MAX6675的溫度測控系統(tǒng)報告

./目錄目錄11、設(shè)計方案:12、傳感器的選擇:23、系統(tǒng)設(shè)計34、硬件介紹44.1、K型熱電偶44.1.1K型熱電偶概況44.1.2熱電偶傳感器測溫原理44.2、MAX667554.2.1MAX6675概況54.2.2MAX6675性能及結(jié)構(gòu)54.2.3MAX6675的工作原理與功能74.3、89C51單片機94.4、4位共陽極LED125、硬件電路135.1、K型熱電偶采集信號電路135.2、放大電路145.3、電壓跟隨器155.4、A/D轉(zhuǎn)換電路156、整體電路設(shè)計167、軟件設(shè)計：178、仿真結(jié)果219、總結(jié)體會231、設(shè)計方案:溫度測量系統(tǒng)使用溫度傳感器檢測溫度變化,補償電路減小誤差提高準確性,將溫度變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號,經(jīng)過放大器將信號放大后,再用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,并將數(shù)字信號送到51單片機進行處理,最后在數(shù)碼管上顯示被測溫度值。2、傳感器的選擇:溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類,前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸,而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離,檢測從待測物體放射出的紅外線,達到測溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中,相比運用多的是接觸式傳感器,非接觸式傳感器一般在比較特殊的場合才使用,目前得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器,其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器,將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類,前者簡稱熱電阻,后者簡稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等,它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學(xué)、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性等,常用的熱電阻如Pt100、Pt1000等。近年來各半導(dǎo)體廠商陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器,如DALLAS公司DS18B20,MAXIM公司的MAX6576、MAX6577,ADI公司的AD7416等,這些芯片的顯著優(yōu)點是與單片機的接口簡單,如DS18B20該溫度傳感器為單總線技術(shù),MAXIM公司的2種溫度傳感器一個為頻率輸出,一個為周期輸出,其本質(zhì)均為數(shù)字輸出,而ADI公司的AD7416的數(shù)字接口則為近年也比較流行的I2C總線,這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來了極大的方便。熱電偶是目前接觸式測溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器,它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測溫圍寬、熱慣性小、準確度高、輸出信號便于遠傳等優(yōu)點。常用的熱電偶材料有鉑銠-鉑、銥銠-銥、鎳鐵-鎳銅、銅-康銅等,各種不同材料的熱電偶使用在不同的測溫圍場合。熱電偶的使用誤差主要來自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。采用熱電阻傳感器設(shè)計測溫電路,需要設(shè)計恒流源、冷端補償電路、線性校正電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路,過程比較繁瑣,集成度低,并且各個電路存在偏差,這些偏差經(jīng)過多級電路后形成較大誤差,嚴重影響測量溫度值。為了電路簡潔方便集成度高,減小誤差,本次測溫電路選用K型熱電偶,配合MAX6675完成測溫系統(tǒng)。熱電偶是工業(yè)中常用的溫度測溫元件,具有如下特點：①測量精度高：熱電偶與被測對象直接接觸,不受中間介質(zhì)的影響；②熱響應(yīng)時間快：熱電偶對溫度變化反應(yīng)靈敏；③測量圍大：熱電偶從-40+1600℃均可連續(xù)測溫④性能可靠,機械強度好；⑤使用壽命長,安裝方便；但是,K型熱電偶須進行復(fù)雜的信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、查表線性線、溫度補償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設(shè)。MAX6675是美國MAXIM公司生產(chǎn)的帶有冷端補償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器,即一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、AD轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。將K型熱電偶和MAx6675結(jié)合使用,電路集成度高,簡潔很多,減小誤差。因此,本次電路設(shè)計選用K型熱電偶。3、系統(tǒng)設(shè)計本設(shè)計系統(tǒng)主要包括溫度信號采集單元、信號調(diào)理單元、單片機數(shù)據(jù)處理單元、顯示單元。