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1、基于89C52的热电偶测温系统摘要：本文设计了基于单片机的热电偶测温系统，介绍了热电偶的测温原理，热电偶冷端补偿方法，简单设计了硬件电路，信号放大电路采用放大器LTC2053将热电偶的输出mv型号放大，再经过ICL7109转换器转换为12位的数字信号，输入给单片机，驱动数码管显示电路显示4位温度值。扩展部分有键盘电路和报警电路。软件部分设计了转换器和键盘及显示电路。关键字：热电偶；LTC2053放大器；ICL7109转换器；数码管1引言随着人们生活水平的提高，人们对家用电子产品的智能化、多功能化提出了更高的要求，而电子技术的飞速发展使得单片机在各种家用电子产品领域中的应用越来越广泛。 把以单片
2、机为核心，开发出来的各种测量及控制系统作为家用电子产品的一个组成部分嵌入其中，使其更具智能化、拥有更多功能、便于人们操作和使用，更具时代感，这是家用电子产品的发展方向和趋势所在。有的家用电器领域要求增加显示、报警和自动诊断等功能。这就要求我们的生产具有自动控制系统，自动控制主要是由计算机的离线控制和在线控制来实现的，离线应用包括利用计算机实现对控制系统总体的分析、设计、仿真及建模等工作；在线应用就是以计算机代替常规的模拟或数字控制电路使控制系统“软化”，使计算机位于其中，并成为控制系统、测试系统及信号处理系统的一个组成部分，这类控制由于计算机要身处其中，因此对计算机有体积小、功耗低、价格廉以及
3、控制功能强有很高的要求，为满足这些要求，应当使用单片机。2热电偶测温原理2.1热电效应将两种不同成分的导体组成一闭合回路，如图1所示。图1 当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，该电势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，这种现象称为“热电效应”。 2.2接触电势A和B两种不同材料的导体接触时， 由于电子的扩散运动，A与B两导体的接触处产生了电位差，称为接触电势。接触电势的大小与导体材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。 对于温度分别为t和t0的两接点，可得下列接触电势公式：（温度为t时的接触电势，温度为t0时的接触电势）eAB(T0)=U
4、At0 - UBt02.3温差电动势将某一导体两端分别置于不同的温度场t、t0中，在导体内部，热端自由电子具有较大的动能，向冷端移动，这样，导体两端便产生了电势，这个电势称为温差电势。导体A、B在两端温度分别为t和t0时形成的电势 eA(t,t0)=UAtUAt0eB(t,t0)=UBtU Bt02.4热电偶的电势将由A和B组成的热电偶的两接点分别放在t和t0中，热电耦的电势为： EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)-eA(t,t0)- eB(t,t0)由于接触电势比温差电势大的多，可将温差电势忽略掉，则热电偶的电势为EAB(t,t0)= eAB(T)- eAB(T0) (AB的顺
5、序表示电势的方向；当改变脚注的顺序时，电势前面的符号（正、负号）也应随之改变) 综上所述，可以得出以下结论：热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两接点电势差。2.5热电偶的基本定律1. 均质导体定律如果热电偶中的两个热电极材料相同，无论接点的温度如何，热电势为零。 2. 中间导体定律在热电偶中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则热电偶的热电势不变。图2在热电偶中接入第三种导体C，设导体A与B接点处的温度为t，A与C、B与C两接点处的温度为t0,则回路中的热电势为：热电偶的这种性质可以方便地在回路
