MAX6675的溫度測控系統(tǒng)報告

1 目目 錄錄 目 錄.1 1、設計方案: .1 2、傳感器的選擇: .2 3、系統(tǒng)設計.3 4、硬件介紹.4 4.1、K 型熱電偶.4 4.1.1 K 型熱電偶概況.4 4.1.2 熱電偶傳感器測溫原理.4 4.2、MAX6675.5 4.2.1 MAX6675 概況.5 4.2.2 MAX6675 性能及結(jié)構(gòu).5 4.2.3 MAX6675 的工作原理與功能.7 4.3、89C51 單片機.9 4.4、4 位共陽極 LED.12 5、硬件電路.13 5.1、K 型熱電偶采集信號電路.13 5.2、放大電路.14 5.3、電壓跟隨器.15 5.4、A/D 轉(zhuǎn)換電路.15 6、整體電路設計.16 7、軟件設計：.17 8、仿真結(jié)果.21 9、總結(jié)體會.23 2 1、設計方案、設計方案: 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、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、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，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、測溫范圍寬、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范圍場合。熱電偶的使用誤差主要來自于分度 3 誤差、延伸導線誤差、動態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。 采用熱電阻傳感器設計測溫電路，需要設計恒流源、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： 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； 熱響應時間快：熱電偶對溫度變化反應靈敏； 測量范圍大：熱電偶從 -40+ 1600 均可連續(xù)測溫； 性能可靠， 機械強度好； 使用壽命長，安裝方便； 但是，K 型熱電偶須進行復雜的信號放大、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。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 次電路設計選用 K 型熱電偶。 3、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)設計 本設計系統(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 個相關的邏輯控制。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示： 4 測溫的模擬電路是把當前 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、硬件介紹 4.1、K 型熱電偶型熱電偶 4.1.1 K 型熱電偶概況型熱電偶概況 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范 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 1.24.0mm。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。 4.1.2 熱電偶傳感器測溫原理熱電偶傳感器測溫原理 熱電偶測溫由熱電偶、連接導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)。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體相互 5 接觸時產(chǎn)生的一種熱電勢。當兩種不同的導體 A 和 B 相接觸時，假設導體 A 和 B 的電子密度分別為 NA和 NB并且 NANB，則在兩導體的接觸面上，電子在兩個 方向的擴散率就不相同，由導體 A 擴散到導體 B 的電子數(shù)比從 B 擴散到 A 的電 子數(shù)要多。導體 A 失去電子而顯正電，導體 B 獲得電子而顯負電。因此，在 A、B 兩導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。此電勢只與兩種導體的性質(zhì)相接觸點的溫度有關，當兩種導體的材料一定， 接觸電勢僅與其接點溫度有關。溫度越高，導體中的電子就越活躍，由 A 導體 擴散到 B 導體的電子就越多，接觸面處所產(chǎn)生的電動勢就越大，即接觸電勢越 大。 4.2、MAX6675 4.2.1 MAX6675 概況概況 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、 測溫范圍寬、測溫精度高等特點。但是將熱電偶應用在基于單片機的嵌入式系 統(tǒng)領域時，卻存在著以下幾方面的問題。 非線性：熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關系為非線性關系，因此在應 用時必須進行線性化處理。 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。 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, 若將熱電偶應用于嵌入式系統(tǒng)時, 須進行復雜的信號放大、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域的應用設計。 6 4.2.2 MAX6675 性能及結(jié)構(gòu)性能及結(jié)構(gòu) Maxim 公司新近推出的 MAX6675 是一復雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器, 內(nèi)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 個相關的邏輯控制。MAX6675 內(nèi)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；內(nèi)含熱電偶斷線檢測電路。冷端補償?shù)臏囟确秶? 2080，它的溫度分辨能力為 0. 25 ，可以測量 01023.75的溫度， 工作電壓為 3. 05. 5V。 MAX6675 的主要特性如下： 簡單的 SPI 串行口溫度值輸出； 0+1024的測溫范圍； 12 位 0.25的分辨率； 片內(nèi)冷端補償； 高阻抗差動輸入； 熱電偶斷線檢測； 單一+5V 的電源電壓； 低功耗特性； 工作溫度范圍-20+85； 2000V 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。 7 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 4.2.3 MAX6675 的工作原理與功能的工作原理與功能 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，而 且與冷端的溫度有關，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 對其內(nèi)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內(nèi)部修正。 同時，MAX6675 內(nèi)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。 8 (1)(1) 溫度變換溫度變換 MAX6675 內(nèi)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 41/, 電壓可由線性公式 Vout=（41/）（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。 (2)(2)冷端補償冷端補償 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范圍變化。冷端即安裝 MAX6675 的電路板周圍溫度，比溫度在 -20+85范圍內(nèi)變化。當冷端溫度波動時，MAX6675 仍能精確檢測熱端的 溫度變化。 (3)(3) 熱補償熱補償 在測溫應用中，芯片自熱將降低 MAX6675 溫度測量精度，誤大小依賴于 MAX6675 封裝的熱傳導性、安裝技術和通風效果。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提高 MAX6675 溫度測量精度。 (4)(4) 噪聲補償噪聲補償 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 0.1F 陶瓷旁路電容。 (5)(5)測量精度的提高測量精度的提高 熱電偶系統(tǒng)的測量精度可通過以下預防措施來提高：盡量采用不能從測 量區(qū)域散熱的大截面導線；如必須用小截面導線，則只能應用在測量區(qū)域， 并且在無溫度變化率區(qū)域用擴展導線；避免受能拉緊導線的機械擠壓和振動； 當熱電偶距離較遠時，應采用雙絞線作熱電偶連線；在溫度額定值范圍內(nèi) 9 使用熱電偶導線；避免急劇溫度變化；在嚴劣環(huán)境中，使用合適的保護套 以保證熱電偶導線；僅在低溫和小變化率區(qū)域使用擴展導線；保持熱電偶 電阻的事件記錄和連續(xù)記錄。 (6)(6) SPISPI 串行接口串行接口 MAX6675 采用標準的 SPI 串行外設總線與 MCU 接口，且 MAX6675 只能作為 從設備。MAX6675 SO 端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如圖 3 所示，MAX6675 SPI 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)。 10 4.3、89C51 單片機單片機 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擦除 100 次。該器件 采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，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。 11 引腳功能：引腳功能： 3.1 電源: VCC - 芯片電源，接+5V/3.3V/2.7V； VSS - 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 （1）ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi) EPROM 編程脈沖 ALE 功能：用來鎖存 P0 口送出的低 8 位地址 PROG 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，此引腳輸入 編程脈沖。 （2）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。 （3） RST/VPD:復位/備用電源。 RST（Reset）功能：復位信號輸入端。 VPD 功能：在 Vcc 掉電情況下，接備用電源。 （4） EA/Vpp:內(nèi)外 ROM 選擇/片內(nèi) EPROM 編程電源。 EA 功能：內(nèi)外 ROM 選擇端。 80C51 單片機 ROM 尋址范圍為 64KB，其中 4KB 在片內(nèi)，60KB 在片外(80C31 芯片無內(nèi) ROM，全部在片外)。 當 EA 保持高電平時，先訪問內(nèi) ROM，但當 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 EA 保持低電平時，則只訪問外 ROM，不管芯片內(nèi)有否內(nèi) ROM。對 80C31 芯片，片內(nèi)無 ROM，因此 EA 必須接地。 Vpp 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。 3.4 I/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 12 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 位共陽極位共陽極 LED 7 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 而成的顯示設備，可以顯示 09 等 10 個數(shù)字和小數(shù)點，使用非常廣泛。 （a a）管腳排列）管腳排列 （b b）共陽結(jié)構(gòu)）共陽結(jié)構(gòu) 13 設計中采用的是 7SEG-MPX4-CA，如下圖示： 1234 為位選，ABCDEFG DP 為段碼。 14 5、硬件電路、硬件電路 5.1、K 型熱電偶采集信號電路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 41/, 電壓可由線性公式 Vout=（41/）（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-）。 15 5.2、放大電路、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) VA-= VA+ R4Vo -VAR41RVoV）（）（）（ 聯(lián)立方程可得： Vo=-10(V+ - V-)= S-10 Vout 16 5.3、電壓跟隨器、電壓跟隨器 根據(jù)電路圖可得： Vin = -Vout 5.4、A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 MAX6675 內(nèi)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) 17 6、整體電路設計、整體電路設計 18 7、軟件設計：、軟件設計： 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 /_nop_();延時函數(shù)用 #define uchar unsigned char /用 uchar 代替 unsigned char，1 字節(jié) 0-255 #define uint unsigned int /用 uint 代替 nsigned int，2 字節(jié) 0-26653 sbit SO=P10; /P1.0 口與 SO 相連 sbit SCK=P11; /P1.1 口與 SCK 相連 sbit CS=P12; /P1.2 口與 CS 相連 uint j; float wendu; uint Read_AD(); /AD 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)讀取，并返回值 void Display_temp(); /溫度顯示 uchar qian=0,bai=0,shi=0,ge=0,xiao=0; /初始化 LED uint temp; uchar code tab_110=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90; /共陽 LED 段碼表 uchar code tab_210=0 x40,0 x79,0 x24,0 x30,0 x19,0 x12,0 x02,0 x78,0 x00,0 x10; /含小數(shù)點共陽段碼 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 uchar code tab_34=0 x01,0 x02,0 x04,0 x08; /位碼 19 uint Read_AD( ) / AD 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取子函數(shù)，并返回值 uchar i; unsigned long Temp_2; Temp_2=0; CS=1; SCK=0; _nop_(); /這個_nop_()等效與匯編里面的 NOP