基于單片機的熱電偶測溫系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文

1、畢業(yè)論文基于單片機的熱電偶測溫系統(tǒng)摘要 熱電偶傳感器是目前接觸式測溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器，在工業(yè)用溫度傳感器中占有及其重要的地位。本文設(shè)計了基于單片機的熱電偶測溫系統(tǒng)，該測溫系統(tǒng)由溫度測量電路、運算放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及顯示電路組成，以AT89C51單片機為主控單元。文中首先介紹了熱電偶的測溫原理，熱電偶冷端補償方法，結(jié)構(gòu)形式，及其特點等，另外簡答介紹了硬件平臺中相關(guān)模塊的功能及用法。另外對硬件電路包括溫度轉(zhuǎn)換芯片MAX6675、K型熱電偶、89C51單片機、數(shù)碼管等元器件及溫度采集電路、溫度轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路做了詳細的介紹及說明。關(guān)鍵詞溫度傳感器熱電偶熱時間常數(shù)冷端補償 The

2、 thermocouple temperature measurement system based on single chip microcomputerABSTRACTThermocouple sensor is currently the most widely used in non-contact temperature measurement of thermoelectric sensors, in the industry with a temperature sensor and its important status. This paper designed the t

3、hermocouple temperature measurement system based on single chip microcomputer, the temperature measurement system composed of temperature measuring circuit, operational amplifier circuit, A/D conversion circuit and display circuit, AT89C51 single chip processor as the main control unit. This paper f

4、irst introduces the principle of thermocouple temperature measurement, the thermocouple cold junction compensation method, structure form, and its characteristics, etc., in the hardware platform are introduced another short answer function and usage of related modules. In addition to hardware circui

5、t including temperature conversion chip MAX6675, K type thermocouple, 89 c51, digital tube and other components and temperature acquisition circuit, temperature conversion circuit, digital tube display circuit made detailed introduction and description.KEY WORDS Temperature sensor Thermocouple Therm

6、al time constant Cold junction compensation1緒論溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)，對溫度的測量在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機械制造和食品加工、國防、科研等領(lǐng)域中有廣泛地應(yīng)用。在某些特殊的場合對溫度的檢測速度有很高的要求，例如：在測量汽車發(fā)動機吸入空氣的溫度的時候，就要求熱響應(yīng)時間小于1s；航天飛機的主發(fā)動機的溫度測量要求0.4s 內(nèi)完成等。因此針對以上問題就有人提出溫度快速測量的思想。通常用來測量溫度的傳感器有熱電阻溫度傳感器、熱敏電阻、熱電偶、半導體溫度傳感器等幾種。這些常用溫度傳感器一般的溫度測量中可以滿足響應(yīng)速度的問題。但在特殊的場合就不能

7、達到快速檢測的要求，例如在氣體溫度測量時候，由于溫度傳感器自身的熱滯特性，而氣體傳熱過程又比較緩慢，氣體溫度測量就有很大滯后。工業(yè)常用的精度較高的溫度傳感器有鉑熱電阻、半導體溫度傳感器等。鉑熱電阻具有溫度測量范圍大、重復性好、精度高等特點，但是響應(yīng)不是很快，特別是在對氣體溫度測量時至少要幾秒鐘，在某些工作環(huán)境比較特殊的場合，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微弱溫度變化的測量，但是缺點是非線性嚴重；PN結(jié)型的特點是體積小、線性輸出、精度高，但是不能使用在液體環(huán)境，對氣體溫度變化響應(yīng)也較慢1。所以用溫

8、度傳感器一般都存在著對氣體溫度變化響應(yīng)較慢的問題。在對溫度實時性測量要求比較高的系統(tǒng)，運用常用溫度測量方法很難做到對溫度的快速測量，對系統(tǒng)的精度影響就很大。在工業(yè)過程控制與生產(chǎn)制造領(lǐng)域普遍使用具有較高測溫精度及測溫范圍的熱電偶做測溫元件。在工業(yè)標準熱電偶中,K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶由于具有價格低廉、輸出熱電勢值較大、熱電勢與溫度的線性關(guān)系好、化學穩(wěn)定性好、復制性好、可在1000下長期使用等特點,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)用在基于單片機的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時，卻存在著以下幾方面的問題2。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