其中溫度信號的數(shù)據(jù)調(diào)理單元采用MAX675集成芯片,它包括信號調(diào)節(jié)放大器、12位的模擬數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補償傳感和校正、數(shù)字控制器、1個SPI兼容接口和1個相關(guān)的邏輯控制。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：測溫的模擬電路是把當(dāng)前K型熱電偶傳感器的電阻值,轉(zhuǎn)換為容易測量的電壓值,經(jīng)過放大器放大信號后送給A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號,再傳給單片機AT89S51,單片機再根據(jù)公式換算把測量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值,并將數(shù)據(jù)送出到數(shù)碼管進行顯示。4、硬件介紹4.1、K型熱電偶K型熱電偶概況K型熱電偶作為一種溫度傳感器,K型熱電偶通常和顯示儀表,記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。K型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。K型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶,其用量為其他熱電偶的總和。K型熱電偶絲直徑一般為1.2～4.0mm。K型熱電偶具有線性度好,熱電動勢較大,靈敏度高,穩(wěn)定性和均勻性較好,抗氧化性能強,價格便宜等優(yōu)點,能用于氧化性惰性氣氛中廣泛為用戶所采用。熱電偶傳感器測溫原理熱電偶測溫由熱電偶、連接導(dǎo)線及顯示儀表三部分組成。如果將熱電偶的熱端加熱,使得冷、熱兩端的溫度不同,則在該熱電偶回路中就會產(chǎn)生熱電勢,這種物理現(xiàn)象就稱為熱電現(xiàn)象<即熱電效應(yīng)>。在熱電偶回路中產(chǎn)生的電勢由溫差電勢和接觸電勢兩部分組成。接觸電勢：它是兩種電子密度不同的導(dǎo)體相互接觸時產(chǎn)生的一種熱電勢。當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B相接觸時,假設(shè)導(dǎo)體A和B的電子密度分別為NA和NB并且NA>NB,則在兩導(dǎo)體的接觸面上,電子在兩個方向的擴散率就不相同,由導(dǎo)體A擴散到導(dǎo)體B的電子數(shù)比從B擴散到A的電子數(shù)要多。導(dǎo)體A失去電子而顯正電,導(dǎo)體B獲得電子而顯負電。因此,在A、B兩導(dǎo)體的接觸面上便形成一個由A到B的靜電場,這個電場將阻礙擴散運動的繼續(xù)進行,同時加速電子向相反方向運動,使從B到A的電子數(shù)增多,最后達到動態(tài)平衡狀態(tài)。此時A、B之間也形成一電位差,這個電位差稱為接觸電勢。此電勢只與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)相接觸點的溫度有關(guān),當(dāng)兩種導(dǎo)體的材料一定,接觸電勢僅與其接點溫度有關(guān)。溫度越高,導(dǎo)體中的電子就越活躍,由A導(dǎo)體擴散到B導(dǎo)體的電子就越多,接觸面處所產(chǎn)生的電動勢就越大,即接觸電勢越大。4.2、MAX6675MAX6675概況熱電偶作為一種主要的測溫元件,具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫圍寬、測溫精度高等特點。但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時,卻存在著以下幾方面的問題。①非線性：熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系,因此在應(yīng)用時必須進行線性化處理。②冷補償：熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為0℃時與測量端差值,而在實際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的,故需要進行冷端補償。③數(shù)字化輸出與嵌入式系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口,而作為模擬小信號測溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個要求。因此,若將熱電偶應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)時,須進行復(fù)雜的信號放大、AD轉(zhuǎn)換、查表線性化、溫度補償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設(shè)計。如果能將上述的功能集成到一個集成電路芯片中,即采用單芯片來完成信號放大、冷端補償、線性化及數(shù)字化輸出功能,則將大大簡化熱電偶在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計。MAX6675性能及結(jié)構(gòu)Maxim公司新近推出的MAX6675是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器,部具有信號調(diào)節(jié)放大器、12位的模擬數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補償傳感和校正、數(shù)字控制器、1個SPI兼容接口和1個相關(guān)的邏輯控制。MAX6675部集成有冷端補償電路；帶有簡單的3位串行SPI接口；可將溫度信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量,溫度分辨率達0.25℃；含熱電偶斷線檢測電路。冷端補償?shù)臏囟葒?20℃～80℃,它的溫度分辨能力為0.25℃,可以測量0MAX6675的主要特性如下：①簡單的SPI串行口溫度值輸出；②0℃～+1024℃的測溫圍；③12位0.25℃的分辨率；④片冷端補償；⑤高阻抗差動輸入；⑥熱電偶斷線檢測；⑦單一+5V的電源電壓；⑧低功耗特性；⑨工作溫度圍-20℃～+85℃；⑩2000V的ESD信號。該器件采用8引腳SO帖片封裝。引腳排列如圖1所示,引腳功能如下表所列。MAX66475引腳功能如下表所示：引

