【文章內(nèi)容簡介】 補償?shù)臄?shù)字溫度轉換芯片 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，可廣泛應用于工業(yè)、儀器儀表、自動化領域等。其內(nèi)部結構框圖如圖 37 所示。 圖 37 MAX6675 內(nèi)部結構框圖 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 MCS51 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 311 AT89C51 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 向量兩級中斷結構，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 RAM，定時 /技 術器，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 P0~P3，共有 32 根口線，端口的每 一位均由鎖存器、輸出驅動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，這樣在實際應用中，我們就可以通過模擬不同總線的時序特征來實現(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) 串行外圍設備接口 SPI（ serial peripheral interface）總線技術是 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 312 SPI 總線時序圖 對于不帶 SPI 串行總線接口的 AT89C51 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，一般應將其串行時鐘輸出口 （模擬 MCU 的 SCK 線）的初始狀態(tài)設置為 1，而在允許接口后再置 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 口（模擬 MCU的 MISO 線），此后再置 為 1，使單片機從 （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 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。 路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器 74LS245 74LS245 是我們常用的芯片，用來驅動 led 或者其他的設備，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 313 74LS245 引腳功能圖 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)。 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 口與驅動器輸入線對應相連。 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（ ← D1），其它時間處于輸出（ → D1）。 硬件電路詳細設計 溫度采集電路 熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有結構簡單、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 轉換器及 SPI 串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉換器，其電路如圖 314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 F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。 1 23 45 67 8U0MAX6675GNDTT+VCCSONCCSSCKC112P00K 型熱電偶VCC 圖 314 溫度采集電路原理圖 顯示電路 LED 顯示器是單片機應用系統(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 315a 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的稱為共陽極顯示器，如圖 315b 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。 ａ 共陰極顯示器 b 共陽極顯示器 圖 315 七段 LED 顯示器內(nèi)部結構圖 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，還與點亮時間和間隔時間有關，調(diào)整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。 本設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 等總線驅動器。本文溫度 顯示電路設計是由一個 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 316 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 。 R3R10 為限流電阻。三極管飽和開通時，集電極－發(fā)射極之間電壓 ceV 取 ，數(shù)碼管的壓降 fV 取 2V，數(shù)碼管的工作電流 fI 取 5mA～ 15mA。則限流電阻可這樣計算獲得： fcefccf I VVVR ??? （ 39） 把數(shù)據(jù)帶入式子（ 39）得 fR 可取值 170? ～ 500? 現(xiàn)取 ??240fR 。為保證三極管可靠開通關斷，且要求數(shù)碼管的亮度適量較高，基極電阻 R11R14 可適量取小