9、處理。冷端補償:熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為0時與測量端的電勢差值，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。在許多熱工實驗中，往往面臨熱電偶冷端溫度問題,不管是采用恒溫補償法(冰點補償法)還是電橋補償法,都會帶來實驗費用較高、實際的檢測系統(tǒng)較復雜.難以達到實時測量、接口轉(zhuǎn)換電路復雜等問題,而隨著計算機測控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域的普遍應(yīng)用,溫度參數(shù)的微機化測量與控制已成為必然趨勢。因此我們必須解決對熱電偶測量信號的放大調(diào)理、非線性校正、冷端補償、模數(shù)

10、轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸出接口等一系列復雜的問題,以及解決模擬與數(shù)字電路硬件設(shè)計過程和建表、查表、插值運算等復雜的軟件編制過程,以達到使電路簡化,成本減少,增加系統(tǒng)可靠性的目的。鑒于上面的分析,本論文主要任務(wù)是設(shè)計一種基于高精度K型熱電偶傳感器的快速測溫系統(tǒng)。采用帶有冷端補償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675、K型熱電偶、89C51單片機、數(shù)碼管等元器件設(shè)計出相應(yīng)溫度采集電路、溫度轉(zhuǎn)換電路、溫度控制電路、超量程報警電路、數(shù)碼管顯示電路。系統(tǒng)用單片機對帶有冷端補償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675進行控制,要達到任務(wù)書中的技術(shù)指標，并對系統(tǒng)進行protuse的調(diào)試和仿真試驗，使其具有良好的實用性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對固體表面、

11、液體和氣體溫度的高精度快速測量。2系統(tǒng)原理概述2.1 熱電偶測溫基本原理熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導體組成閉合回路2，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導體為熱電極，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恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(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，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影

12、響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后即可知道被測介質(zhì)的溫度。熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個問題：1、熱電偶的熱電勢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)生的熱電勢的大小當熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；3、當熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，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，這時熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。2.2熱電偶冷端補償方案確定熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小

13、才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將影響嚴重測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償。2.2.1分立元氣件冷端補償方案方案一的熱電偶冷端溫度補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、信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、熱電偶冷端補償電路、數(shù)碼管顯示電路等。2.2.2集成電路溫度補償方案方案二采用熱電偶冷端補償專用芯片max6675，max6675溫度轉(zhuǎn)換芯片具有冷端溫度補償及對溫度進行數(shù)字化測量這兩項功能5。一方面利用內(nèi)置溫度敏感二極管將環(huán)

14、境溫度轉(zhuǎn)換成補償電壓，另一方面又通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將熱電勢和補償電壓轉(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量結(jié)果，即為實際溫度數(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。2.2.3方案確定綜合對比以上兩種方案，方案一電路復雜，且測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償及溫度數(shù)值化問題，并消除由熱電偶非線性而造成的測量誤差,且精確度高，可實現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計。故最后采用方案二。2.3硬件組成原理 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單片機控制電路、超量程報警電路和數(shù)碼管顯示電路組

15、成。熱電偶采用分度號為K的熱電偶，為了減少外界信號的干擾通過雙絞線跟MAX6675芯片直接相連接。MAX6675芯片通過SPI串行接口傳輸數(shù)據(jù)，采用的89C51單片機對帶有冷端補償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675進行控制。本系統(tǒng)設(shè)計還具有報警的特點，當所測量的溫度低于零攝氏度或者高于400攝氏度時報警電路發(fā)出警報。顯示電路由89C51單片機通過鎖存器對四位共陽數(shù)碼管控制，數(shù)碼管工作需要較大的電流采用型號為8550的PNP三極管進行控制，當所測溫度在規(guī)定范圍內(nèi)時就可以通過數(shù)碼管快速顯示出來。2.4軟件系統(tǒng)工作流程系統(tǒng)的軟件工作流程為：熱電偶采集的溫度數(shù)據(jù)；溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過MAX6675內(nèi)部電路的AD轉(zhuǎn)換

