【正文】 VCC VCCVCCVCC 圖 316 數(shù)碼管顯示電路 單片機(jī)控制電路 本文控制電路選用 AT89C51 對其外圍電路進(jìn)行控制，其接口電路如圖 318。 R3R10 為限流電阻。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(jī)相連接，其電路如圖 316 所示。當(dāng)顯 示位數(shù)較多時采用動態(tài)顯示。共陽極 LED 顯示器的陽極接在 +5V 電壓源上，當(dāng)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(diǎn)亮。 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(diǎn)。 MAX6675 的測量精度對電源耦合噪聲較敏感。 硬件電路詳細(xì)設(shè)計 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(diǎn) [14]。當(dāng)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(dāng) E為高電平時， A、 B 均為高阻態(tài)。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 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。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 （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 為 0。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(jìn)入移位寄存器中。 SPI 用于 CPU 與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。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）。這四個端口除了可以按字節(jié)尋址外還可以位尋址。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 RAM，定時 /技 術(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 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。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(hù)套管，用起來非常方便。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。 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℃。 圖 35 薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)圖 K 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。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測溫端熱容量小，動態(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。 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。在實(shí)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(jìn)行修正。 參考電極的實(shí)用價值在于：它可大大簡化熱電偶的選配工作。 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、長度以及各處的溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電勢。必須采用兩種不同的材料作為熱電極。 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。兩接點(diǎn)的接觸電勢 )(TeAB 和 )( 0TeAB 可表示為： BTATAB NNeKTTe ln)( ? （ 31） 00ln)( 00BTATAB NNeKTTe ? （ 32） 式中： K — 波爾茲曼常數(shù)； e — 單位電荷電量； ATN 、 BTN 和0ATN、0BTN — 分別在溫度為 T 和 0T 時，導(dǎo)體 A、 B 的自由電子密度。 圖 31 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。它構(gòu)造簡單，使用方便，具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性，溫度測量范圍寬，在溫度測量中占有重要的地位。 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、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(jī)控制使報警電路報警。 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。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。 分立元?dú)饧涠搜a(bǔ)償方案 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需要重新調(diào)整電路的元件值。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) 。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。采用帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片 MAX667 K 型熱電偶、 89C51 單片機(jī)、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。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(xué)穩(wěn)定性好、復(fù)制性好、可在 1000℃下長期使用等特點(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。熱敏電阻非常適合對微弱溫度變化的測量，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，對氣體溫度變化響應(yīng)也較慢 [1]。但在特殊的場合就不能達(dá)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。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(jī)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(jī)的主發(fā)動機(jī)的溫度測量要求 內(nèi)完成等。 本文設(shè)計了基于單片機(jī)的熱電偶測溫系統(tǒng) ， 該測溫系統(tǒng)由溫度測量電路、運(yùn)算放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路及顯示電路組成，以AT89C51 單片機(jī)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(bǔ)償方法， 結(jié)構(gòu)形式，及其特點(diǎn)等，另外簡答介紹了硬件平臺中相關(guān)模塊的功能及用法。因此針對以上問題就有人提出溫度快速測量的思想。工業(yè)常用的精度較高的溫度傳感器有鉑熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等。所以用溫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。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，卻存在著以下幾方面的問題 [2]。在許多熱工實(shí)驗(yàn)中，往往面臨熱電偶冷端溫度 問題 ,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 ,都會帶來實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高、實(shí)際的檢測系統(tǒng)較復(fù)雜 .難以達(dá)到實(shí)時測量、接口轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜等問題 ,而隨著計算機(jī)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(jī)化測量與控制已成為必然趨勢。系統(tǒng)用單片機(jī)對帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675 進(jìn)行控制 ,要達(dá)到任務(wù)書中的技術(shù)指標(biāo)，并對系統(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)對固體表面、液體和氣體溫度的高精度快速測量。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(diǎn)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響。 熱電偶冷端補(bǔ)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，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。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(bǔ)償電路、數(shù)碼管顯示電路等。 方案確定 綜合對比以上兩種方 案，方案一電路復(fù)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計。 MAX6675芯片通過 SPI串行接口傳輸數(shù)據(jù)，采用的 89C51單片機(jī)對帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片 MAX6675 進(jìn)行控制。其軟件工作流程圖如圖 24。 熱電效 應(yīng) 當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連成閉合回路時，將兩個接點(diǎn)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]。 接觸電勢產(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勢。 同一導(dǎo)體溫差電勢是由同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。 ),(),()(),( 0000 TTeTTeTeeTTE ABABABA B E ???? dTNNeKTNNeKT TT ABBTATBTAT )(lnln0000 ? ???? ?? （ 34） 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表示為： )()(),( 00 TeTeTTE ABABAB ?? （ 35） 對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度 0T 恒定時， )( 0TeAB 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： )()(),( 0 TfcTETTE ABAB ??? （ 36） 實(shí)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。 如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等，熱電偶回路內(nèi)的總電勢亦為零。換句話說：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僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。實(shí)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。 圖 32 熱電偶中間導(dǎo)體示意圖 熱電偶溫度補(bǔ)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： )()(),( 00 tetettE ABABAB ?? （ 37） 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 )0,(tEAB 與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢 ),( 0ttEAB 之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式： )0,(),()0,( 00 tEttEtE ABABAB ?? （ 38） 由此可見， )0,(tEAB 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(jìn)行處理。其結(jié)構(gòu)圖如圖 33 所示。其結(jié)構(gòu)圖如圖 34 所示。 K 型熱 電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從 0