腳名

稱功

能1GND接地端2T-K型熱電偶負極3T+K型熱電偶正極4VCC正電源端5SCK串行時鐘輸入6CS片選端,CS為低時、啟動串行接口7SO串行數(shù)據(jù)輸出8N.C.空引腳MAX6675的工作原理與功能根據(jù)熱電偶測溫原理,熱電偶的輸出熱電勢不僅與測量端的溫度有關(guān),而且與冷端的溫度有關(guān),使用硬件電路進行冷端補償時,雖能部分改善測量精度,但由于熱電偶使用環(huán)境的不同及硬件電路本身的局限性,效果并不明顯；而使用軟件補償,通常是使用微處理機表格法或線性電路等方法來減小熱電偶本身非線性帶來的測量誤差,但同時也增加了程序編制及調(diào)試電路的難度。MAX6675對其部元器件參數(shù)進行了激光修正,從而對熱電偶的非線性進行了部修正。同時,MAX6675部集成的冷端補償電路、非線性校正電路、斷偶檢測電路都給K型熱電偶的使用帶來了極大方便,其工作原理如圖2所示。<1>溫度變換

MAX6675部具有將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為與ADC輸入通道兼容電壓的信號調(diào)節(jié)放大器,T+和T-輸入端連接到低噪聲放大器A1,以保證檢測輸入的高精度,同時是熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢經(jīng)低噪聲放大器A1放大,再經(jīng)過A2電壓跟隨器緩沖后,送至ADC的輸入端。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相等價的溫度值之前,它需要對熱電偶的冷端進行補償,冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實際參考值之間的差值。對于K型熱電偶,電壓變化率為41μ/℃,電壓可由線性公式Vout=〔41μ/℃×〔tR-tAMB來近似熱電偶的特性。上式中,Vout為熱電偶輸出電壓〔mV,tR是測量點溫度,tAMB<2>冷端補償熱電偶的功能是檢測熱、冷兩端溫度的差值,熱電偶熱節(jié)點溫度可在0℃～+1023.75℃圍變化。冷端即安裝MAX6675的電路板周圍溫度,比溫度在-20℃～+85<3>熱補償在測溫應(yīng)用中,芯片自熱將降低MAX6675溫度測量精度,誤大小依賴于MAX6675封裝的熱傳導(dǎo)性、安裝技術(shù)和通風(fēng)效果。為降低芯片自熱引起的測量誤差,可在布線時使用大面積接地技術(shù)提高MAX6675溫度測量精度。<4>噪聲補償MAX6675的測量精度對電源耦合噪聲較敏感。為降低電源噪聲影響,可在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1μF瓷旁路電容。<5>測量精度的提高熱電偶系統(tǒng)的測量精度可通過以下預(yù)防措施來提高：①盡量采用不能從測量區(qū)域散熱的大截面導(dǎo)線；②如必須用小截面導(dǎo)線,則只能應(yīng)用在測量區(qū)域,并且在無溫度變化率區(qū)域用擴展導(dǎo)線；③避免受能拉緊導(dǎo)線的機械擠壓和振動；④當(dāng)熱電偶距離較遠時,應(yīng)采用雙絞線作熱電偶連線；⑤在溫度額定值圍使用熱電偶導(dǎo)線；⑥避免急劇溫度變化；⑦在嚴劣環(huán)境中,使用合適的保護套以保證熱電偶導(dǎo)線；⑧僅在低溫和小變化率區(qū)域使用擴展導(dǎo)線；⑨保持熱電偶電阻的事件記錄和連續(xù)記錄。<6>SPI串行接口MAX6675采用標準的SPI串行外設(shè)總線與MCU接口,且MAX6675只能作為從設(shè)備。MAX6675SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如圖3所示,MAX6675SPI接口時序如圖4所示。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：MCU使CS變低并提供時鐘信號給SCK,由SO讀取測量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程；CS變高將啟動一個新的轉(zhuǎn)換過程。一個完整串行接口讀操作需16個時鐘周期,在時鐘的下降沿讀16個輸出位,第1位和第15位是一偽標志位,并總為0；第14位到第3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；第2位平時為低,當(dāng)熱電偶輸入開放時為高,開放熱電偶檢測電路完全由MAX6675實現(xiàn),為開放熱電偶檢測器操作,T-必須接地,并使能地點盡可能接近GND腳；第1位為低以提供MAX6675器件身份碼,第0位為三態(tài)。4.3、89C51單片機單片機是一種集成電路芯片,是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng),因而被稱為單片機微型計算機,檢查簡稱單片機。89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的89C51是一種高效微控制器。引腳功能：3.1電源:⑴VCC-芯片電源,接+5V/3.3V/2.7V；⑵VSS-接地端；3.2時鐘:XTAL1、XTAL2-晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。3.3控制線:控制線共有4根〔1ALE/PROG:地址鎖存允許/片EPROM編程脈沖①ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址②PROG功能：片有EPROM的芯片,在EPROM編程期間,此引腳輸入編程脈沖?！?PSEN:外ROM讀選通信號,尋址外部程序存儲器時選通外部EPROM的讀控制端〔OE低有效?！?RST/VPD:復(fù)位/備用電源。