16、、冷端補償、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；單片機將數(shù)字量進行軟件算法處理；如果測量溫度在測量范圍內(nèi)，最后通過數(shù)碼管顯示出測量溫度；如果超出測量范圍由單片機控制使報警電路報警。其軟件工作流程圖如圖2-4。圖2-4 系統(tǒng)軟件工作流程圖3硬件設(shè)計3.1熱電偶簡介熱電偶是工程上應(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)造簡單，使用方便，具有較高的準確度、穩(wěn)定性及復現(xiàn)性，溫度測量范圍寬，在溫度測量中占有重要的地位。3.1.1熱電效應(yīng)當兩種不同材料的導體或半導體連成閉合回路時，將兩個接點分別置于溫度為T和T0的熱源中，該回路內(nèi)會產(chǎn)生熱電勢2。熱電

17、勢的大小反映兩個接點溫度差，保持T0不變，熱電勢隨著溫度T變化而變化。測得熱電勢的值，即可知道溫度T的大小。圖3-1熱電偶測溫原理圖產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成：溫差電勢和接觸電勢。接觸電勢產(chǎn)生的原因：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。兩種導體接觸時，自由電子由密度大的導體向密度小的導體擴散，（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)帶負電，形成穩(wěn)定的接觸電勢。接觸電勢的數(shù)值取決于兩種不同導體的性質(zhì)和接觸點的溫度。兩接點的接觸電勢和可表示為： （3-1） （3-2）式中：波爾茲曼常數(shù)；單位電荷電量；、和、 分別在溫度為和時，導體A、B的自由電子

18、密度。同一導體溫差電勢是由同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。同一導體的兩端溫度不同時，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電，形成一個靜電場，該靜電場阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達到動態(tài)平衡。因此，在導體兩端便形成溫差電勢，其大小由下面公式給出： （3-3）：湯姆遜系數(shù)，表示導體A兩端的溫度差為1時所產(chǎn)生的溫差電動勢。熱電偶回路中總的熱電勢應(yīng)是接觸電勢與溫差電勢之和。 （3-4）在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，在精度要求不高的情況下，熱電偶的熱電勢可近似

19、表示為： （3-5）對于已選定的熱電偶，當參考端溫度恒定時，為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即： （3-6）實際應(yīng)用中，熱電勢與溫度之間關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定的。分度表是在參考端溫度為0時，通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。熱電偶回路的幾點結(jié)論：1、如果構(gòu)成熱電偶的兩個熱電極為材料相同的均質(zhì)導體，則無論兩結(jié)點溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢為零。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)點溫度相等，熱電偶回路內(nèi)的總電勢亦為零。3、熱電偶AB的熱電勢與A、B材料的中間溫度無關(guān)，只與結(jié)點溫度有關(guān)。3.1.2熱電偶基本定律中間導體定律：利用熱電

20、偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后會不會影響回路中的熱電勢呢？中間導體定律說明，在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導體，只要其兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。均質(zhì)導體定律：由一種均勻介質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的截面、長度以及各處的溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電勢。換句話說：如果熱電偶的兩根熱電極是由兩種均質(zhì)導體組成，那么熱電偶的熱電勢僅與兩接點溫度有關(guān)，與沿熱電極的溫度分布無關(guān)。如果熱電極為非均質(zhì)導體，當處于具有溫度階梯的情況時，將會產(chǎn)生附加電勢，引起測量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的主要指標之一。參考電極的實用價值在于：它可大大簡化熱電偶的選

21、配工作。實際測溫中，只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對時的熱電勢值，那么任何兩種熱電極配對時的熱電勢均可按公式而無需再逐個去測定。用作參考電極(標準電極)的材料，目前主要為純鉑絲材，因為鉑的熔點高，易提純，且在高溫與常溫時的物理、化學性能都比較穩(wěn)定。中間溫度定律：熱電偶AB在接點溫度為、中間溫度為.該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)。在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì)10,可對參考端溫度不為0的熱電勢進行修正。圖3-2熱電偶中間導體示意圖3.1.3熱電偶溫度補償從熱電偶測溫基本公式可以看到，對某一種熱電偶來說熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關(guān)即： （3-7）熱電偶