6、中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面测量。3. 标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电势也就已知。图3 如图所示，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电势也就已知，即 那么，导体A与B组成的热电偶的热电势为：4. 中间温度定律热电偶在两接点温度分别为t 、t0时的热电势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0相应热电势的代数和；即中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据，其等效示意图如图所示。图43冷端补偿与放大电路图6是热电偶放大电
7、路。电路中，LTC2053是仪用放大器，它为低功率仪器产品提供了一个极好的平台，例如，电池供电的热电偶放大电路等。由于采用了与开关电容的组合以及零漂移运算放大器的工艺，因此，LTC2053的输入偏移电压最大为10V，共模抑制比CMRR和电源抑制比PSRR达到116dB。最理想的工作电源采用低电压2.7V到11V的单电源或5V的双电源，另外，由于消耗电流非常低，典型值为85pA，因此，应用于电池供电的放大器非常理想。调节R1、RP1和R2可方便对电路增益进行编程。作为热电偶放大器必须满足一些特殊要求，通常采用的K型热电偶的灵敏度为40.6，而电路的输出一般要求为10mV，因此，要选用额定增益为2
8、46的精密放大器。另外，热电偶一般容易受到工业环境中电子噪声的影晌，因此，仪用放大器允许输入不同的电压有助于消除由于共模噪声引起的误差。为了避免出故障，采取的保护措施是不能让热电偶无意识地接触到瞬变电源或高电压，但保护措施不能兼顾到精度。LTC2053有满足这些要求的补偿特性，它在任何引脚上都可以承受10mA的故障电流，因此，在不损坏集成芯片的情况下，10k（R4和R5）保护电阻允许承受100V故障电压。本模块包括电压式温度传感器TMP35和K型热电偶。其中热电偶的工作原理是根据热端和冷端的温度差而产生电势差。由于实际测量时，冷端的温度往往不是O，所以要对热电偶进行温度补偿。热电偶温度补偿公式
9、如下：E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0)其中，E(t0，0)是实际测量的电动势，t代表热端温度，t0代表冷端温度，0代表O。在现场温度测量中，由于热电偶冷端温度一般不为O，而是在一定范围内变化着，因此测得的热电势为E(t，t0)。如果要测得真实的被测温度所对应的热电势E(t，0)，就必须补偿冷端不是0所需的补偿电势 E(t0，0)，而且，该补偿电势随冷端温度变化的特性必须与热电偶的热电特性相一致，这样才能获得最佳补偿效果。图5所示是一个温度补偿电路的原理图。图中，温度传感器TMP35很好的完成了温度补偿工作，TMP35输出的电压先经电阻分压，再经放大器放大，就是K型热电偶对应的E(t
10、0，O)。图5 温度补偿图6 放大电路电路中LTC1025对热电偶进行温度补偿，确保在各种环境条件下温度的测量精度，并要靠近热电偶的节点安装，以便对温度进行最佳的跟踪。LTC1025对不同的环境温度输出相应的电压，输出灵敏度为10mV，因此，0时输出电压为10mV，室温（25）时输出250mV。测量探头温度相应的电压是补偿电压和被放大的热电偶电压之和，补偿电路的输出端与LTC2053的REF（5脚）输入端连接的所有这一切都要加上这两种电压。对于这种电路结构，考虑的仅是校正的电压必需能供出或吸收反馈电阻中电流。由于，LTC1025只供出电流，因此，可采用缓冲器LTC2050驱动REF，LTC20
11、50是一种零漂移的运算放大器。采用单电源的缺点是，对于有效的输出探头和放大器单元的温度都必须超过0。若需要对负温度进行调节的话，可采用简单的充电泵变换器，例如LTC1046构成负电源。在常规的线性电源应用中，只要所有热电偶都连接上LTC1025进行热跟踪，可以采用单个LTCl025和缓冲放大器去修正LTC2053热电偶放大器的不同通道。由于LTC2053工作于采样的输入信号，因此，感兴趣的频率一般低于几百Hz，这样，在反馈电路中增设0.1F电容C1就可以加速放大器的响应。接在热电偶输入网络的电容C2和C3有助于吸收射频干扰及抑制在热电偶探头出现的采样干扰。接在热电偶中的电阻R6R9提供高阻抗偏
