基于熱電偶溫度傳感器的高速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題　　目　基于熱電偶溫度傳感器的高速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)　</p><p>　　學(xué)生姓名　 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)　 &l

2、t;/p><p>　　學(xué)　　號(hào) 　　　　　 </p><p>　　院 （系） </p><p>　　指導(dǎo)教師 　 　

3、 </p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　中文摘要I</b></p><p><b>　　英文摘要II</b></p><p><b>　　1　緒論1</b></p><p>　　2　

4、系統(tǒng)原理概述3</p><p>　　2.1　快速測(cè)溫的算法實(shí)現(xiàn)3</p><p>　　2.2　熱電偶測(cè)溫基本原理4</p><p>　　2.3　熱電偶冷端補(bǔ)償方案確定5</p><p>　　2.3.1　分立元?dú)饧涠搜a(bǔ)償方案5</p><p>　　2.3.2　集成電路溫度補(bǔ)償方案6</p>&

5、lt;p>　　2.3.3　方案確定7</p><p>　　2.4　硬件組成原理7</p><p>　　2.5　軟件系統(tǒng)工作流程7</p><p><b>　　3　硬件設(shè)計(jì)9</b></p><p>　　3.1　熱電偶簡(jiǎn)介9</p><p>　　3.1.1　熱電效應(yīng)9</p&

6、gt;<p>　　3.1.2　熱電偶基本定律11</p><p>　　3.1.3　熱電偶溫度補(bǔ)償11</p><p>　　3.1.4　熱電偶的結(jié)構(gòu)形式12</p><p>　　3.1.5　K型熱電偶概述13</p><p>　　3.1.6　K型熱電偶特點(diǎn)14</p><p>　　3.2　具有冷端

7、補(bǔ)償?shù)臄?shù)字溫度轉(zhuǎn)換芯片MAX6675功能簡(jiǎn)介14</p><p>　　3.2.1　冷端補(bǔ)償專用芯片MAX6675性能特點(diǎn)15</p><p>　　3.2.2　冷端補(bǔ)償專用芯片MAX6675溫度變換16</p><p>　　3.2.3　冷端補(bǔ)償專用芯片MAX6675的冷端補(bǔ)償問(wèn)題17</p><p>　　3.2.4　冷端補(bǔ)償專用芯片MA

8、X6675的熱補(bǔ)償跟噪聲補(bǔ)償問(wèn)題17</p><p>　　3.2.5　冷端補(bǔ)償專用芯片MAX6675測(cè)量精度的提高方法17</p><p>　　3.2.6　冷端補(bǔ)償專用芯片MAX6675的溫度讀取17</p><p>　　3.3　單片機(jī)選擇及部分功能簡(jiǎn)介18</p><p>　　3.3.1　AT89C51單片機(jī)的SPI實(shí)現(xiàn)20<

9、;/p><p>　　3.4　路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS24521</p><p>　　3.5　硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.5.1　溫度采集電路21</p><p>　　3.5.2　顯示電路22</p><p>　　3.5.3　報(bào)警電路24</p><p>　　3.5

10、.4　單片機(jī)控制電路25</p><p><b>　　4　軟件設(shè)計(jì)26</b></p><p>　　4.1　主程序設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.2　溫度采集轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.3　顯示程序設(shè)計(jì)30</p><p><b>　　5　系統(tǒng)仿真31<

11、/b></p><p>　　5.1　Proteus概述31</p><p>　　5.2　系統(tǒng)仿真結(jié)果31</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</

12、b></p><p><b>　　附錄36</b></p><p>　　基于熱電偶溫度傳感器的高速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘　　要</b></p><p>　　本文主要介紹了基于熱電偶溫度傳感器的快速測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文綜合考慮到熱電偶的熱惰性時(shí)間常數(shù)問(wèn)題，采用快速算法實(shí)現(xiàn)

13、了溫度快速測(cè)量的功能?？焖偎惴ㄋ枷胧牵涸诘葧r(shí)間間隔內(nèi)快速采集三個(gè)溫度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)它們與熱時(shí)間常數(shù)、初始溫度以及穩(wěn)定后的溫度之間的關(guān)系，最后得出穩(wěn)定后溫度的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，從而得到所測(cè)量的溫度值。</p><p>　　本文采用了帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675、K型熱電偶、89C51單片機(jī)、數(shù)碼管等元器件設(shè)計(jì)了相應(yīng)溫度采集電路、溫度轉(zhuǎn)換電路、溫度控制電路、超量程報(bào)警電路、數(shù)碼管顯示電路。結(jié)合硬件電路給出了相

14、應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，測(cè)溫精度可達(dá)到0.25℃。本系統(tǒng)的工作流程是：首先熱電偶采集溫度，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MAX6675內(nèi)部電路的處理后送給單片機(jī)進(jìn)行算法處理，最后通過(guò)數(shù)碼管電路顯示出測(cè)量溫度。本設(shè)計(jì)最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了protuse的調(diào)試和仿真，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞　溫度傳感器　熱電偶　熱時(shí)間常數(shù)　冷端補(bǔ)償 </p><p>　　BASED ON THERMOCOUPLE TEMPE

15、RATURE</p><p>　　SENSOR HIGH-SPEED TEMPERATURE</p><p>　　MEASURING SYSTEM DESIGN</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This design describes the thermocouple temp

16、erature 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

17、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, tempe

18、rature formula is</p><p>　　This design uses a temperature conversion chip MAX6675，K-type thermocouple, 89C51microcontroller, LED and other components, design corresponding temperature acquisition circuit, te

19、mperature converter circuit, temperature control circuit, over-range alarm circuit, the LED display circuit. With the hardware give out The corresponding software design, temperature measurement accuracy up to 0.25 ℃．The

20、 system works is: first acquisition thermocouple temperature data through the Treatment of the of th</p><p>　　KEY WORDS Temperature sensor Thermocouple Thermal time constant Cold </p><p>　　j