22、的分度表是以t0=0作為基準進行分度的，而在實際使用過程中，參考端溫度往往不為0，那么工作端溫度為t時，分度表所對應(yīng)的熱電勢與熱電偶實際產(chǎn)生的熱電勢之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式： （3-8）由此可見，是參考端溫度t0的函數(shù)，因此需要對熱電偶參考端溫度進行處理。常用的補償方法有7-8：1、冷端恒溫法；2、補償導線法；3、計算修正法；4、電橋補償（又稱冷端補償器）法；5、顯示儀表零位調(diào)整法；6、軟件處理法。3.1.4熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件、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。 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

23、護管和接線盒組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。 圖3-3 普通結(jié)構(gòu)熱電偶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)拉伸加工而成的堅實組合體，它可以做得很細很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快，機械強度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復雜的裝置上，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。圖3-4 套管熱電偶結(jié)構(gòu)圖薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料，用真空蒸鍍、化學凃?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可以做得很?。杀〉?.010.1m）, 具有熱容量小，反應(yīng)速度快等的特點，熱相應(yīng)時間達到微秒級，適用

24、于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。 圖3-5 薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)圖3.1.5K型熱電偶概述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。圖3-6 K型熱電偶鎳鉻-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1.24.0mm。正極（KP）的名義化學成分為：Ni：Cr=92：12，負極（KN）的名義化學成分為：Ni：Si=99：3，其使用溫度為-2001300。K型熱電偶具有線性度好，

25、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。K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，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.3.1.6K型熱電偶特點K型熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。必須配和二次儀表使用其優(yōu)點是：測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢-錸）。構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管

26、，用起來非常方便。3.2具有冷端補償?shù)臄?shù)字溫度轉(zhuǎn)換芯片MAX6675功能簡介MAX6675是美國Maxin公司生產(chǎn)的基于SPI總線的專用芯片9，不僅能對K型熱電偶進行冷端補償，還能對熱電勢信號作數(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、自動化領(lǐng)域等。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3-7所示。圖3-7 MAX6675內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.3單片機選擇及部分功能簡介MCU是整個系統(tǒng)的控制核心，由于溫度測量系統(tǒng)的接口方便，綜合考慮整個系統(tǒng)，選用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51型單片機。AT89C51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CMOS 8位微處理器。單片機的可

27、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(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AT89C51是一種高效微控制器，其外觀引腳圖如下：圖3-11AT89C51外觀引腳圖AT89C51提供以下標準功能12：4k字節(jié)的flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，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R

28、AM，定時/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下一個硬件復位。AT89C51共有4個雙向的8位并行I/O端口，分別為P0P3，共有32根口線，端口的每一位均由鎖存器、輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器所組成。P0P3的端口寄存器屬于特殊功能寄存器系列。這四個端口除了可以按字節(jié)尋址外還可以位尋址。其中P0口為漏極開路作為輸出使用時應(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單片機只有一個串口接口，但其I/O口既可以用字節(jié)尋址也可以位尋址，這樣在實際應(yīng)用中，我們就可以通過模擬不同總線的時序特征來實

29、現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的傳輸。AT89C51單片機內(nèi)部有一個功能強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)（定時器控制波特率）。它有兩個物理上獨立接收發(fā)送緩沖器SBUF，可同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。波特率可由軟件設(shè)置片內(nèi)的定時器來控制，而且每當串行口接收或發(fā)送1B完畢，均可發(fā)出中斷請求。 AT89C51單片機的SPI實現(xiàn)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。SP

30、I 用于CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通訊。SPI可以同時發(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：串行時鐘線（CSK）、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）、低電平有效從機選擇線CS。當SPI工作時，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)送一個字節(jié)后，從另一個外圍器件接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進入移位寄存器中。主SPI的時鐘信號（SCK）使傳輸同步。其時序圖如下：圖3-12SPI總線時序圖對于不帶SPI串行總線接口的AT8