12、置，这样在探头无电压降的情况下使其抗干扰性达到最大。短的热电偶使共模信号最小，探头节点可以接地。5.1V的稳压管VD1构成电源保护电路，即防止电源出现过电压以及6V电池的极性接反，R3是限流电阻。4 A/D转换电路ICL7109是美国Intersil公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。由于目前逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格都很高，在要求速度不太高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时，可以采用廉价的双积分式高精度A/D转换器ICL7109。ICL7109最大的特点是其数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处
13、理器相连。图7 ICL7109引脚图图8 ICL7109与单片机的接线图5最小系统电路图9 最小系统图6键盘电路与报警电路6.1矩阵式键盘按键的识别 当非编码键盘的按键较多时，若采用独立式键盘占用I/O口线太多，此时可采用矩阵式键盘，键盘上的键按行列构成矩阵，在行列的交点上都对应有一个键。行列方式是用m条I/O线组成行输入口，用n条I/O线组成列输出口，在行列线的每一个交点处，设置一个按键，组成一个mxn的矩阵，如图10所示，矩阵键盘所需的连线数为行数+列数，如44的16键矩阵键盘需要8条线与单片机相连，般键盘的按键越多，这种键盘占I/O口线少的优点就越明显，因此，在单片机应用系统较为常见。列
14、行图10矩阵式键盘识别按键的方法有两种: 一是行扫描法, 二是线反转法。这里只说明一下第一种情况，行扫描法：先令列线Y0为低电平（0），其余3根列线Y1、Y2、Y3都为高电平，读行线状态。如果X0、X1、X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合，如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态；如果Y0这一列上没有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平。用同样的方法检查Y1这一列上有无键闭合，依次类推，最后使列线Y3为低电平，其余列线为高电平，检查Y3这一列有无键闭合。 为了防止双键或多键同时按下, 往往从第 0 行一直扫描到最后 1 行, 若只发现
15、1 个闭合键, 则为有效键, 否则全部作废。 找到闭合键后, 读入相应的键值, 再转至相应的键处理程序。6.2关于键盘的抖动问题的分析和解决：当用手按下一个键时，如图11所示，往往按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态的情况；在释放一个键时，也回会出现类似的情况。这就是抖动。抖动的持续时间随键盘材料和操作员而异，不过通常总是不大于10ms。很容易想到，抖动问题不解决就会引起对闭合键的识别。用软件方法可以很容易地解决抖动问题，这就是通过延迟10ms来等待抖动消失，这之后，在读入键盘码。键按下前沿抖动后沿抖动闭合稳定图11键抖动信号波6.3键编码及键值(1) 用键盘连接的I/O线的二进
16、制组合表示键码。例如用4行、4列线构成的16个键的键盘，可使用一个8位I/O口线的高、低4位口线的二进制数的组合表示16个键的编码，如图所示。各键相应的键值为88H、84H、82H、81H、48H、44H、42H、41H、28H、24H、22H、21H、18H、14H、12H、11H。这种键值编码软件较为简单直观，但离散性大，不便安排散转程序的入口地址。(2) 顺序排列键编码。这种方法，键值的形成要根据I/O线的状态作相应处理。键码可按下式形成：键码=行首键码+列号6.4键盘扫描程序的设计：假定图中列2行1键被按下，则判定键位置的扫描过程如下：首先是判定有没有键被按下。先使P1口输出0EH（1
