【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一個(gè)閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體 A和 B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn) 1和 2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) ,因而在回路中形成一個(gè)大小的電流 ,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶溫度傳感器就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。 由于熱電偶溫度傳感器的材料一般都比較貴重，而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低 成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把溫度傳感器熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到 儀表端子上。必須指出，熱電偶溫度傳感器補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使溫度傳感器熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度 t0≠0℃ 時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。 在使用熱電偶溫度傳感器補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與溫度傳感器熱電偶連接端的溫度不能超過(guò) 100℃ 。 2 溫度傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備的選擇 由于溫度傳感器測(cè)量的 溫度信號(hào)為模擬信號(hào)，且測(cè)量信號(hào)比較微弱，因此必須要對(duì)此溫度信號(hào)進(jìn)行處理。處理過(guò)程為：首先要把溫度信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，然后用A/D 轉(zhuǎn)換器把放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。因此要進(jìn)行溫度的檢測(cè)，溫度傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備必不可少。 在本系統(tǒng)中，我們可以用單獨(dú)的運(yùn)算放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器作為溫度傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備，但是由于運(yùn)算放大器的連接復(fù)雜，連接的器件數(shù)量較大。因此系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且由于中間環(huán)節(jié)過(guò)多，影響系統(tǒng)的控制精度。 因此本系統(tǒng)采用 MAX6675 作為溫度傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備。 MAX6675是 MAXIM公司開(kāi)發(fā)的一種 K型熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器集信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、 A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，使溫度測(cè)量的前端電路變得十分簡(jiǎn)單。 MAX6675的內(nèi)部由精密運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源、冷端補(bǔ)償二極管、模擬開(kāi)關(guān)、數(shù)字控制器及 ADC電路構(gòu)成，完成熱電偶微弱信號(hào)的放大、冷端補(bǔ)償和 A／ D轉(zhuǎn)換功能。因此，MAX6675簡(jiǎn)化了溫度控制系統(tǒng)中熱電偶測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該測(cè)溫系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，測(cè)量精度滿足要求。因此，在基于微處理器的單片機(jī)嵌入式工業(yè)測(cè)溫系統(tǒng)中，由 MAX6675構(gòu)成的單片機(jī)熱電偶測(cè)溫解決方案，具有良好的實(shí)用價(jià)值。 MAX6675的測(cè)溫范圍 0℃～ 1024℃，主要功能特點(diǎn)如下： 1 直接將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 8 2 具有冷端補(bǔ)償功能 3 簡(jiǎn)單的 SPI串行接口與單片機(jī)通訊 4 12位 A/D轉(zhuǎn)換器、 ℃分辨率 5 單一 +5V的電源電壓 6 熱電偶斷線檢測(cè) 7 工作溫度范圍 20℃～ +85℃ MAX6675采用 SO8封裝形式，有 8個(gè)引腳，其功能如下： VCC 接 +5V電壓 GND 接地 T 接熱電偶負(fù)極 T+ 接熱電偶正極 SCK 串行時(shí)鐘輸入端 CS 片選端，能啟動(dòng)串行數(shù)據(jù)通訊 SO 串行數(shù)據(jù)輸出端 NC 未用 MAX6675的引腳如圖所示： MAX6675是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。主要包括：低噪聲電 壓放大器 A電壓跟隨器 A冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、 12位 AD轉(zhuǎn)換器、SPI串行接口、模擬開(kāi)關(guān)及數(shù)字控制器。 其工作原理如下： K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，經(jīng)過(guò)低噪聲電壓放大器 A1和電壓跟隨器 A2放大、緩沖后，得到熱電勢(shì)信號(hào) U1，再經(jīng)過(guò) S4送至 ADC。對(duì)于 K型熱電偶，電壓變化率為 (41μ V/℃ )，電壓可由如下公式來(lái)近似熱電偶的特性。 