31、9C51單片機來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作13，包括串行時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。對于不同的串行接口外圍芯片，它們的時鐘時序是不同的。對于在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SCK時鐘的同時，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P

32、1.1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SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。對于在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)取串行時鐘輸出的初始狀態(tài)為0，即在接口芯片允許時，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。3.4路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS24574LS245是我們常用的芯片，用來驅(qū)動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：圖3-13 74LS245引腳功能圖74LS245還具有雙向三態(tài)功能

33、，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。當89C51單片機的P0口總線負載達到或超過P0最大負載能力時，必須接入74LS245等總線驅(qū)動器。當片選端E低電平有效時，DIR=“0”，信號由 B 向 A 傳輸；（接收）DIR=“1”，信號由 A 向 B 傳輸；（發(fā)送）當E為高電平時，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74LS245的三態(tài)控制端1G和2G接地，P2口與驅(qū)動器輸入線對應(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，74LS245輸入（P0.1D1），其它時間處于輸出（P0.1D1）。

34、3.5硬件電路詳細設(shè)計3.5.1溫度采集電路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14。但是，熱電偶的應(yīng)用卻存在著非線性、冷端補償、數(shù)字化輸出等幾方面的問題。設(shè)計中采用的MAX6675是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、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。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，T-引腳必須接地。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，在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1F陶瓷旁路電容。溫度由熱電偶采集，然后將

35、數(shù)據(jù)直接送給冷端補償芯片MAX6675芯片進行處理，處理后送給單片機控制電路，完成簡單的溫度采集過程。圖3-14溫度采集電路原理圖3.5.2顯示電路LED顯示器是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出器件，是由若干個發(fā)光二極管組成的，當發(fā)光二極管導通時，相應(yīng)的一個或一個筆畫發(fā)光，控制不同組合的二極管導通，這就能顯示出不同字符。七段LED共有8個發(fā)光二極管，其中7個發(fā)光二極管七端字形“8”，一個發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點。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，當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，即邏輯電平“1”時，發(fā)光二極管點亮。發(fā)光二極管陽極接在一起

36、的稱為共陽極顯示器，如圖3-15b所示。共陽極LED顯示器的陽極接在+5V電壓源上，當某個發(fā)光二極管的陰極為低電平，即邏輯“0”時，發(fā)光二極管點亮。共陰極顯示器 b共陽極顯示器圖3-15七段LED顯示器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖點亮顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。所謂靜態(tài)顯示就是顯示器在顯示某個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導通或截止。這種顯示方式每個顯示器都需要一個8位輸出口控制，需要硬件多，適用于顯示位數(shù)較少的場合。當顯示位數(shù)較多時采用動態(tài)顯示。所謂動態(tài)顯示就是一位一位的輪流點亮各位顯示器，對于每位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的點亮和點亮時的導通電流有關(guān)，還與點亮時間和間隔時間有關(guān)，調(diào)整電流和時間

37、參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。本設(shè)計使用的是一個四位共陽數(shù)碼管，當89C51單片機的P0口總線負載達到或超過P0最大負載能力時，必須接74LS245等總線驅(qū)動器。本文溫度顯示電路設(shè)計是由一個4位共陽數(shù)碼管通過三態(tài)雙向總線收發(fā)器芯片74LS245跟單片機相連接，其電路如圖3-16所示。其中74LS245的片選跟三態(tài)控制引腳接地，數(shù)據(jù)由單片機向數(shù)碼管傳輸。數(shù)碼管的位的選擇通過8550三級管進行控制，三級管基極通過限流電阻跟單片機的I/O口相連接，當端口為高電平時，三極管截止，當給端口為低電平時三極管導通，數(shù)碼管相應(yīng)的位被選中。這樣可方便地對數(shù)碼管每一位進行單獨控制。R3-R10為限流電阻。三極