17、110），然后输入行线状态，测试行线中是否有低电平的，如果没有低电平，再使输出口输出0DH（1101），再测试行线状态。到输出口输出0BH（1011）时，行线中有状态为低电平者（行1），则闭合键找到，通过此次扫描的列线值和行线值就可以知道闭合键的位置。当经扫描表明有键被按下之后，紧接着应进行去抖动处理。采用软件延时的方法，一般为1020 ms，待行线上状态稳定之后，再次判断按键状态。按键确定之后，下一步是计算闭合键的键码，我们以键的排列顺序安排键号，键码既可以根据行号列号以查表求得，也可以通过计算得到。键码的计算公式为：键码=行首号+列号。 计算键码之后，延时等待键释放，目的是为了保证键的一次
18、闭合仅进行一次处理。 在计算机中每一个键都对应一个处理子程序，得到闭合键的键码后，就可以根据键码，转相应的键处理子程序(分支是使用JMP等散转指令实现的)，进行字符、数据的输入或命令的处理。这样就可以实现该键所设定的功能。总结上述内容，键处理的流程如图所示。图12流程图说明：1)设子程序为KS1，供键盘扫描程序中调用。 2）在单片机应用系统中常常是键盘和显示器同时存在，因此可以把键盘扫描程序和显示程序配合起来使用，即把显示程序作为键盘扫描的延时子程序，实现软件去抖动。这样做既省去了一个专门的延时子程序，又能保证显示器常亮的客观效果。假定本系统中显示程序为DIR，执行时间约为10ms，分析程序时
19、，可把显示程序DIR当成延时子程序。键盘扫描程序的运行结果是把闭合键的键码放在累加器A中，接下来的程序是根据键码进行程序转移，去执行该键对应的操作。报警电路图137显示电路设计显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据，按照材料及生产工艺，单片机应用系统中常用的显示器有：发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器、CRT显示器等。LED显示器是现在最常用的显示器之一，如右图。图14图14中的译码器74LS138与共阴极LED数码管驱动器CD4511是由单片机的P1口控制的，其中，P1.0、P1.1、P1.2 与译码器的输入相接，C为高位，A为地位。对四个共阴极数码管实现位选。在一个单
20、片机系统中，对共阴极LED显示器的控制采用“接地方式”，即通过控制LED的“GND”引脚的电平高低来达到选通的目的，该引脚即通常所说的位选线。例如：我们想要让第三位数码管工作，那么需要使L3的位选线接低电平来达到目的，也就是使译码器的输出中的Y3为0，其他为1。本系统中，我们采用动态显示方式，因此，需要不断的片选，而共阴极LED显示器的发光二极管负极接地，当发光二极管的正极为高电平时，发光二极管被点亮。这就由CD4511来驱动，例如：要显示0字形时，需要LED显示器的8个发光二极管“a，b，c，d，e，f，g”七个字段中的a，b，c，d，e，f亮，那么，就需要CD4511输出中的A、B、C、D
21、、E、F为高电平。这是CD4511芯片内部已设定好的，表2为CD4511芯片内部的二进制与输入与输出的对应关系列表。表1 CD4511输入输出逻辑对应关系D C B Adp G F E D C B A 0 0 0 00 0 1 1 1 1 1 10 0 0 10 0 0 0 0 1 1 00 0 1 00 1 0 1 1 0 1 10 0 1 10 1 0 0 1 1 1 10 1 0 00 1 1 0 0 1 1 00 1 0 10 1 1 0 1 1 0 10 1 1 00 1 1 1 1 1 0 00 1 1 10 0 0 0 0 1 1 11 0 0 00 1 1 1 1 1 1 11