21、unction compensation</p><p><b>　　1　緒論</b></p><p>　　溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)，對(duì)溫度的測(cè)量在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工、國(guó)防、科研等領(lǐng)域中有廣泛地應(yīng)用。在某些特殊的場(chǎng)合對(duì)溫度的檢測(cè)速度有很高的要求，例如：在測(cè)量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣的溫度的時(shí)候，就要求熱響應(yīng)時(shí)間小于1s；航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)

22、機(jī)的溫度測(cè)量要求0.4s 內(nèi)完成等。因此針對(duì)以上問(wèn)題就有人提出溫度快速測(cè)量的思想。</p><p>　　通常用來(lái)測(cè)量溫度的傳感器有熱電阻溫度傳感器、熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器等幾種。這些常用溫度傳感器一般的溫度測(cè)量中可以滿足響應(yīng)速度的問(wèn)題。但在特殊的場(chǎng)合就不能達(dá)到快速檢測(cè)的要求，例如在氣體溫度測(cè)量時(shí)候，由于溫度傳感器自身的熱滯特性，而氣體傳熱過(guò)程又比較緩慢，氣體溫度測(cè)量就有很大滯后。工業(yè)常用的精度較高的溫

23、度傳感器有鉑熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等。鉑熱電阻具有溫度測(cè)量范圍大、重復(fù)性好、精度高等特點(diǎn)，但是響應(yīng)不是很快，特別是在對(duì)氣體溫度測(cè)量時(shí)至少要幾秒鐘，在某些工作環(huán)境比較特殊的場(chǎng)合，如高壓環(huán)境下，還需使用鎧裝的鉑熱電阻，更是延緩了熱響應(yīng)速度。半導(dǎo)體溫度傳感器分熱敏電阻和PN結(jié)型溫度傳感器兩種。熱敏電阻非常適合對(duì)微弱溫度變化的測(cè)量，但是缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重；PN結(jié)型的特點(diǎn)是體積小、線性輸出、精度高，但是不能使用在液體環(huán)境，對(duì)氣體溫度變化響應(yīng)也較慢

24、[1]。所以用溫度傳感器一般都存在著對(duì)氣體溫度變化響應(yīng)較慢的問(wèn)題。在對(duì)溫度實(shí)時(shí)性測(cè)量要求比較高的系統(tǒng)，運(yùn)用常用溫度測(cè)量方法很難做到對(duì)溫度的快速測(cè)量，對(duì)系統(tǒng)的精度影響就很大。</p><p>　　在工業(yè)過(guò)程控制與生產(chǎn)制造領(lǐng)域普遍使用具有較高測(cè)溫精度及測(cè)溫范圍的熱電偶做測(cè)溫元件。在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶中,K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶由于具有價(jià)格低廉、輸出熱電勢(shì)值較大、熱電勢(shì)與溫度的線性關(guān)系好、化學(xué)穩(wěn)定性好、復(fù)制性好、可在100

25、0℃下長(zhǎng)期使用等特點(diǎn),因而是工業(yè)生產(chǎn)制造部門應(yīng)用最廣泛的熱電偶元件。但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí)，卻存在著以下幾方面的問(wèn)題[2]。①非線性：熱電偶輸出熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系,因此在應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行線性化處理。②冷端補(bǔ)償:熱電偶輸出的熱電勢(shì)為冷端保持為0℃時(shí)與測(cè)量端的電勢(shì)差值，而在實(shí)際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需進(jìn)行冷端補(bǔ)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

26、模擬小信號(hào)測(cè)溫元件的熱電偶顯然無(wú)法直接滿足這個(gè)要求。在許多熱工實(shí)驗(yàn)中，往往面臨熱電偶冷端溫度問(wèn)題,不管是采用恒溫補(bǔ)償法(冰點(diǎn)補(bǔ)償法)還是電橋補(bǔ)償法,都會(huì)帶來(lái)實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高、實(shí)際的檢測(cè)系統(tǒng)較復(fù)雜.難以達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量、接口轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜等問(wèn)題,而隨著計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域的普遍應(yīng)用,溫度參數(shù)的微機(jī)化測(cè)量與控制已成為必然趨勢(shì)。因此我們必須</p><p>　　鑒于上面的分析,本論文主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一種基于高精度K型熱

27、電偶傳感器的快速測(cè)溫系統(tǒng)。采用帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675、K型熱電偶、89C51單片機(jī)、數(shù)碼管等元器件設(shè)計(jì)出相應(yīng)溫度采集電路、溫度轉(zhuǎn)換電路、溫度控制電路、超量程報(bào)警電路、數(shù)碼管顯示電路。系統(tǒng)用單片機(jī)對(duì)帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675進(jìn)行控制,要達(dá)到任務(wù)書(shū)中的技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行protuse的調(diào)試和仿真試驗(yàn)，使其具有良好的實(shí)用性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)固體表面、液體和氣體溫度的高精度快速測(cè)量。</p><

28、;p><b>　　2　系統(tǒng)原理概述</b></p><p>　　2.1　快速測(cè)溫的算法實(shí)現(xiàn)</p><p>　　熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫時(shí)，溫度是一個(gè)緩慢上升的過(guò)程，且溫度隨時(shí)間的變化并不是一個(gè)線性的過(guò)程，因此要實(shí)現(xiàn)快速測(cè)溫就要考慮熱電偶的熱惰性時(shí)間常數(shù)問(wèn)題[3]，采用合理的軟件算法。下面就從基本算法著手，其原理就是在等間隔的時(shí)間點(diǎn)t1、t2、t3連續(xù)采集三個(gè)溫度值，

29、然后根據(jù)采集溫度值跟熱時(shí)間常數(shù)[17]、初始溫度、穩(wěn)定后的溫度之間的關(guān)系、最后得出的數(shù)學(xué)計(jì)算公式[4]，從而得到所測(cè)量溫度值。測(cè)溫時(shí)，時(shí)間隨著溫度變化如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1　時(shí)間隨著溫度變化曲線</p><p>　　由溫度與時(shí)間及時(shí)間常數(shù)關(guān)系式：</p><p><b>　　（2-1）</b></p>&l