38、管飽和開通時，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)碼管的工作電流取5mA15mA。則限流電阻可這樣計算獲得： （3-9）把數(shù)據(jù)帶入式子（3-9）得可取值170500現(xiàn)取。為保證三極管可靠開通關(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)計取基極電阻為470。圖3-16數(shù)碼管顯示電路3.5.3單片機控制電路本文控制電路選用AT89C51對其外圍電路進行控制，其接口電路如圖3-18。由于AT89C51不具備SPI總線接口,設(shè)計中采用模擬SPI總線的方法實現(xiàn)與MAX6675的接口。其中P1.0 模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端與SO相連,P1.1模擬SPI的串

39、行時鐘信號與SCK相連,P1.2 模擬SPI 的從機選擇端與CS相連,電路中主機為AT89C51,從機為MAX6675。單片機的P2.0用來控制系統(tǒng)的超量程報警。單片機的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7和P0口分別通過相應(yīng)的電路對數(shù)碼管的位碼和段碼驚醒控制。系統(tǒng)通過AT89C51的P1.1 給MAX6675 發(fā)送串行時鐘，P1.0 用來接收MAX6675輸出的串行溫度數(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)點設(shè)在十位后邊,可測溫度為0400,分辨率達到0.25。圖3-18單片機與其它電路接口圖4軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包

40、含主程序、溫度采集轉(zhuǎn)換子程序、延時子程序、超量程報警子程序、顯示子程序等功能模塊。主程序主要完成子程序的調(diào)用，并對溫度數(shù)據(jù)進行快速的算法處理；溫度采集轉(zhuǎn)換子程序負責將MAX6675 轉(zhuǎn)換來的溫度數(shù)字量讀入單片機并完成溫度值的處理得到12位數(shù)字溫度值；超量成報警子程序主要判斷溫度值是否超出測量范圍；顯示子程序主要將計算后的溫度值進行顯示。4.1溫度采集轉(zhuǎn)換程序設(shè)計采集轉(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。其過程如下：單片機使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

41、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1位為低以提供MAX6675器件身份碼，第0位為三態(tài)。當12位全為0時,說明被測溫度為0；12位全為1，則被測溫度為1023.75。由于MAX6675 內(nèi)部經(jīng)過了激光修正,因此轉(zhuǎn)換的數(shù)字量與被測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。uint Re_Convert() /采集轉(zhuǎn)換程序 uchar i; uint P_Temp2 =0; SCK =0; S0 =

42、0; CS =0; for(i=0;i<16;i+)/熱電偶數(shù)據(jù)讀取 SCK =1; if(S0= =1) /輸出位判斷 P_Temp2 =P_Temp2 | 0x01; delay(10); /延時 SCK =0; delay(10); P_Temp2 <<=1; CS =1; if(P_Temp2 & 0x0004) /斷偶標志判斷 Work_Stop =1; /工作指示燈息滅停止工作 P_Temp2 =(P_Temp2 & 0x7fff) >>3; /12位溫度數(shù)據(jù)提取 return(P_Temp2); P_Temp2 =0; delay(2

43、00);/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間大約需要170ms4.2顯示程序設(shè)計顯示子程序主要是對經(jīng)過單片機處理后的溫度值進行顯示處理。采用四位共陽數(shù)碼管顯示，首先將處理后的溫度數(shù)據(jù)擴大十倍，然后分別提取百位、十位、個位、小數(shù)位的數(shù)值，并使其分別在相應(yīng)的數(shù)碼管位上動態(tài)顯示出來。百位、十位、小數(shù)位顯示采用不帶點的斷碼；個位的顯示采用帶點的段碼，其顯示效果可以精確到十分位。結(jié)束語本文主要介紹了基于熱電偶溫度傳感器的快速測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合考慮到熱電偶的熱惰性時間常數(shù)問題，采用快速測溫算法實現(xiàn)了溫度快速測量的功能。本文對系統(tǒng)原理進行了簡單的概述，著重分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案跟軟件設(shè)計方案。最后對系統(tǒng)進行了仿真實驗，很好的