22、 0 0 10 1 1 0 0 1 1 1LED显示器的基本结构和原理:LED显示器采用发光二极管显示字段。单片机中经常采用的是八段显示器，即LED显示器中有8个发光二极管，代表“a，b，c，d，e，f，g”七个字段和一小数点“dp ”。它有共阴和共阳两种结构。共阴极LED显示器的发光二极管负极接地，当发光二极管的正极为高电平时，发光二极管被点亮。共阳极LED显示器的发光二极管正极相连，当二极管的负极为低电平时，发光二极管被点亮。在一个单片机系统中，对共阴极LED显示器的控制采用“接地方式”，即通过控制LED的“GND”引脚的电平高低来达到选通的目的，该引脚即通常所说的位选线。共阳极LED显示
23、器控制方式则相反。两种控制方式中，共阴极LED控制方式受系统器件功耗限制，只能用在小尺寸的LED显示器中。对于大尺寸LED显示器的控制（如大屏幕计时器）一般使用共阳极方式。 LED的显示和接口方式：LED数码管的显示有静态和动态两种方式。从接口上分又有并行和串行两种，这要视接口和驱动芯片而定。常用的并行LED接口芯片有8155、8255 以及键盘和显示专用芯片8279等。与并行方式相比，串行方式仅占用CPU 少数几根I/O 口线便可实现LED显示功能，以前的51 单片机系统经常通过串口通信线TXO 、RXD（ P3.0.、P3.1 ）加移位寄存器74LS164实现LED显示功能。近年来国内外各
24、大厂商纷纷推出了基于串行总线方式的LED显示器接口芯片，如MAXIN公司的MAX7219 、力源的PS7219 以及周立功的ZLG7289 等等。这些芯片与单片机的接口一般采用SPI 总线方式，具有占用I/O 口线少，与单片机接口程序易于实现的特点，使用起来十分方便。LED显示器按照接口不同有静态和动态两种方式。静态显示方式中，多个LED显示器中的每一个段代码都与一个独立的8位并行口连接，公共端则根据LED的种类（共阴或共阳）连接到“地”或“VCC ”上。四位静态LED显示电路中，每个LED的段代码都由独立的并行8位I/O口线控制，可以在同一时间内显示不同的字符。静态LED显示方式的优点是编程
25、容易，但功耗大，占用CPU I/O 口线较多，成本较高。因此在单片机应用系统中较多使用的还是动态显示方式。所谓动态显示，实质上就是各个不同的LED显示器按照一定的顺序轮流显示。它利用了人眼的“视觉暂留现象”，只要多个LED显示器的选通扫描速率足够快，人眼就觉察不到数码管的闪烁现象。动态扫描方式的所有LED段选线并联在一起，只由一个8位的I/O 口控制，而各个LED的位选线则由另外一组I/O 口控制。动态LED显示方式的优点是功耗较低，占用CPU I/O 线少，外围接口简单，本系统便是采用了动态LED显示方式。动态扫描从左到右进行，显示缓冲区首地址为79H。因此各位显示器都扫过一遍之后，就返回监
26、控程序。经过一段时间间隔后，再调用显示扫描程序。通过这种反复调用来实现LED显示器的动态扫描。8软件设计ADZH:MOV IE,#00H ;A/D转换子程序 MOV DPTR,#88FFH CLR P0.0 CLR P0.1 MOVX DPTR,A ;启动A/D NOP NOPNOPNOPNOPNOP LOOP:JB P0.3，LOOP SETB P0.0 MOVX A,DPTR ;读转换结果8位 MOVX ADH,A ;存转换结果高8位 NOP NOPNOPNOPNOPSETB P0.1MOVX A,DPTRMOV ADL,AMOV IE,#81HRETAJMP KEY1KS1: MOV A
27、,#0FFH MOV P1，A MOV A,P1 ；读P1口键值 CPL A ；A取反，无键按下则全“0” ANL A，0FH ；屏蔽A高半字节 RET KEY1: ACALL KS1 ；检查是否有键闭合 JNZ LK1 ；A非“0”则转移 ACALL DISP ；显示一次(延时10 ms) AJMP KEY1 LK1: ACALL DISP ；有键闭合二次消抖延时20 ms ACALL DISP ACALLKS1 ；再检查有键闭合否 JNZ LK2 ；有键闭合，转LK2 ACALL DISP AJMP KEY1 ；经去抖动确认无键闭合，延时10 ms后转KEY1LK2：MOV R2，#0EH