30、t;p>　　當(dāng)t分別為t1、t2、t3時(shí)：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　（2-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　由式子（2-1）得</b><

31、/p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　當(dāng)t分別為t1、t2、t3時(shí)，則有：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　（2-7）</b></p><p><b>　?。?-8）</

32、b></p><p>　　由式子（2-6）÷式子（2-7）得： </p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　由式子（2-7）÷式子（2-8）得：</p><p><b>　?。?-10）</b></p>

33、;<p>　　因?yàn)閠1、t2、t3時(shí)間間隔相等，則t3-t2=t2-t1，可得：</p><p><b>　　（2-11）</b></p><p>　　整理式子（2-11）得：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　由式(2-12)可知穩(wěn)定后的溫度只跟采

34、集的三個(gè)溫度值相關(guān)，此算法與時(shí)間常數(shù)等未知量都不相關(guān)。所以通過(guò)此算法只要在等間隔的時(shí)間內(nèi)快速采集三個(gè)溫度值，通過(guò)軟件算法計(jì)算就可實(shí)現(xiàn)溫度的快速測(cè)量。</p><p>　　2.2　熱電偶測(cè)溫基本原理</p><p>　　熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路[2]，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的

35、均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端（熱端），溫度較低的一端為自由端（冷端），自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。

36、熱電偶的熱電勢(shì)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問(wèn)題：1、熱電偶的熱電勢(shì)是熱電偶兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù)；2、熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí)，與熱電偶的長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；3、當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢(shì)的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)。若熱電偶冷端的溫度保持一定，這時(shí)熱電偶的熱電勢(shì)僅是工作端溫度的單值函數(shù)。</p><p>　　2.3　

37、熱電偶冷端補(bǔ)償方案確定</p><p>　　熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端（測(cè)量端為熱端，通過(guò)引線與測(cè)量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將影響嚴(yán)重測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償。</p><p>　　2.3.1　分立元?dú)饧涠搜a(bǔ)償方案</p>&l

38、t;p>　　方案一的熱電偶冷端溫度補(bǔ)償器件是由分立元件構(gòu)成的,其體積大,使用不夠方便,而且在改變橋路電源或熱電偶類型時(shí)需要重新調(diào)整電路的元件值。主要包括溫度采集電路、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、熱電偶冷端補(bǔ)償電路、數(shù)碼管顯示電路等。其系統(tǒng)框圖如圖2-2。</p><p>　　圖2-2　分立元?dú)饧涠搜a(bǔ)償</p><p>　　2.3.2　集成電路溫度補(bǔ)償方案</p>&

39、lt;p>　　方案二采用熱電偶冷端補(bǔ)償專用芯片max6675，max6675溫度轉(zhuǎn)換芯片具有冷端溫度補(bǔ)償及對(duì)溫度進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量這兩項(xiàng)功能[5]。一方面利用內(nèi)置溫度敏感二極管將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償電壓，另一方面又通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將熱電勢(shì)和補(bǔ)償電壓轉(zhuǎn)換為代表溫度的數(shù)字量, 將二者相加后從串行接口輸出的測(cè)量結(jié)果，即為實(shí)際溫度數(shù)據(jù)。主要包括溫度采集電路、max6675溫度轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路等。其系統(tǒng)框圖如圖2-3。</p>

40、<p>　　圖2-3 集成電路溫度補(bǔ)償</p><p>　　2.3.3　方案確定</p><p>　　綜合對(duì)比以上兩種方案，方案一電路復(fù)雜，且測(cè)量不精確照成誤差較大，方案二采用集成溫度轉(zhuǎn)換芯片不僅能很好的解決冷端溫度補(bǔ)償及溫度數(shù)值化問(wèn)題，并消除由熱電偶非線性而造成的測(cè)量誤差,且精確度高，可實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。故最后采用方案二。</p><p>　　2.

41、4　硬件組成原理</p><p>　　本系統(tǒng)硬件主要由熱電偶溫度采集電路、MAX6675溫度處理電路、89C51單片機(jī)控制電路、超量程報(bào)警電路和數(shù)碼管顯示電路組成。</p><p>　　熱電偶采用分度號(hào)為K的熱電偶，為了減少外界信號(hào)的干擾通過(guò)雙絞線跟MAX6675芯片直接相連接。MAX6675芯片通過(guò)SPI串行接口傳輸數(shù)據(jù)，采用的89C51單片機(jī)對(duì)帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675進(jìn)

42、行控制。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)還具有報(bào)警的特點(diǎn)，當(dāng)所測(cè)量的溫度低于零攝氏度或者高于400攝氏度時(shí)報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)。顯示電路由89C51單片機(jī)通過(guò)鎖存器對(duì)四位共陽(yáng)數(shù)碼管控制，數(shù)碼管工作需要較大的電流采用型號(hào)為8550的PNP三極管進(jìn)行控制，當(dāng)所測(cè)溫度在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)就可以通過(guò)數(shù)碼管快速顯示出來(lái)。</p><p>　　2.5　軟件系統(tǒng)工作流程</p><p>　　系統(tǒng)的軟件工作流程為：熱電偶采集的溫度數(shù)據(jù)；

43、溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MAX6675內(nèi)部電路的AD轉(zhuǎn)換、冷端補(bǔ)償、內(nèi)部校正[6]；溫度轉(zhuǎn)換電路將處理后12位數(shù)字溫度量以串行方式送給單片機(jī)；單片機(jī)將數(shù)字量進(jìn)行軟件算法處理；如果測(cè)量溫度在測(cè)量范圍內(nèi)，最后通過(guò)數(shù)碼管顯示出測(cè)量溫度；如果超出測(cè)量范圍由單片機(jī)控制使報(bào)警電路報(bào)警。其軟件工作流程圖如圖2-4。</p><p>　　圖2-4 系統(tǒng)軟件工作流程圖</p><p><b>　　3　硬件設(shè)