RST〔Reset功能：復(fù)位信號輸入端。②VPD功能：在Vcc掉電情況下,接備用電源?！?EA/Vpp:外ROM選擇/片EPROM編程電源。①EA功能：外ROM選擇端。80C51單片機ROM尋址圍為64KB,其中4KB在片,60KB在片外<80C31芯片無ROM,全部在片外>。當(dāng)EA保持高電平時,先訪問ROM,但當(dāng)PC<程序計數(shù)器>值超過4KB<0FFFH>時,將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外ROM中的程序。當(dāng)EA保持低電平時,則只訪問外ROM,不管芯片有否ROM。對80C31芯片,片無ROM,因此EA必須接地。②Vpp功能：片有EPROM的芯片,在EPROM編程期間,施加編程電源Vpp。3.4I/O線80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口,共32個引腳。P3口還具有第二功能,用于特殊信號輸入輸出和控制信號〔屬控制總線。P3.0——RXD：串行口輸入端；P3.1——TXD：串行口輸出端；P3.2——INT0：外部中斷0請求輸入端；P3.3——INT1：外部中斷1請求輸入端；P3.4——T0：定時/計數(shù)器0外部信號輸入端；P3.5——T1：定時/計數(shù)器1外部信號輸入端；P3.6——WR：外RAM寫選通信號輸出端；P3.7——RD：外RAM讀選通信號輸出端。4.4、4位共陽極LED7段LED數(shù)碼管是利用7個LED〔發(fā)光二極管外加一個小數(shù)點的LED組合而成的顯示設(shè)備,可以顯示0~9等10個數(shù)字和小數(shù)點,使用非常廣泛?！瞐管腳排列〔b共陽結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用的是7SEG-MPX4-CA,如下圖示：1234為位選,ABCDEFGDP為段碼。5、硬件電路5.1、K型熱電偶采集信號電路對于K型熱電偶,它的電壓變化率為41μ/℃,電壓可由線性公式Vout=〔41μ/℃×〔tR-tAMB來近似熱電偶的特性。上式中,Vout為熱電偶輸出電壓〔mV,tR是測量點溫度,tAMB是周圍溫度。并且Vout=〔V+-V-。5.2、放大電路放大器的輸入信號Vin=Vout=〔V+-V-。根據(jù)電路圖可以得到方程：VA+=300V-/<300+30>①VA-=VA+②③聯(lián)立方程可得：Vo=-10<V+-V->=S-10Vout5.3、電壓跟隨器根據(jù)電路圖可得：Vin=-Vout5.4、A/D轉(zhuǎn)換電路MAX6675部有自帶12位AD轉(zhuǎn)換器,在數(shù)字控制器的作用下,A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。AD量化單位：q=5V/4096轉(zhuǎn)換結(jié)果：D=Vin<mV>/q<mV>6、整體電路設(shè)計7、軟件設(shè)計：軟件包括四個函數(shù)：主函數(shù)、讀取AD轉(zhuǎn)換數(shù)值函數(shù)、顯示函數(shù)、延時函數(shù)。#include"reg51.h"#include"intrins.h"http://_nop_<>;延時函數(shù)用#defineucharunsignedchar//用uchar代替unsignedchar,1字節(jié)0-255#defineuintunsignedint//用uint代替nsignedint,2字節(jié)0-26653sbitSO=P1^0;//P1.0口與SO相連sbitSCK=P1^1;//P1.1口與SCK相連sbitCS=P1^2;//P1.2口與CS相連uintj;floatwendu;uintRead_AD<>;//AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)讀取,并返回值voidDisplay_temp<>;//溫度顯示ucharqian=0,bai=0,shi=0,ge=0,xiao=0;//初始化LEDuinttemp;ucharcodetab_1[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//共陽LED段碼表ucharcodetab_2[10]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};//含小數(shù)點共陽段碼"0""1""2""3""4""5""6""7""8""9"ucharcodetab_3[4]={0x01,0x02,0x04,0x08};//位碼uintRead_AD<>//AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取子函數(shù),并返回值{uchari;unsignedlongTemp_2;Temp_2=0;CS=1;SCK=0;_nop_<>;//這個_nop_<>等效與匯編里面的NOP指令,即空一個機器周期,CS=0;for<i=0;i<16;i++>//16位數(shù)據(jù)讀取{Temp_2<<=1;//向左移一位_nop_<>; SCK=1;//上升沿脈沖if<SO==1>{Temp_2=Temp_2|0x01;}elseTemp_2=Temp_2|0x00; _nop_<>; SCK=0; _nop_<>;}Temp_2=Temp_2&0x7FF8; //取3-14位Temp_2=Temp_2*1024/4096;//變換為溫度值return<Temp_2>;//返回值}voidDisplay_temp<>//溫度顯示子函數(shù){uinttemp=wendu;temp=temp*10;if<wendu<=500>//最高讀取溫度設(shè)定為800攝氏度{bai=wendu/1000; //取百位數(shù)字 wendu=wendu%1000; shi=wendu/100;//取十位數(shù)字 wendu=wendu%100;ge=wendu/10