U1=(41μ V/℃ ) (TT0) 上式中， U1為熱電偶輸出電壓（ mV）， T是測(cè)量點(diǎn)溫度； T0是周?chē)鷾囟取? 在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對(duì)熱電偶的冷端 溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即圖 31 MAX6675 引腳圖 9 是 MAX6675周?chē)鷾囟扰c 0℃實(shí)際參考值之間的差值。通過(guò)冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓 U2經(jīng) S4輸入 ADC轉(zhuǎn)換器。 U2=(41μ V/℃ ) T0 在數(shù)字控制器的控制下， ADC首先將 U U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ,即獲得輸出電壓 U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫度值 T。這就是 MAX6675進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測(cè)量溫度的原理。 MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口。 MAX6675從 SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)使 CS置為低電平，并提供時(shí)鐘信號(hào)給 SCK，由 SO讀取測(cè)量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過(guò)程， CS變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過(guò)程。將 CS變低在 SO端輸出第一個(gè)數(shù)據(jù)，一個(gè)完整串行接口讀操作需 16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀 16個(gè)輸出位，第 1個(gè)輸出位是 D15，是一偽標(biāo)志位，并總為 0； D14位到 D3位為以 MSB到 LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值； D2位平時(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開(kāi)放時(shí)為高，開(kāi)放熱電偶檢測(cè)電路完全由MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開(kāi)放熱電偶檢測(cè)器操作， T必須接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近 GND腳；D1位為低以提供 MAX6675器件身份碼， D0位為三態(tài)標(biāo)志位。 D12— D3為 12位數(shù)據(jù)，其最小值為 0，對(duì)應(yīng)的溫度值為 0℃，最大值為 4095，對(duì)應(yīng)的溫度值為 ℃，由于 MAX6675內(nèi)部經(jīng)過(guò)激光矯正，因此其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對(duì)應(yīng)溫度值有很好的線性關(guān)系，溫度值與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為： 圖 32 MAX6675 內(nèi)部原理圖 10 溫度值 =轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4095 3 溫度測(cè)量電路原理圖 以上我們將溫度傳感器及其信號(hào)放大器選擇完畢，下面我們要把選擇好的鎳鉻 — 鎳硅溫度 傳感器及其信號(hào)放大器 MAX6675 與 89C51 單片機(jī)進(jìn)行連接，組成溫度測(cè)量電路。具體的電路原理圖如下： K 型熱電偶 此溫度檢測(cè)電路的工作原理可簡(jiǎn)單理解為：鎳鉻 — 鎳硅溫度傳感器檢測(cè)到的溫度信號(hào)經(jīng) MAX6675 運(yùn)算放大、處理后輸入 89C51 單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)對(duì)溫度進(jìn)行顯示與控制。 溫度控制電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)為溫度的控制。通過(guò)選擇合理的加熱原件、溫度控制原件及其他輔助原件，對(duì)加熱爐的溫度進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)加熱爐的加熱功能。 1 加熱原件的選擇 本次設(shè)計(jì)的加熱爐為電阻爐，因此采用高性能的加熱電阻作為加熱原件。根據(jù)加熱爐的加熱范圍（ 0℃ — 1000℃） 及加熱最高溫度（ ℃），本系統(tǒng)選用的加熱電阻為： 鐵鉻鋁 高電阻電熱合金 。其具體參數(shù)為： 類型 鐵鉻鋁電熱合金 品牌 上海合金廠 型號(hào) GB／ T12341995 材質(zhì) 25AL5 常溫電阻 （ Ω ） 功率 300180000（ W） 主要用途 加熱 產(chǎn)品認(rèn)證 GB／ T12341995 33 溫度檢測(cè)電路圖 表 32 鐵鉻鋁電熱合金參數(shù) 11 最高耐溫 1400（ ℃ ） 規(guī)格 1（ mm） 鐵鉻 鋁 高電阻電熱合金具有電 阻率高、電阻溫度系數(shù)小、使用溫度高的特點(diǎn)。在高溫下耐腐蝕性好，且價(jià)格低廉，是工業(yè)電爐理想的發(fā)熱材料。 2 雙向可控硅的選擇 本系統(tǒng)對(duì)加熱爐的溫度控制是通過(guò)雙向可控硅實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)通過(guò)改變雙向可控硅的導(dǎo)通角，控制加熱電阻的通斷，從而事加熱爐的溫度得到控制。 因此，對(duì)雙向可控硅的選擇尤為重要。我為本系統(tǒng)選擇的雙向可控硅型號(hào)為 標(biāo)準(zhǔn)型BTA24，其規(guī)格為：型號(hào) :標(biāo)準(zhǔn)型 ,電流 :25（ A） ,電壓 :600800（ V） ,觸發(fā)電流 :3550(mA)（ A） ,封裝形式 :TO220,控制方式 :雙向。 3 其他控制原件的選擇 以上選擇了溫度控制系統(tǒng)中的加熱電阻和雙向可控硅，但可控硅在與單片機(jī)接口連接時(shí)需要加光電隔離，而且需要單片機(jī)發(fā)出觸發(fā)脈沖來(lái)控制可控硅的導(dǎo)通角。