44、計(jì)</b></p><p><b>　　3.1　熱電偶簡(jiǎn)介</b></p><p>　　熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它是將溫度量轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便，具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性，溫度測(cè)量范圍寬，在溫度測(cè)量中占有重要的地位。</p><p>　　3.1.1　熱電效應(yīng)</p><

45、p>　　當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連成閉合回路時(shí)，將兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為T和T0的熱源中，該回路內(nèi)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)[2]。熱電勢(shì)的大小反映兩個(gè)接點(diǎn)溫度差，保持T0不變，熱電勢(shì)隨著溫度T變化而變化。測(cè)得熱電勢(shì)的值，即可知道溫度T的大小。</p><p>　　圖3-1　熱電偶測(cè)溫原理圖</p><p>　　產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩部分組成：溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。</p><p&

46、gt;　　接觸電勢(shì)產(chǎn)生的原因：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。兩種導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散，（NA>NB，A到B）在接觸處失去電子的一側(cè)帶正電，得到電子的一側(cè)帶負(fù)電，形成穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電勢(shì)和可表示為：</p><p><b>　　（3-1）</b></p>

47、;<p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中：—波爾茲曼常數(shù)；—單位電荷電量；、和、 — 分別在溫度為和時(shí)，導(dǎo)體A、B的自由電子密度。</p><p>　　同一導(dǎo)體溫差電勢(shì)是由同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)，高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高

48、溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，形成一個(gè)靜電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢(shì)，其大小由下面公式給出：</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　?。簻愤d系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)。</p><p>

49、;　　熱電偶回路中總的熱電勢(shì)應(yīng)是接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)之和。</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　在總熱電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，在精度要求不高的情況下，熱電偶的熱電勢(shì)可近似表示為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　對(duì)于已選定的

50、熱電偶，當(dāng)參考端溫度恒定時(shí)，為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　實(shí)際應(yīng)用中，熱電勢(shì)與溫度之間關(guān)系是通過(guò)熱電偶分度表來(lái)確定的。分度表是在參考端溫度為0℃時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。</p><p>　　熱電偶回路的幾點(diǎn)結(jié)論：1、

51、如果構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極為材料相同的均質(zhì)導(dǎo)體，則無(wú)論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢(shì)為零。必須采用兩種不同的材料作為熱電極。2、如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等，熱電偶回路內(nèi)的總電勢(shì)亦為零。3、熱電偶AB的熱電勢(shì)與A、B材料的中間溫度無(wú)關(guān)，只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。</p><p>　　3.1.2　熱電偶基本定律</p><p>　　中間導(dǎo)體定律：利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表

52、，接入導(dǎo)線和儀表后會(huì)不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)呢？中間導(dǎo)體定律說(shuō)明，在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體，只要其兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。</p><p>　　均質(zhì)導(dǎo)體定律：由一種均勻介質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面、長(zhǎng)度以及各處的溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電勢(shì)。換句話說(shuō)：如果熱電偶的兩根熱電極是由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與沿?zé)犭姌O的溫度分布無(wú)關(guān)。如果熱電極為非均質(zhì)導(dǎo)

53、體，當(dāng)處于具有溫度階梯的情況時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生附加電勢(shì)，引起測(cè)量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。</p><p>　　參考電極的實(shí)用價(jià)值在于：它可大大簡(jiǎn)化熱電偶的選配工作。實(shí)際測(cè)溫中，只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對(duì)時(shí)的熱電勢(shì)值，那么任何兩種熱電極配對(duì)時(shí)的熱電勢(shì)均可按公式而無(wú)需再逐個(gè)去測(cè)定。用作參考電極(標(biāo)準(zhǔn)電極)的材料，目前主要為純鉑絲材，因?yàn)殂K的熔點(diǎn)高，易提純，且在高溫與常溫時(shí)的物理、化

54、學(xué)性能都比較穩(wěn)定。</p><p>　　中間溫度定律：熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為、中間溫度為.該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì)[10],可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。</p><p>　　圖3-2　熱電偶中間導(dǎo)體示意圖</p><p>　　3.1.3　熱電偶溫度補(bǔ)償</p><p>　　

55、從熱電偶測(cè)溫基本公式可以看到，對(duì)某一種熱電偶來(lái)說(shuō)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關(guān)即：</p><p><b>　　（3-7）</b></p><p>　　熱電偶的分度表是以t0=0℃作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而在實(shí)際使用過(guò)程中，參考端溫度往往不為0℃，那么工作端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式

56、：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　由此可見(jiàn)，是參考端溫度t0的函數(shù)，因此需要對(duì)熱電偶參考端溫度進(jìn)行處理。</p><p>　　常用的補(bǔ)償方法有[7-8]：1、冷端恒溫法；2、補(bǔ)償導(dǎo)線法；3、計(jì)算修正法；4、電橋補(bǔ)償（又稱冷端補(bǔ)償器）法；5、顯示儀表零位調(diào)整法；6、軟件處理法。</p><

57、p>　　3.1.4　熱電偶的結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件、熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。 </p><p>　　普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 普通結(jié)構(gòu)熱電偶</p><

58、p>　　鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體，它可以做得很細(xì)很長(zhǎng)，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 套管熱電偶結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　薄膜熱電偶是由兩種薄

59、膜熱電極材料，用真空蒸鍍、化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶，薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很?。杀〉?.01~0.1μm）, 具有熱容量小，反應(yīng)速度快等的特點(diǎn)，熱相應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1.5　K型熱電偶概述</p&g

60、t;<p>　　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(cè)量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。</p><p>　　圖3-6 K型熱電偶</p><p>　　鎳鉻-偶（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1.2～4.0m

61、m。</p><p>　　正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni：Cr=92：12，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni：Si=99：3，其使用溫度為-200~1300℃。</p><p>　　K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中廣泛為用戶所采用。</p><p>　　K型熱電偶不能直接在

62、高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛.</p><p>　　3.1.6　K型熱電偶特點(diǎn)</p><p>　　K型熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。必須配和二次儀表使用其優(yōu)點(diǎn)是：</p><p>　?、贉y(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。</p><p>　?、跍y(cè)量范圍廣。常