44、完成了設(shè)計要求。本文主要采用K型熱電偶、K型熱電偶專用數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片MAX6675、AT89C51單片機進行了相關(guān)設(shè)計。MAX6675將熱電偶測溫應(yīng)用時復雜的線性化、冷端補償及數(shù)字化輸出等問題集中在一個芯片上解決，簡化了將熱電偶測溫方案應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時復雜的軟硬件設(shè)計，因而該器件是將熱電偶測溫方案應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的理想選擇。根據(jù)快速算法的原理通過AT89C51單片機軟件編程實現(xiàn)了溫度的快速測量。畢業(yè)設(shè)計是我們在大學期間的最后一門課程，也是能將大學期間最重要的幾門理論課聯(lián)系實際的課程，由此可知畢業(yè)設(shè)計的重要性。在路立平路老師的精心指導和其他同學的幫助下，經(jīng)歷三個多月的努力和實踐，我終于完

45、成了畢業(yè)設(shè)計，并在此次畢業(yè)設(shè)計的實踐中獲益良多。此次畢業(yè)設(shè)計讓我們有機會將大學四年所學的專業(yè)課程與實際的實踐緊密聯(lián)系起來，加深了我們對理論知識的理解和掌握，開闊了我們的視野，最重要的是鍛煉了我們勤于思考問題的能力，熟練使用電腦辦公軟件的能力，獨立查閱資料的能力，分析問題與解決問題的能力，以及操作專業(yè)軟件的能力，讓我們基本具備了一個工程技術(shù)人員應(yīng)有的基本素養(yǎng)。通過本學期的畢業(yè)設(shè)計鞏固了我們的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)了我們的創(chuàng)新意識，以及集體協(xié)作等多方面的綜合素質(zhì)。這些都將會在我們將來的工作和學習當中受益匪淺。 然而，由于基礎(chǔ)知識的掌握還不夠牢靠，準備的時間不夠充分等原因。我在設(shè)計的實用性方面還存在不足之處

46、，還有很多不盡人意的地方。希望在將來工作實踐當中，進一步提高自己、完善自己。參考文獻1 河道清.傳感器與傳感器技術(shù)M.北京：科學出版社，2004.188201.2 路立平,馮建勤,鹿曉力.溫度傳感器的熱時間常數(shù)及其測試方法J.儀器儀表傳感器，2005：17-183 馬天艷，馬天虹.熱電偶測溫及其冷端溫度補償J.工業(yè)計量,2005,15(6):31-32.4 王霄實現(xiàn)熱電偶電勢非線性補償?shù)能浖椒↗耐火材料，1998，32(2)：36-38 5 李華.MCS51系列單片機實用接口技術(shù).北京:北京航空航天大學出版社1993.6 潘永雄.新編單片機原理與應(yīng)用M.西安：西安電子科技大學出版社,2003

47、.7 李秀芬.溫度傳感器時間常數(shù)測試數(shù)據(jù)的處理方法J.宇航計測技術(shù)，2001,9:60-61.附錄附錄1電路原理圖附錄2源程序代碼#include "reg52.h"/頭文件#include "absacc.h"#include "math.h"#define uchar unsigned char /宏定義#define uint unsigned int#define dm P0#define wm P2sbit S0=P10;sbit SCK=P11;sbit CS=P12;sbit beep=P20;sbit Work_Sto

48、p=P13;uint Re_Convert (void); /溫度轉(zhuǎn)換void Disp_temp(void); /溫度顯示void Baojing(void); /超量程報警void delay(uint t);/延時函數(shù)uchar qian=0,bai=0,shi=0,ge=0,xiao=0;uint P_Temp;float t1,t2,t3,wendu;uchar code tab1=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;/ tab1為數(shù)碼管的段碼uchar code tab2=0x40,0x79,0x24,0x30,0x1

