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1、目 录目录11、设计方案:12、传感器的选择:23、系统设计34、硬件介绍44.1、K型热电偶44.1.1 K型热电偶概况44.1.2 热电偶传感器测温原理44.2、MAX667554.2.1 MAX6675概况54.2.2 MAX6675性能及结构54.2.3 MAX6675的工作原理与功能74.3、89C51单片机94.4、4位共阳极LED125、硬件电路135.1、K型热电偶采集信号电路135.2、放大电路145.3、电压跟随器155.4、A/D转换电路156、整体电路设计167、软件设计：178、仿真结果219、总结体会231、设计方案:温度测量系统使用温度传感器检测温度变化,补偿电路
2、减小误差提高准确性,将温度变化转化为电压或电流信号,经过放大器将信号放大后,再用A/D转换器将模拟信号转化为数字信号,并将数字信号送到51单片机进行处理,最后在数码管上显示被测温度值。2、传感器的选择:温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将
3、温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如PT100、PT1000等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如DS18B20该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出
4、，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年也比较流行的I2C总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便。热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。采用热电阻传感器设计测温电路，需要设计恒流源、冷端补偿电路、线性校正电路、放大电路、A/D转换电路，过程比较繁琐，集成度低，并且各个电路存在偏差，这些
5、偏差经过多级电路后形成较大误差，严重影响测量温度值。为了电路简洁方便集成度高，减小误差，本次测温电路选用K型热电偶，配合MAX6675完成测温系统。热电偶是工业中常用的温度测温元件，具有如下特点： 测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响； 热响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏； 测量围大：热电偶从 -40+ 1600 均可连续测温；性能可靠， 机械强度好； 使用寿命长，安装方便；但是，K型热电偶须进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性线、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设。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
6、转换器,即一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、AD转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。将K型热电偶和MAX6675结合使用，电路集成度高，简洁很多，减小误差。因此，本次电路设计选用K型热电偶。3、系统设计本设计系统主要包括温度信号采集单元、信号调理单元、单片机数据处理单元、显示单元。其中温度信号的数据调理单元采用MAX675集成芯片，它包括信号调节放大器、12位的模拟数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。系统的整体结构框图如下图所示：测温的模拟电路是把当前K型热电偶传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，经过放大器放大信号后送给A/
7、D转换器把模拟电压转为数字信号，再传给单片机AT89S51，单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到数码管进行显示。4、硬件介绍4.1、K型热电偶4.1.1K型热电偶概况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围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。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。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定
8、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。4.1.2热电偶传感器测温原理热电偶测温由热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成。如果将热电偶的热端加热，使得冷、热两端的温度不同，则在该热电偶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温差电势和接触电势两部分组成。接触电势：它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。当两种不同的导体A和B相接触时，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
9、数要多。导体A失去电子而显正电，导体B获得电子而显负电。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的继续进行，同时加速电子向相反方向运动，使从B到A的电子数增多，最后达到动态平衡状态。此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。此电势只与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，接触电势仅与其接点温度有关。温度越高，导体中的电子就越活跃，由A导体扩散到B导体的电子就越多，接触面处所产生的电动势就越大，即接触电势越大。4.2、MAX66754.2.1MAX6675概况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
10、围宽、测温精度高等特点。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。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。冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0时与测量端差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需要进行冷端补偿。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。因此, 若将热电偶应用于嵌入式系统时, 须进行复杂的信号放大、AD转换、查表线性化、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中, 即采