63、用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。</p><p>　　③構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。</p><p>　　3.2　具有冷端補(bǔ)償?shù)臄?shù)字溫度轉(zhuǎn)換芯片MAX6675功能簡(jiǎn)介</p><p>　

64、　MAX6675是美國(guó)Maxin公司生產(chǎn)的基于SPI總線的專用芯片[9]，不僅能對(duì)K型熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，還能對(duì)熱電勢(shì)信號(hào)作數(shù)字處理，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、儀器儀表、自動(dòng)化領(lǐng)域等。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 MAX6675內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2.1　冷端補(bǔ)償專用芯片MAX6675性能特點(diǎn)</p>&l

65、t;p>　　MAX6675的主要特性如下：</p><p>　?、俸?jiǎn)單的SPI串行口溫度值輸出。</p><p>　?、?℃~+l024℃的測(cè)溫范圍。</p><p>　?、?2位0.25℃的分辨率。</p><p><b>　?、芷瑑?nèi)冷端補(bǔ)償。</b></p><p><b>　

66、?、莞咦杩共顒?dòng)輸入。</b></p><p><b>　?、逕犭娕紨嗑€檢測(cè)。</b></p><p>　?、邌我?5V的電源電壓.</p><p><b>　　⑧低功耗特性。</b></p><p>　?、峁ぷ鳒囟确秶?20℃～+85℃。</p><p>　?、?

67、000V的ESD保護(hù)。</p><p>　　該器件采用8引腳50貼片封裝。引腳排列如圖3-8所示，引腳功能如表3-1。</p><p>　　圖3-8　引腳功能圖</p><p>　　表3-1　引腳功能表</p><p>　　3.2.2　冷端補(bǔ)償專用芯片MAX6675溫度變換</p><p>　　MAX6675內(nèi)部具有將

68、熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為與ADC輸入通道兼容電壓的信號(hào)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(cè)輸入的高精度，同時(shí)使熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢(shì)經(jīng)低噪聲放大器A1放大，再經(jīng)過(guò)A2電壓跟隨器緩沖后，被送至ADC的輸入端。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相等價(jià)的溫度值之前，它需要對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實(shí)際參考值之間的差值。對(duì)于K型熱電偶，電壓變化率為41μV/℃，電壓可由線性公

69、式Vout=(41μV/℃)×(tR-tAMB)來(lái)近似熱電偶的特性。上式中，Vout為熱電偶輸出電壓（mV），tR是測(cè)量點(diǎn)溫度；tAMB是周圍溫度。</p><p>　　3.2.3　冷端補(bǔ)償專用芯片MAX6675的冷端補(bǔ)償問(wèn)題</p><p>　　熱電偶的功能是檢測(cè)熱、冷兩端溫度的差值，熱電偶熱節(jié)點(diǎn)溫度可在0℃～+l023.75℃范圍變化。冷端即安裝MAX6675的電路板周圍溫度

70、，此溫度在-20℃～+85℃范圍內(nèi)變化。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)，MAX6675仍能精確檢測(cè)熱端的溫度變化。MAX6675是通過(guò)冷端補(bǔ)償檢測(cè)和校正周圍溫度變化的。該器件可將周圍溫度通過(guò)內(nèi)部的溫度檢測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為溫度補(bǔ)償電壓，為了產(chǎn)生實(shí)際熱電偶溫度測(cè)量值，MAX6675從熱電偶的輸出和檢測(cè)二極管的輸出測(cè)量電壓。該器件內(nèi)部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到ADC中轉(zhuǎn)換，以計(jì)算熱電偶的熱端溫度。當(dāng)熱電偶的冷端與芯片溫度相等時(shí)，MAX6675可獲得最佳的

71、測(cè)量精度。因此在實(shí)際測(cè)溫應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量避免在MAX6675附近放置發(fā)熱器件或元件，因?yàn)檫@樣會(huì)造成冷端誤差。</p><p>　　3.2.4　冷端補(bǔ)償專用芯片MAX6675的熱補(bǔ)償跟噪聲補(bǔ)償問(wèn)題</p><p>　　在測(cè)溫應(yīng)用中，芯片自熱將降低MAX6675溫度測(cè)量精度，誤差大小依賴于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(cè)量誤差，可在布線時(shí)使用大面積接地技術(shù)

72、提高M(jìn)AX6675溫度測(cè)量精度。</p><p>　　MAX6675的測(cè)量精度對(duì)電源藕合噪聲較敏感。為降低電源噪聲的影響，可在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1uF陶瓷旁路電容。</p><p>　　3.2.5　冷端補(bǔ)償專用芯片MAX6675測(cè)量精度的提高方法</p><p>　　熱電偶系統(tǒng)的測(cè)量精度可通過(guò)以下預(yù)防措施來(lái)提高：①盡量采用不能從測(cè)量區(qū)域散熱的大

73、截面導(dǎo)線；②如必須用小截面導(dǎo)線，則只能應(yīng)用在測(cè)量區(qū)域，并且在無(wú)溫度變化率區(qū)域用擴(kuò)展導(dǎo)線；③避免受能拉緊導(dǎo)線的機(jī)械擠壓和振動(dòng)；④當(dāng)熱電偶距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)采用雙絞線作熱電偶連線；⑤在溫度額定值范圍內(nèi)使用熱電偶導(dǎo)線；⑥避免急劇溫度變化；⑦在惡劣環(huán)境中，使用合適的保護(hù)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(kuò)展導(dǎo)線；⑨保持熱電偶電阻的事件記錄和連續(xù)記錄。</p><p>　　3.2.6　冷端補(bǔ)償專用芯片MAX667

74、5的溫度讀取</p><p>　　MAX667多采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與MCU接口，且MAX6675只能作為從設(shè)備。MAX6675S0端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如圖3-9所示，MAX6675SPI接口時(shí)序如圖3-10所示。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程如下：MCU使CS變低并提供時(shí)鐘信號(hào)給SCK，由S0讀取測(cè)量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過(guò)程：CS變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過(guò)程。一個(gè)完整串行接口讀操作需