49、9,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10;/ tab2為數(shù)碼管的段碼（含小數(shù)點）uchar code tab3=0x10,0x020,0x040,0x080; /tab3為數(shù)碼管位碼void main(void) /主程序 delay (10); Work_Stop =0; /工作指示燈亮開始工作 S0 =0; while(1) P_Temp=Re_Convert(); t1=0.25*P_Temp;/P_Temp =（1024*P_Temp）/4096 delay (500); P_Temp=0; P_Temp=Re_Convert(); t2=0.25*P_Temp; dela

50、y (500); P_Temp=0; P_Temp=Re_Convert(); t3=0.25*P_Temp; delay (500); P_Temp=0; wendu=(t1*t3)-(t2*t2)/(t3+t1)-(2*t2); Baojing(); Disp_temp(); P_Temp=0; wendu=0; void delay(uint t)/延時程序uchar x;uchar y;for(x=0;x<t;x+)for(y=0;y<110;y+);uint Re_Convert() /熱電偶轉(zhuǎn)換 uchar i; uint P_Temp2 =0; SCK =0; S0

51、=0; CS =0; for(i=0;i<16;i+)/熱電偶數(shù)據(jù)讀取 SCK =1; if(S0= =1) P_Temp2 =P_Temp2 | 0x01; delay(10); SCK =0; delay(10); P_Temp2 <<=1; CS =1; if(P_Temp2 & 0x0004) /斷偶標志判斷 Work_Stop =1; /工作指示等滅停止工作 P_Temp2 =(P_Temp2 & 0x7fff) >>3; /D14-D3數(shù)據(jù)提取 return(P_Temp2); P_Temp2 =0; delay(200);void B

52、aojing(void) /超量程報警 if(wendu<=0&&wendu>=400) delay(20); beep=0; delay(20); beep=1; void Disp_temp(void)/溫度顯示 uint temp=wendu*10; if(wendu<1000) bai=temp%10000/1000; shi=temp%1000/100; ge=temp%100/10; xiao=temp%10; dm=0x0ff; dm=tab1bai; wm=tab30; delay(10); dm=0x0ff; dm=tab1shi; wm=t

53、ab31; delay(10); dm=0x0ff; dm=tab2ge; wm=tab32; delay(10); dm=0x0ff; dm=tab1xiao; wm=tab33; delay(10); dm=0x0ff;現(xiàn)在，我把自己20多年來的班主任工作經(jīng)驗，總結(jié)如下，一并贈送給您，希望能幫到您：讓每一個學生都有輝煌的明天 我的治班方略我很欣賞一句話，那就是“教師的工作是托起明天的太陽”。是啊，我們今天的一切工作，不就是為了每一個學生都能擁有一個輝煌的未來嗎？那么，如何為孩子未來的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)？是值得每一位教師，尤其是班主任教師的深思。因為班主任是學校具有特殊身份的教育者。作為班級

54、的教育者和組織者，在班集體的發(fā)展和學生的健康成長中起著十分重要的作用。我從參加工作至今，二十多年來一直擔任班主任工作，回憶這些年帶班所走過的每一步，品味著工作帶給我的欣慰和快樂，更加堅定了我做一名優(yōu)秀班主任的信念和決心。經(jīng)過多年的實踐探索和學習思考，我的治班理念已經(jīng)逐漸明朗，那就是“以情育人，用愛心點燃學生心靈的火花；活動育人，用豐富多彩的活動促進學生全面發(fā)展”。一位教育家曾經(jīng)說過：“猶如沒有水，就不能稱其為池塘一樣，沒有感情，沒有愛，也就沒有教育?！惫ぷ鞫嗄陙?，我從沒有放棄過教師自身素質(zhì)的培養(yǎng)，從教中學，從學中教，樂此不疲。用我的真誠、愛意透視學生純潔而又豐富的內(nèi)心世界，喚起學生對愛和真誠的追求，感染學生、浸潤學生渴望理解的心田，用充滿愛的語言去撫慰一顆顆幼小的心靈。一、關(guān)愛學生，用愛撐起一片藍天、溝通是教育的前提。師生之間如果缺乏了解和溝通，感情就會有隔膜，教育就無從展開。溝通應(yīng)從了解開始。蘇聯(lián)著名