28、 ；扫描初值进R2 MOV R4，#00H；扫描列号送R4 LK4： MOV P1，A ；扫描初值送P1口 MOV A，P1 ；读P1口 JB ACC.0，LONE ；ACC.0=1，第0行无键闭合，转LONE MOV A，#00H ；装第0行行值 AJMP LKPLONE: JB ACC.1，LTWO ；ACC.1=1，第1行无键闭合，转LTWO MOV A，#04H ；装第1行行值 AJMP LKP LTWO：JB ACC.2，LTHR ；ACC.2=1，第2行无键闭合，转LTHR MOV A,#08H ；装第2行行值 AJMP LKP LTHR: JB ACC.3，NEXT ；ACC.3
29、=1，第3行无键闭合则转NEXT MOV A，#0CH ；装第3行行值 LKP：ADD A，R4 ；计算键值 PUSH ACC ；保护键值，将键值入栈 LK3：ACALL DISP ；延时10ms消抖 ACALL KS1 ；查键是否继续闭合，若闭合再延时 JNZ LK3 POP ACC ；若键起，则键码送A RET NEXT： INC R4 ；扫描列号加1 MOV A，R2 JNB ACC.3，KND ；笫3位为“0”，已扫完最高列则转KEND RLA A；循环左移一位 MOV R2，A AJMP LK4 ；进行下一列扫描 KEND： AJMP KEY1 ；扫描完毕，开始新的一轮KEY：MOV
30、 R2，#0FFH；计算键值子程序，初始化键值寄存单元MOV DPTR，#KEYTABLE；向DPTR加载键码表CHAZ：INC R2；键值加1MOV A，R2；键值送给AMOVC A，A+DPTR；查出对比键码CJNE A，#0FFH，CHA；搜索对比键码结束? 否，跳到CHARET；是，最终没找出有效键值，直接返回CHA：CJNE A，R4，CHAZ；对比键码与当前扫描结果(键码)一致?；否，跳到CHAZ再搜索LCALL SHOW；是，显示出来RET；返回KEYTABLE： ；键码表DB 07EH，07DH，07BH，077HDB 0BEH，0BDH，0BBH，0B7HDB 0DEH，0D
31、DH，0DBH，0D7HDB 0EEH，0EDH，0EBH，0E7HDB 0FFH初始化子程序： DISPP：MOV P1,73H LCALL DELAYTIME RET 显示键值子程序：SHOW：MOV A，R2MOV B，#10DIV ABSHOWX：MOV DPTR，#LEDTABLEXCH A，BMOVC A，A+DPTRMOV SBUF，ACLR TIJNB TI，$XCH A，BMOVC A，A+DPTRMOV SBUF，ACLR TIJNB TI，$RETDELAYTIME： ；50mS延时子程序MOV TMOD，#01HHH：MOV TH0，#4CHMOV TL0，#00HSE
32、TB TR0CLR TF0NB TF0，$CLR TR0RETLEDTABLE：DB 0FCH，060H，0DAH，0F2H，066H，0B6H；LED字型码表 DB 0BEH，0E0H，0FEH，0E6H，02HEND总结通过本次设计，熟悉了温度测量电路的基本构成，通过对系统硬件的组态，掌握了几种芯片的功能和使用方法，同时对于单片机的软件编程进一步体会到指令的用法，有了一定的全面的提高。参考文献1 美Michael A. Miller 著.Data and Network Communications M. 北京:科学出版社，20022 何希才，刘洪梅.新型通用集成电路实用技术M. 北京:国防工业出版社， 1997.3 李隆宝. 实用电子器件和电路简明手册M. 北京:电子工业出版社，1991.4 李广弟，朱月秀，王秀山. 单片机基础M. 北京:北京航空航天大学出版社，2001.5何立民. 单片机应用技术选编（1）M. 北京:北京航空航天大学出版社，1993.6张友德，赵志英，涂时亮。单片微型机原理、应用与实验M.上海：复旦大学出版社，19927康华光，电子技术基础 数字部分（第四版）M.北京:高等教育出版社，19878余永权，ATMEL89系列FLASH单片机原理及应用M. 电子工业出版社， 2001 9刘常澍，数字逻辑电路M. 北京:国防工业出版社，2002