75、16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀16個(gè)輸出位，第l位和第15位是一偽標(biāo)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(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開(kāi)放時(shí)為高，開(kāi)放熱電偶檢測(cè)電路完全由MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開(kāi)放熱電偶檢測(cè)器操作，T-必須接地，并使接地點(diǎn)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)。</p><p>　　圖3-9　MAX6675S0端輸出溫度數(shù)據(jù)的

76、格式</p><p>　　D14～D3為12位數(shù)據(jù)，其最小值為0，對(duì)應(yīng)的溫度值為0℃；最大值為4095，對(duì)應(yīng)的溫度值為1023.75℃；由于MAX6675內(nèi)部經(jīng)過(guò)了激光修正，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對(duì)應(yīng)溫度值具有較好的線性關(guān)系。溫度值與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：</p><p>　　溫度值= 1023.75×轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量/4095</p><p>　　圖3-10

77、MAX6675SPI接口時(shí)序</p><p>　　3.3　單片機(jī)選擇及部分功能簡(jiǎn)介</p><p>　　MCU是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，由于溫度測(cè)量系統(tǒng)的接口方便，綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)，選用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51型單片機(jī)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL

78、高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，其外觀引腳圖如下：</p><p>　　圖3-11　AT89C51外觀引腳圖</p><p>　　AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能[12]：4k字節(jié)的flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)

79、16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式、空閑方式停止CPU工作，但允許RAM，定時(shí)/技術(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。</p><p>　　AT89C51共有4個(gè)雙向的8位并行I/O端口，分別為P

80、0~P3，共有32根口線，端口的每一位均由鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器所組成。P0~P3的端口寄存器屬于特殊功能寄存器系列。這四個(gè)端口除了可以按字節(jié)尋址外還可以位尋址。其中P0口為漏極開(kāi)路作為輸出使用時(shí)應(yīng)外加上拉電阻，P3口既可以做為普通I/O口使用，還可以作為特定的功能引腳。雖然51單片機(jī)只有一個(gè)串口接口，但其I/O口既可以用字節(jié)尋址也可以位尋址，這樣在實(shí)際應(yīng)用中，我們就可以通過(guò)模擬不同總線的時(shí)序特征來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的傳輸。</

81、p><p>　　AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)功能強(qiáng)大的全雙工的一部通信串口。其串行口有四種工作方式：分別為同步通信方式、8位異步收發(fā)、9位異步收發(fā)（特定波特率）、9位異步收發(fā)（定時(shí)器控制波特率）。它有兩個(gè)物理上獨(dú)立接收發(fā)送緩沖器SBUF，可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。波特率可由軟件設(shè)置片內(nèi)的定時(shí)器來(lái)控制，而且每當(dāng)串行口接收或發(fā)送1B完畢，均可發(fā)出中斷請(qǐng)求。</p><p>　　3.3.1　AT89C

82、51單片機(jī)的SPI實(shí)現(xiàn)</p><p>　　串行外圍設(shè)備接口SPI（serial peripheral interface）總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口，Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口。SPI 用于CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。SPI可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)。它只需四條線就可以完成MCU與各種外圍器件的通訊，這四條線是：串行時(shí)鐘線

83、（CSK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）、低電平有效從機(jī)選擇線CS。當(dāng)SPI工作時(shí)，在移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳（MOSI）輸出（高位在前），同時(shí)從輸入引腳（MISO）接收的數(shù)據(jù)逐位移到移位寄存器（高位在前）。發(fā)送一個(gè)字節(jié)后，從另一個(gè)外圍器件接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器中。主SPI的時(shí)鐘信號(hào)（SCK）使傳輸同步。其時(shí)序圖如下：</p><p>　　圖3-12　S

84、PI總線時(shí)序圖</p><p>　　對(duì)于不帶SPI串行總線接口的AT89C51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，可以使用軟件來(lái)模擬SPI的操作[13]，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。對(duì)于不同的串行接口外圍芯片，它們的時(shí)鐘時(shí)序是不同的。對(duì)于在SCK的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿輸出（發(fā)送）數(shù)據(jù)的器件，一般應(yīng)將其串行時(shí)鐘輸出口P1.1（模擬MCU的SCK線）的初始狀態(tài)設(shè)置為1，而在允許接口后再置P1.1為0。這樣，MCU在輸出1位

85、SCK時(shí)鐘的同時(shí)，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至MCU的P1.3口（模擬MCU的MISO線），此后再置P1.1為1，使單片機(jī)從P1.0（模擬MCU的MOSI線）輸出1位數(shù)據(jù)（先為高位）至串行接口芯片。至此，模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出便宣告完成。此后再置P1.1為0，模擬下1位數(shù)據(jù)的輸入輸出，依此循環(huán)8次，即可完成1次通過(guò)SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。對(duì)于在SCK的下降沿輸入數(shù)據(jù)和上升沿輸出數(shù)據(jù)的器件，則應(yīng)取串行時(shí)鐘輸出的初始狀態(tài)為0

86、，即在接口芯片允許時(shí)，先置P1.1為1，以便外圍接口芯片輸出1位數(shù)據(jù)（MCU接收1位數(shù)據(jù)），之后再置時(shí)鐘為0，使外圍接口芯片接收1位據(jù)(MCU發(fā)送1位數(shù)據(jù))，從而完成1位數(shù)據(jù)的傳送</p><p>　　3.4　路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245</p><p>　　74LS245是我們常用的芯片，用來(lái)驅(qū)動(dòng)led或者其他的設(shè)備，它是8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。其引腳圖如下

87、：</p><p>　　圖3-13 74LS245引腳功能圖</p><p>　　74LS245還具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。</p><p>　　當(dāng)89C51單片機(jī)的P0口總線負(fù)載達(dá)到或超過(guò)P0最大負(fù)載能力時(shí)，必須接入74LS245等總線驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)片選端E低電平有效時(shí)，DIR=“0”，信號(hào)由 B 向 A 傳輸；（接收）DIR=“1”，信號(hào)由 A