11、用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能, 则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。4.2.2MAX6675性能及结构Maxim公司新近推出的MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器, 部具有信号调节放大器、12位的模拟数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。MAX6675部集成有冷端补偿电路；带有简单的3位串行SPI接口；可将温度信号转换成12位数字量，温度分辨率达0.25；含热电偶断线检测电路。冷端补偿的温度围-2080，它的温度分辨能力为0. 25 ，可以测量01023.75的温度，工作电压为3. 05. 5V。M
12、AX6675的主要特性如下：简单的SPI串行口温度值输出；0+1024的测温围；12位0.25的分辨率；片冷端补偿；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；工作温度围-20+85；2000V的ESD信号。该器件采用8引脚SO帖片封装。引脚排列如图1所示，引脚功能如下表所列。MAX66475引脚功能如下表所示：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8N.C.空引脚4.2.3MAX6675的工作原理与功能根据热电偶测温原理，热电偶的输出热电势不仅与
13、测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，使用硬件电路进行冷端补偿时，虽能部分改善测量精度，但由于热电偶使用环境的不同及硬件电路本身的局限性，效果并不明显；而使用软件补偿，通常是使用微处理机表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身非线性带来的测量误差，但同时也增加了程序编制及调试电路的难度。MAX6675对其部元器件参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了部修正。同时，MAX6675部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路、断偶检测电路都给K型热电偶的使用带来了极大方便，其工作原理如图2所示。(1) 温度变换MAX6675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
14、-输入端连接到低噪声放大器A1，以保证检测输入的高精度，同时是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，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41/, 电压可由线性公式Vout=（41/）（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。(2)冷端补偿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+1023.75
15、围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，比温度在-20+85围变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。(3) 热补偿在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误大小依赖于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。(4) 噪声补偿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，可在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1F瓷旁路电容。(5)测量精度的提高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
16、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；在温度额定值围使用热电偶导线；避免急剧温度变化；在严劣环境中，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。(6) SPI串行接口MAX6675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。MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图3所示，MAX6675 SPI接口时序如图4所示。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：MCU使CS变
17、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，并使能地点尽可能接近GND脚；第1位为低以提供MAX6675器件身份码，第0位为三态。4.3、89C51单片机单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存
18、储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，因而被称为单片机微型计算机，检查简称单片机。89C51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中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。引脚功能：3.1 电源: VCC - 芯片电源，接+5V/3.3V/2.7V； VSS - 接地端；
19、3.2时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3.3控制线:控制线共有4根（1）ALE/PROG:地址锁存允许/片EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。（2）PSEN:外ROM读选通信号，寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控制端（OE）低有效。（3） RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。（4） EA/Vpp:外ROM选择/片EPROM编程电源。 EA功能：外ROM选择端。
