【正文】 p to ℃ ． The system works is: first acquisition thermocouple temperature data through the Treatment of the of the MAX6675 internal circuit and be then sent to 89C51 Aim for rapid algorithm processing. Finally, the LED circuit shows the measurement temperature values. In the last, the design of the system was protuse debugging and simulation,achieve the design requirements. KEY WORDS Temperature sensor Thermocouple Thermal time constant Cold junction pensation基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 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(jī)械制造和食品加工、國防、科研等領(lǐng)域中有廣泛地應(yīng)用。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 基于熱電偶溫度傳感器的 高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 學(xué) 號 院 （系） 指導(dǎo)教師 (職稱 ) 完成時(shí)間 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目 錄 中文摘 要 ................................................................. I 英文摘要 ................................................................. II 1 緒論 .................................................................. 1 2 系統(tǒng)原理概述 ....................................................... 3 快速測溫的算法實(shí)現(xiàn) ......................................... 3 熱電偶測溫基本原理 ......................................... 4 熱電偶冷端補(bǔ)償方案確定 .................................... 5 分立元?dú)饧涠搜a(bǔ)償方案 ................................... 5 集成電路溫度補(bǔ)償方案 ..................................... 6 方案確定 .................................................. 7 硬件組成原理 ................................................. 7 軟件系統(tǒng)工作流程 ............................................ 7 3 硬件設(shè)計(jì) ............................................................. 9 熱電偶簡介 .................................................... 9 熱電效應(yīng) .................................................. 9 熱電偶基本定律 ........................................... 11 熱電偶溫度補(bǔ)償 ........................................... 11 熱電 偶的結(jié)構(gòu)形式 ......................................... 12 K 型熱電偶概述 ........................................... 13 K 型熱電偶特點(diǎn) ........................................... 14 具有冷端補(bǔ)償?shù)臄?shù)字溫度轉(zhuǎn)換芯片 MAX6675 功能簡介 .. 14 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 性能特點(diǎn) ..................... 15 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 溫度變換 ..................... 16 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 的冷端補(bǔ)償問題 .............. 17 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 的熱補(bǔ)償跟噪聲補(bǔ)償問題 ..... 17 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 測量精度的提高方法 .......... 17 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 的溫度讀取 ................... 17 單片機(jī)選擇及部分功能簡介 ................................. 18 AT89C51 單片機(jī)的 SPI 實(shí)現(xiàn) ............................... 20 路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器 74LS245 ...................... 21 硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì) ........................................... 21 溫度采集電路 ............................................. 21 顯示電路 ................................................. 22 報(bào)警電路 ................................................. 24 單片機(jī)控制電路 ........................................... 25 4 軟件設(shè)計(jì) ............................................................ 26 主程序設(shè)計(jì) ................................................... 27 溫度采集轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) ...................................... 28 顯示程序設(shè)計(jì) ................................................ 30 5 系統(tǒng)仿真 ............................................................ 31 Proteus 概述 .................................................. 31 系統(tǒng)仿真結(jié)果 ................................................ 31 結(jié)束語 .................................................................. 33 致 謝 ..................................................................... 34 參考文獻(xiàn) ................................................................ 35 附 錄 ..................................................................... 36 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) I 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 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)的設(shè)計(jì)。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(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)機(jī)的溫度測量要求 內(nèi)完成等。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]。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(gè)要求。測溫時(shí)，時(shí)間隨著溫度變化如圖 21 所示。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)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。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。 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(jī)控制電路、超量程報(bào)警電路和數(shù)碼管顯示電路組成。它是將溫度量轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。接觸電勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。 熱電偶回路的幾點(diǎn)結(jié)論： 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，則無論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路 內(nèi)的總熱電勢為零。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。 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。其結(jié)構(gòu)圖如圖 35 所示。必須配和二次儀表使用其優(yōu)點(diǎn)是： ①測量精度高。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 37 MAX6675 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 性能特點(diǎn) MAX6675 的主要特性如下： ①簡單的 SPI 串行口溫度值輸出。 ⑩ 2021V 的 ESD 保護(hù)。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 的冷端補(bǔ)償問題 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(diǎn)溫度可在 0℃～+℃范圍變化。 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 的熱補(bǔ)償跟噪聲補(bǔ)償問題 在測溫應(yīng)用中，芯片自熱將降低 MAX6675 溫度測量精度，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。 CS 變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程： CS 變基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過程。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。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）。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。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(shí)鐘輸出的初始狀態(tài)為 0，即在接口芯片允許時(shí)，先置 為 1，基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 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。 硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì) 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]。 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)。當(dāng)顯示位數(shù)較多時(shí)采用動(dòng)態(tài)顯示。 R3R10 為限流電阻。三級管基極電流ib 為 1mA5mA 時(shí)就足夠進(jìn)入開關(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，三級管放大倍數(shù)為 100 左右，流過三級管 CE 的電流 ic約為 500mA 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。 3233343536373839VCC402122232425262728ALE/PROG30PSEN29EA/VPP3112345678REST91011121314151617XTAL218XTAL119GND20U1 AT89C51ALEPSENXTAL1XTAL21122CRY112MHz1