88、 向 B 傳輸；（發(fā)送）當(dāng)E為高電平時(shí)，A、B均為高阻態(tài)。由于P2口始終輸出地址的高8位，接口時(shí)74LS245的三態(tài)控制端1G和2G接地，P2口與驅(qū)動(dòng)器輸入線對(duì)應(yīng)相連。P0口與74LS245輸入端相連,E端接地，保證數(shù)據(jù)線暢通。89C51的/RD和/PSEN相與后接DIR，使得RD且PSEN有效時(shí)，74LS245輸入（P0.1←D1），其它時(shí)間處于輸出（P0.1→D1）。</p><p>　　3.5　硬件電路詳細(xì)

89、設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5.1　溫度采集電路</p><p>　　熱電偶作為一種主要的測(cè)溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)[14]。但是，熱電偶的應(yīng)用卻存在著非線性、冷端補(bǔ)償、數(shù)字化輸出等幾方面的問(wèn)題。設(shè)計(jì)中采用的MAX6675是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其電路如圖3-14所示。</

90、p><p>　　K型熱電偶的兩端分別跟MAX6675芯片的T-跟T+相連，為了允許熱電偶斷路檢測(cè)，T-引腳必須接地。MAX6675的測(cè)量精度對(duì)電源耦合噪聲較敏感。為降低電源噪聲影響，在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1μF陶瓷旁路電容。溫度由熱電偶采集，然后將數(shù)據(jù)直接送給冷端補(bǔ)償芯片MAX6675芯片進(jìn)行處理，處理后送給單片機(jī)控制電路，完成簡(jiǎn)單的溫度采集過(guò)程。</p><p>　　圖3

91、-14　溫度采集電路原理圖</p><p>　　3.5.2　顯示電路</p><p>　　LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出器件，是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)或一個(gè)筆畫(huà)發(fā)光，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，這就能顯示出不同字符。</p><p>　　七段LED共有8個(gè)發(fā)光二極管，其中7個(gè)發(fā)光二極管七端字形“8”，一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)

92、。發(fā)光二極管陰極連在一起的稱為共陰極顯示器，如圖3-15a所示。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管陰極接地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，即邏輯電平“1”時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。發(fā)光二極管陽(yáng)極接在一起的稱為共陽(yáng)極顯示器，如圖3-15b所示。共陽(yáng)極LED顯示器的陽(yáng)極接在+5V電壓源上，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平，即邏輯“0”時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。</p><p>　?。帷」碴帢O顯示器

93、 b　共陽(yáng)極顯示器</p><p>　　圖3-15　七段LED顯示器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　點(diǎn)亮顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。所謂靜態(tài)顯示就是顯示器在顯示某個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止。這種顯示方式每個(gè)顯示器都需要一個(gè)8位輸出口控制，需要硬件多，適用于顯示位數(shù)較少的場(chǎng)合。當(dāng)顯示位數(shù)較多時(shí)采用動(dòng)態(tài)顯示。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位的輪流點(diǎn)亮各位顯示器，對(duì)于每位顯示

94、器來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的點(diǎn)亮和點(diǎn)亮?xí)r的導(dǎo)通電流有關(guān)，還與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間有關(guān)，調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用的是一個(gè)四位共陽(yáng)數(shù)碼管，當(dāng)89C51單片機(jī)的P0口總線負(fù)載達(dá)到或超過(guò)P0最大負(fù)載能力時(shí)，必須接74LS245等總線驅(qū)動(dòng)器。本文溫度顯示電路設(shè)計(jì)是由一個(gè)4位共陽(yáng)數(shù)碼管通過(guò)三態(tài)雙向總線收發(fā)器芯片74LS245跟單片機(jī)相連接，其電路如圖3-16所示

95、。其中74LS245的片選跟三態(tài)控制引腳接地，數(shù)據(jù)由單片機(jī)向數(shù)碼管傳輸。數(shù)碼管的位的選擇通過(guò)8550三級(jí)管進(jìn)行控制，三級(jí)管基極通過(guò)限流電阻跟單片機(jī)的I/O口相連接，當(dāng)端口為高電平時(shí)，三極管截止，當(dāng)給端口為低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，數(shù)碼管相應(yīng)的位被選中。這樣可方便地對(duì)數(shù)碼管每一位進(jìn)行單獨(dú)控制。</p><p>　　R3-R10為限流電阻。三極管飽和開(kāi)通時(shí)，集電極－發(fā)射極之間電壓取0.5V，數(shù)碼管的壓降取2V，數(shù)碼管的工作

96、電流取5mA～15mA。則限流電阻可這樣計(jì)算獲得：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　把數(shù)據(jù)帶入式子（3-9）得可取值170～500現(xiàn)取。為保證三極管可靠開(kāi)通關(guān)斷，且要求數(shù)碼管的亮度適量較高，基極電阻 R11-R14 可適量取小值，本設(shè)計(jì)取基極電阻為470。</p><p>　　圖3-16　數(shù)碼管顯示電路<

97、;/p><p>　　3.5.3　報(bào)警電路</p><p>　　蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過(guò)電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動(dòng)它，單片機(jī)IO引腳輸出的電流較小，單片機(jī)輸出的TTL電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此需要增加一個(gè)電流放大的電路。超量程報(bào)警電路如圖3-17所示。蜂鳴器的正極接到VCC（＋5V）電源上面，蜂鳴器的負(fù)極接到三極管的發(fā)射極e，三極管的基級(jí)b經(jīng)過(guò)

98、限流電阻R17后由單片機(jī)的P2.0引腳控制，當(dāng)P2.0輸出高電平時(shí)，三極管Q6截止，沒(méi)有電流流過(guò)線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)P2.0輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過(guò)程序控制P2.0引腳的電平來(lái)使蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。三級(jí)管基極電流ib為1mA-5mA時(shí)就足夠進(jìn)入開(kāi)關(guān)狀態(tài)了，三極管導(dǎo)通時(shí)蜂鳴器跟三極管分壓很小，電阻R17兩端分壓約為5V，三級(jí)管放大倍數(shù)為100左右，流過(guò)三級(jí)管CE的電流ic約為50