20、80C51单片机ROM寻址围为64KB，其中4KB在片，60KB在片外(80C31芯片无ROM，全部在片外)。 当EA保持高电平时，先访问ROM，但当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时，将自动转向执行外ROM中的程序。 当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片有否ROM。对80C31芯片，片无ROM，因此EA必须接地。 Vpp功能：片有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。3.4 I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。P3.0 RXD：串行
21、口输入端；P3.1 TXD：串行口输出端； P3.2 INT0：外部中断0请求输入端； P3.3 INT1：外部中断1请求输入端； P3.4 T0：定时/计数器0外部信号输入端； P3.5 T1：定时/计数器1外部信号输入端； P3.6 WR：外RAM写选通信号输出端； P3.7 RD：外RAM读选通信号输出端。4.4、4位共阳极LED7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示09等10个数字和小数点，使用非常广泛。（a）管脚排列 （b）共阳结构 设计中采用的是7SEG-MPX4-CA，如下图示：1234为位选，ABCDEFG DP为段码。
22、5、硬件电路5.1、K型热电偶采集信号电路对于K型热电偶, 它的电压变化率为41/, 电压可由线性公式 Vout=（41/）（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。并且Vout=（V+ - V-）。5.2、放大电路放大器的输入信号Vin=Vout=（V+ - V-）。根据电路图可以得到方程：VA+=300V-/(300+30)VA-= VA+ 联立方程可得： Vo=-10(V+ - V-)= S-10 Vout5.3、电压跟随器根据电路图可得： Vin = -Vout5.4、A/D转换电路MAX6675部有自带1
23、2位AD转换器,在数字控制器的作用下,A/D转换器将模拟信号转换为数字量输出。AD量化单位：q=5V/4096转换结果： D=Vin(mV)/q(mV)6、整体电路设计7、软件设计： 软件包括四个函数：主函数、读取AD转换数值函数、显示函数、延时函数。#include reg51.h#include intrins.h /_nop_();延时函数用#define uchar unsigned char /用uchar代替unsigned char，1字节0-255#define uint unsigned int /用uint代替nsigned int，2字节0-26653sbit SO=P1
24、0; /P1.0口与SO相连sbit SCK=P11; /P1.1口与SCK相连sbit CS=P12; /P1.2口与CS相连uint j; float wendu;uint Read_AD(); /AD转换数据数据读取，并返回值void Display_temp(); /温度显示uchar qian=0,bai=0,shi=0,ge=0,xiao=0; /初始化LEDuint temp;uchar code tab_110=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90; /共阳LED段码表uchar code tab_210=0x40,
25、0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10; /含小数点共阳段码0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 uchar codetab_34=0x01,0x02,0x04,0x08; /位码uint Read_AD() /AD转换数据读取子函数，并返回值 uchar i; unsigned long Temp_2; Temp_2=0; CS=1; SCK=0; _nop_(); /这个_nop_()等效与汇编里面的NOP指令，即空一个机器周期， CS=0; for(i=0;i16;i+) /16位数据读取 Temp_2=1; /向左移一位_nop_()
26、;SCK=1; /上升沿脉冲if(SO=1) Temp_2=Temp_2|0x01; else Temp_2=Temp_2|0x00;_nop_(); SCK=0;_nop_(); Temp_2=Temp_2&0x7FF8; /取3-14位 Temp_2=Temp_2*1024/4096; /变换为温度值 return(Temp_2); /返回值 void Display_temp() /温度显示子函数 uint temp=wendu; temp=temp*10; if(wendu0;j-); /延时 P3=0x00; P0=tab_1shi; P3=tab_31; /显示十位数字 for(j
27、=300;j0;j-); P3=0x00; P0=tab_2ge; P3=tab_32; /显示个位数字 for(j=300;j0;j-); P3=0x00; P0=tab_1xiao; P3=tab_33; /显示小数位 for(j=300;j0;j-); void main()/主程序 for(j=300;j0;j-); while(1) wendu=Read_AD();/ 热电偶数据读取，返回温度 Display_temp(); /温度显示 8、仿真结果在proteus中画好电路，检验没有错误后，将单片机的程序指定到编译好的hex文件，然后开始仿真，从200到500随机选取几组温度值，记
28、录LED显示的数值。实际温度值与测量温度值如下表示：温度值225281344409487测量值2252803444094879、总结体会通过本次传感设计，我更加了解一个测温系统的组成及其结构：传感器、测温电路、信号调理电路、CPU处理单元、显示器、输入/输出接口。也更加熟悉各部分电路的功能和原理。本次设计我采用的是K型热电偶和MAX6675，虽然MAX6675是集成芯片，不需要单独设计信号调理电路，但是MAX6675的部结构包含了信号放大器、A/D转换电路、补偿电路等等，我从它的部结构学到了很多。首先，掌握了K型热电偶的工作原理及其优点。其次，我了解了MAX6675的部结构，熟悉其工作原理。从中，学习到了差动放大器的工作原理，也掌握了AD转换器的原理。AD转换器是12位，温度分辨率达0.25。通过查阅资料，我更加了解MAX6675的结构和工作原理，掌握如何实现AD转换、如何实现与单片机通信、如何编写单片机程序来实现数据读取。通过proteus的反复仿真练习，我能够更加熟练的使用proteus软件，动手搭建电路的能力得到提升。本次设计也暴露自己了很多方面的不足，在以后的学习中需要更加的努力，不断完善自己。