其中，加熱爐中的光電隔離器一般選擇 MOC3021，而觸發(fā)脈沖常用單片機(jī)的某一根 I/O接口產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。為了提高效率，要求觸發(fā)脈沖與交流電壓同步，通常采用檢測(cè)交流電過(guò)零點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖 38所示： INT0220VAC220VAC\12VAC5W7805+12V+5VC1 μFC2 μ F74041 2+5VR1R2R3 4 溫度控制電路原理圖 89C51單片機(jī)對(duì)溫度的控制是通過(guò)雙向可控硅實(shí)現(xiàn)的。雙向可控硅管和加熱電阻串接在交流 220V、 50Hz的回路中。 89C51單片機(jī)只要改變可控硅管的接通時(shí)間即可改變加熱絲的功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的?？煽毓杞油〞r(shí)間可以通過(guò)可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由 89C51用軟件在 ，在過(guò)零同步脈沖同步后經(jīng)驅(qū)動(dòng)器 7407和光電耦合器 MOC3021輸出送到可控硅的控制極上。具體電路圖如下： 圖 34 12 INT02 2 0 V A C2 2 0 V A C \ 1 2 V A C5W7 8 0 5+ 1 2 V+ 5 VC1 μFC2 μ F7 4 0 41 2+ 5 VR1R2R3+ 5 VR42 2 0 V A C 看門(mén)狗電路設(shè)計(jì) 提到看門(mén)狗，則必須提一下電源監(jiān)控和上電復(fù)位電路。為了使用者的方便，現(xiàn)在芯片都把上電復(fù)位、電源監(jiān)控及“看門(mén) 狗”集成到一起。近年來(lái)各廠家開(kāi)發(fā)出多種看門(mén)狗芯片，如： MAX81 X504 24C021 等。其中， X5045 是 SPI 總線格式的具有看門(mén)狗、電源監(jiān)控和 2E PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的多功能芯片，目前應(yīng)用較為廣泛，使用者可根據(jù)自己所選擇的具體 MCU 來(lái)配置外圍看門(mén)狗電路及電源監(jiān)控。其引腳功能如下： CS 電路選擇端，低電平有效 SO 串行數(shù)據(jù)輸出端 SI 串行數(shù)據(jù)輸入端 SCK 串行時(shí)鐘輸入端 WP 寫(xiě)保護(hù)輸入端，低電平有效 RESET 復(fù)位輸出端 VCC 電源端 VSS 接地端 本系統(tǒng)采用的看門(mén)狗芯片就為 X5045。其與 89C51 單片機(jī)的接口如下圖所示： 圖 35 溫度控制電路圖 表 33 X5045 引腳功能 13 人機(jī)通道設(shè)計(jì) 人機(jī)通道的設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分 :鍵盤(pán)、溫度顯示電路、報(bào)警電路。其中，溫度值及參數(shù)設(shè)定由鍵盤(pán)輸入，溫度顯示電路由 4 位 LED 顯示器及發(fā)光二級(jí)管總成，報(bào)警電路由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器及蜂鳴器組成。由于報(bào)警電路的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，在此不做贅述。下面具體介紹鍵盤(pán)及溫度 顯示電路。 1鍵盤(pán) 鍵盤(pán)是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備，鍵盤(pán)可分為編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)兩種類型。本系統(tǒng)采用的是直觀、簡(jiǎn)單的獨(dú)立式非編碼按鍵， 獨(dú)立式按鍵是指直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根 I/O 口線，每根 I/O 口線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其它 I/O 口線的工作狀態(tài)。通常的按鍵都是低電平有效。 獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵必須占用一根 I/O 口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)， I/O 口線浪費(fèi)較大，故在按鍵數(shù)量不多時(shí)常采用這種按鍵電路。由于我所做的設(shè)計(jì)案件數(shù)量少， 因此可以選用此按鍵結(jié)構(gòu)。具體鍵盤(pán)電路圖如下： 圖 36 看門(mén)狗與單片機(jī)的連接 14 K1K2K3K4設(shè)定+退出89C51 2溫度顯示電路 動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的 8個(gè)筆劃段 ah 同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極 COM 是各自獨(dú)立地受 I/O 線控制，這種顯示方式可以起到節(jié)省系統(tǒng) I/O 口的作用，但是 CPU 的工作量會(huì)大大增大。 CPU 向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)顯示器亮，則取決于 COM 端，而這一端是由 I/O 控制的，所以我們就可以 自行決定何時(shí)顯示哪一位了。而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的 COM 端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。 在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的（約 1ms），但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。 考慮到本系統(tǒng)的 I/O 口有限所以采用了動(dòng)態(tài)掃描的方法，由于是采用了 74LS374 和74LS145 地址寄存器與數(shù)碼管相連，所以無(wú)須再連接限流電阻。具體電路圖如下： 圖 37 鍵盤(pán)硬件連接圖 15 Vcc VCCINT0D0D1D2D3D4D5D6D7O0O1O2O3O4O5O6O7GND+5V μ FVccGNDAB