99、0mA左右這足夠三極管飽和導(dǎo)通的條件，所以R17的阻值選用1K比較合理。</p><p>　　圖3-17　報(bào)警電路原理圖</p><p>　　3.5.4　單片機(jī)控制電路</p><p>　　本文控制電路選用AT89C51對(duì)其外圍電路進(jìn)行控制，其接口電路如圖3-18。由于AT89C51不具備SPI總線接口,設(shè)計(jì)中采用模擬SPI總線的方法實(shí)現(xiàn)與MAX6675的接口。其中

100、P1.0 模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端與SO相連,P1.1模擬SPI的串行時(shí)鐘信號(hào)與SCK相連,P1.2 模擬SPI 的從機(jī)選擇端與CS相連,電路中主機(jī)為AT89C51,從機(jī)為MAX6675。單片機(jī)的P2.0用來(lái)控制系統(tǒng)的超量程報(bào)警。單片機(jī)的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7和P0口分別通過(guò)相應(yīng)的電路對(duì)數(shù)碼管的位碼和段碼驚醒控制。系統(tǒng)通過(guò)AT89C51的P1.1 給MAX6675 發(fā)送串行時(shí)鐘，P1.0 用來(lái)接收MAX6675輸出的串行溫

101、度數(shù)據(jù),P1.2輸出的低電平將MAX6675的置零,用于選通MAX6675 工作。系統(tǒng)配有4位數(shù)碼管顯示,小數(shù)點(diǎn)設(shè)在十位后邊,可測(cè)溫度為0~400℃,分辨率達(dá)到0.25℃。</p><p>　　圖3-18　單片機(jī)與其它電路接口圖</p><p><b>　　4　軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含主程序、溫度采集轉(zhuǎn)換子程序

102、、延時(shí)子程序、超量程報(bào)警子程序、顯示子程序等功能模塊。其程序總流程圖如4-1所示。主程序主要完成子程序的調(diào)用，并對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的算法處理；溫度采集轉(zhuǎn)換子程序負(fù)責(zé)將MAX6675 轉(zhuǎn)換來(lái)的溫度數(shù)字量讀入單片機(jī)并完成溫度值的處理得到12位數(shù)字溫度值；超量成報(bào)警子程序主要判斷溫度值是否超出測(cè)量范圍；顯示子程序主要將計(jì)算后的溫度值進(jìn)行顯示。</p><p>　　圖4-1　系統(tǒng)總程序流程圖</p><

103、;p><b>　　4.1　主程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　主程序主要完成子程序的調(diào)用，并對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的算法處理。主程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，然后每隔0.5秒調(diào)用一次溫度采集轉(zhuǎn)換程序，調(diào)用三次，之后根據(jù)計(jì)算原理得到測(cè)量溫度值，最后對(duì)溫度值進(jìn)行量程判斷、數(shù)據(jù)顯示處理。其流程圖如4-2所示。</p><p>　　圖4-2　主程序流程圖</p&g

104、t;<p>　　4.2　溫度采集轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)</p><p>　　采集轉(zhuǎn)換程序主要是MAX6675的操作[14]。MAX6675是以SPI方式輸出數(shù)據(jù)的。其過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)使CS變低并提供時(shí)鐘信號(hào)給SCK，由SO讀取測(cè)量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過(guò)程；CS變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過(guò)程。一個(gè)完整串行接口讀操作需16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀16個(gè)輸出位，第1位和第15位是一偽標(biāo)志位，并總為0；第14

105、位到第3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；第1位為低以提供MAX6675器件身份碼，第0位為三態(tài)。當(dāng)12位全為0時(shí),說(shuō)明被測(cè)溫度為0℃；12位全為1，則被測(cè)溫度為1023.75℃。由于MAX6675 內(nèi)部經(jīng)過(guò)了激光修正,因此轉(zhuǎn)換的數(shù)字量與被測(cè)溫度值之間具有較好的線性關(guān)系，可由下式給出：溫度值=1023.75 ×轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量/4095。下面給出相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，其程序流程圖如4-3所示。</p><p

106、>　　uint Re_Convert() //采集轉(zhuǎn)換程序</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　uint P_Temp2 =0;</p><p><b>　　SCK =0;</b></p&

107、gt;<p><b>　　S0 =0;</b></p><p><b>　　CS =0; </b></p><p>　　for(i=0;i<16;i++)//熱電偶數(shù)據(jù)讀取</p><p><b>　　{</b></p><p>　　SCK =1;

108、</p><p>　　if(S0= =1) //輸出位判斷</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P_Temp2 =P_Temp2 | 0x01;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　delay(10); //延時(shí) </p

109、><p><b>　　SCK =0;</b></p><p>　　delay(10);</p><p>　　P_Temp2 <<=1;</p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　CS =1;</b></p&g

110、t;<p>　　if(P_Temp2 & 0x0004) //斷偶標(biāo)志判斷</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Work_Stop =1; //工作指示燈息滅停止工作</p><p><b>　　} </b></p><p>　　P_Temp2 =(P

111、_Temp2 & 0x7fff) >>3; //12位溫度數(shù)據(jù)提取</p><p>　　return(P_Temp2); </p><p>　　P_Temp2 =0;</p><p>　　delay(200);//數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間大約需要170ms</p><p><b>　　}</b></p&g

112、t;<p>　　圖4-3　溫度采集轉(zhuǎn)換流程圖</p><p>　　4.3　顯示程序設(shè)計(jì)</p><p>　　顯示子程序主要是對(duì)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后的溫度值進(jìn)行顯示處理。采用四位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示，首先將處理后的溫度數(shù)據(jù)擴(kuò)大十倍，然后分別提取百位、十位、個(gè)位、小數(shù)位的數(shù)值，并使其分別在相應(yīng)的數(shù)碼管位上動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)。百位、十位、小數(shù)位顯示采用不帶點(diǎn)的斷碼；個(gè)位的顯示采用帶點(diǎn)的段碼，其顯示