°c （如金铁镍铬），最高可达+2800°c （如钨-铼）。 构造简

34、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 和开尖的限制，外有保护套管，用起来非常方便。3.2有冷端补偿的数字温度转换芯片max6675功能简介max6675是美w maxin公司生产的基于spi总线的专用芯片不仅能对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3-7所示。vcc士 o.lmf冷端补偿二极管 数字控制器图3-7 max6675内部结构框图3.2.1冷端补偿专用芯片max6675性能特点max6675的主耍特性如下： 简单的spi串行口温度值输出。 0 °

35、;c+1024 "c的测温范围。 12位0.25°c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°c+85°c。 2000v的esd保护。该器件采用8引脚50贴片封装。引脚排列如图3-8所示，引脚功能如表3-1。tp view3nd ?6t-2tmxxii7max6675t+3a0wa a v v4nsocsso图3-8引脚功能图 表3-1引脚功能表引脚名称功能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串行吋钟输入6cs片选端，cs为低时、启动

36、串行接口7so串行数据输出8n.c.空引脚3.2.2冷端补偿专用芯片max6675温度变换max6675内部具冇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°c实际参考值之间的差值。对于k型热电偶，电压变化率为41uvfc,电压 可由线性公式vout=(41 u

37、v/°c)x(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。3.2.3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0°c +1o23.75°c范围变化。冷端即安装max6675的电路板周围温度，此温度在-2o°c +85'c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

38、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。3.2.4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屮，芯片自热将降低max6675温度测量精度，误差人小依赖于 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

39、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0.1 uf陶瓷旁路电容。3.2.5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 散热的大截而导线；如必须用小截而导线，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 远吋，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

40、电偶电阻的事件记录和连续记录。3.2.6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3-9所示，max6675spi接口时序 如图3-10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。一个完整串行接门读操作需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

41、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。位读度温位12n偶 触檐备份 没9:0位w13<ia21x789654-3且21 oo态|g图3-9 max6675s0端输山温度数据的格式d14d3为12位数据，其最小值为0,对应的温度值为0°c;最大值为4095, 对应的温度值为1023.75°c;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

42、度值与数字量的对应关系为：温度值=1023.75 x转换后的数字量/4095图3-10 max6675spi接门吋序3.3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cmos 8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屮，atmel的at89c5

43、1是一种高效微控制器，其外观引脚图如卜*:0|l| 21 :61 71 ；t| c| 1| 2| 3frs<rxo)p3 (txp>p3 (tvhhpj (txtljpj pi hups 师 pl bj <tti5>p3. ml2| mu | tsdfat89c51q vcc23 po. 0/ (ado) 2up0. t/<adu 13 po. 2/ud2) sj po. 3/ (aq3) 2p0.4/(al>4) 13 po. 5/(ad5> hp0. o/(mr>13fo. jg ei/vp?3g ue/陋23p5fn3jp2.7/(ais&

44、gt;2jp2.6z(ah>sjp2.5/“13>j3p2.4u12)?3p2.3/(ai1>njw.2/(aio)2jp2.1/mv)7t|p2.ozmji)at89c51的引肱排列图3-11 at89c51外观引脚图at89c51提供以下标准功能ll2j:4k字节的flash闪速存储器，128字节内部ram, 32个i/o 口线，w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ohz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u及中

45、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。这四个端门除了可以按字节寻址外还可以位寻址。其中 ui为漏极开路作为输出使用吋应外加上拉电阻，p3 口既可以做为普通i/o u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

46、。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。3.3.1at89c51单片机的sw实现串行外围设备接口 sh （serial peripheral interface）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 硬件接门

47、。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sh的吋钟信号（sck）使传输同步。其时序图如下:采抒串行数据輸入（mosi） _申行数摒辘出（

48、miso）mshi5bmsh1別图3-12 spi总线吋序图对于不带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ll3j，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门p1.1 （模拟mcu的sck线）的初始 状态设置为1，而在允许接u后再置p1.1为0。这样，mcu在输出1位sck吋钟的 同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至mcu的p1.3 口（模拟mcu的 miso线），此后再置p1.1为1，使单片机从p1.0

49、 （模拟mcu的mosi线）输出1 位数据（先为高位）至申行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。此 后再置p1.1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p1.1为1,以便外围接门芯片输出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。3.4路同相三态双向总线收发器74ls24574ls245是我们常用的芯片，用來驱动led或者其他的设备，它是

50、8路同相三态 双向总线收发器，可双向传输数据。苏引脚图如下：_2 3t_6_7_8a0boa1bia2b2a3b3a4b4a5b5a6b6a7b7e 74ls245dir18.171512互e是h时，a，b为萵阻 e为l, dir为l时，b-a e为l，dir是h时，a*-b图3-13 74ls245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

51、平时，a、b 均为高阻态。由于p2 口始终输出地址的高8位，接口吋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（p0.1-d1）,其它时间处于输出（p0.1d1）。3.5硬件电路详细设计3.5.1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|4。但是，热电偶的应用却存在着非线性、冷端补偿、数字 化输出等儿方面的问题。设计中采用的max6675是一个

52、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3-14所示。k型热电偶的两端分别跟max6675芯片的t-跟t+相连，为丫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0.1 pf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。u0p00k型热电偶vccgndt-t+vcc12345678ncsosckcsclmax66750.1 uf图3-14温度采集电

53、路原理图3.5.2显不电路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3-15a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3-15b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

54、低电平，即逻辑“0”时，发光二极管点亮。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 吋，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

55、驱动器。木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3-16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，当端口为高电平吋，三极管截止，当给端u为低电平吋三 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。r3-r10为限流电限。三极管饱和幵通时，集电极一发射极之间电压取0.5v, 数码管的压降vy4x2v,数码管的工作电流.取5ma15ma。则限流电阻可这祥计算 获得：v -

56、v -vrf =_-(3-9)把数据带入式子(3-9)得/?,.可取值170q500d现取=240q。为保证三极管可靠幵通关断，且要求数码管的亮度适量较高，基极电阻r11-r14可适量取小值， 本设计取基极电阻为470q。speakiku2 74ls245111213'k>1415318：h>876 5 4321 aaaaaaaai5 r7 1 4 r8 1 3 r9 1d 25d 2100 21)220 240 27d 21123dirgled idpy 4-led129802 q3 q4 > 85§t) v 85§6 v 8550 ar13470 -vccvccvcc图3-16数码管显示电路3.5.3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