【文章內容簡介】 一個閉合回路，當導體 A和 B的兩個執(zhí)著點 1和 2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢 ,因而在回路中形成一個大小的電流 ,這種現(xiàn)象稱為熱電效應。熱電偶溫度傳感器就是利用這一效應來工作的。 由于熱電偶溫度傳感器的材料一般都比較貴重，而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱電偶材料，降低 成本，通常采用補償導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，連接到 儀表端子上。必須指出，熱電偶溫度傳感器補償導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測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度 t0≠0℃ 時對測溫的影響。 在使用熱電偶溫度傳感器補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與溫度傳感器熱電偶連接端的溫度不能超過 100℃ 。 2 溫度傳感器信號轉換設備的選擇 由于溫度傳感器測量的 溫度信號為模擬信號，且測量信號比較微弱，因此必須要對此溫度信號進行處理。處理過程為：首先要把溫度信號經運算放大器進行放大，然后用A/D 轉換器把放大后的模擬信號轉換為數(shù)字信號輸入單片機。因此要進行溫度的檢測，溫度傳感器信號轉換設備必不可少。 在本系統(tǒng)中，我們可以用單獨的運算放大器和 A/D 轉換器作為溫度傳感器的信號轉換設備，但是由于運算放大器的連接復雜，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轉換設備。 MAX6675是 MAXIM公司開發(fā)的一種 K型熱電偶信號轉換器，該轉換器集信號放大、冷端補償、 A/D轉換于一體，直接輸出溫度的數(shù)字信號，使溫度測量的前端電路變得十分簡單。 MAX6675的內部由精密運算放大器、基準電源、冷端補償二極管、模擬開關、數(shù)字控制器及 ADC電路構成，完成熱電偶微弱信號的放大、冷端補償和 A／ D轉換功能。因此，MAX6675簡化了溫度控制系統(tǒng)中熱電偶測溫電路的設計，實際運行結果表明，該測溫系統(tǒng)抗干擾能力強、結構簡單、可靠性高，測量精度滿足要求。因此，在基于微處理器的單片機嵌入式工業(yè)測溫系統(tǒng)中，由 MAX6675構成的單片機熱電偶測溫解決方案，具有良好的實用價值。 MAX6675的測溫范圍 0℃～ 1024℃，主要功能特點如下： 1 直接將熱電偶信號轉換為數(shù)字信號 8 2 具有冷端補償功能 3 簡單的 SPI串行接口與單片機通訊 4 12位 A/D轉換器、 ℃分辨率 5 單一 +5V的電源電壓 6 熱電偶斷線檢測 7 工作溫度范圍 20℃～ +85℃ MAX6675采用 SO8封裝形式，有 8個引腳，其功能如下： VCC 接 +5V電壓 GND 接地 T 接熱電偶負極 T+ 接熱電偶正極 SCK 串行時鐘輸入端 CS 片選端，能啟動串行數(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是一復雜的單片熱電偶數(shù)字轉換器，其內部結構如圖所示。主要包括：低噪聲電 壓放大器 A電壓跟隨器 A冷端溫度補償二極管、基準電壓源、 12位 AD轉換器、SPI串行接口、模擬開關及數(shù)字控制器。 其工作原理如下： K型熱電偶產生的熱電勢，經過低噪聲電壓放大器 A1和電壓跟隨器 A2放大、緩沖后，得到熱電勢信號 U1，再經過 S4送至 ADC。對于 K型熱電偶，電壓變化率為 (41μ V/℃ )，電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。 U1=(41μ V/℃ ) (TT0) 上式中， U1為熱電偶輸出電壓（ mV）， T是測量點溫度； T0是周圍溫度。 在將溫度電壓值轉換為相應的溫度值之前，對熱電偶的冷端 溫度進行補償，冷端溫度即圖 31 MAX6675 引腳圖 9 是 MAX6675周圍溫度與 0℃實際參考值之間的差值。通過冷端溫度補償二極管，產生補償電壓 U2經 S4輸入 ADC轉換器。 U2=(41μ V/℃ ) T0 在數(shù)字控制器的控制下， ADC首先將 U U2轉換成數(shù)字量 ,即獲得輸出電壓 U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測量點的實際溫度值 T。這就是 MAX6675進行冷端溫度補償和測量溫度的原理。 MAX6675采用標準的 SPI串行外設總線與單片機接口。 MAX6675從 SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：單片機使 CS置為低電平，并提供時鐘信號給 SCK，由 SO讀取測量結果。CS變低將停止任何轉換過程， CS變高將啟動一個新的轉換過程。將 CS變低在 SO端輸出第一個數(shù)據(jù)，一個完整串行接口讀操作需 16個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀 16個輸出位，第 1個輸出位是 D15，是一偽標志位，并總為 0； D14位到 D3位為以 MSB到 LSB順序排列的轉換溫度值； D2位平時為低，當熱電偶輸入開放時為高，開放熱電偶檢測電路完全由MAX6675實現(xiàn)，為開放熱電偶檢測器操作， T必須接地，并使接地點盡可能接近 GND腳；D1位為低以提供 MAX6675器件身份碼， D0位為三態(tài)標志位。 D12— D3為 12位數(shù)據(jù)，其最小值為 0，對應的溫度值為 0℃，最大值為 4095，對應的溫度值為 ℃，由于 MAX6675內部經過激光矯正，因此其轉換結果與對應溫度值有很好的線性關系，溫度值與數(shù)字量的對應關系為： 圖 32 MAX6675 內部原理圖 10 溫度值 =轉換后的數(shù)字量 /4095 3 溫度測量電路原理圖 以上我們將溫度傳感器及其信號放大器選擇完畢，下面我們要把選擇好的鎳鉻 — 鎳硅溫度 傳感器及其信號放大器 MAX6675 與 89C51 單片機進行連接，組成溫度測量電路。具體的電路原理圖如下： K 型熱電偶 此溫度檢測電路的工作原理可簡單理解為：鎳鉻 — 鎳硅溫度傳感器檢測到的溫度信號經 MAX6675 運算放大、處理后輸入 89C51 單片機，單片機根據(jù)檢測到的溫度數(shù)據(jù)對溫度進行顯示與控制。 溫度控制電路設計 本系統(tǒng)的另一個重要環(huán)節(jié)為溫度的控制。通過選擇合理的加熱原件、溫度控制原件及其他輔助原件，對加熱爐的溫度進行控制，從而實現(xiàn)加熱爐的加熱功能。 1 加熱原件的選擇 本次設計的加熱爐為電阻爐，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 GB／ T12341995 材質 25AL5 常溫電阻 （ Ω ） 功率 300180000（ W） 主要用途 加熱 產品認證 GB／ T12341995 33 溫度檢測電路圖 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。在高溫下耐腐蝕性好，且價格低廉，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)對加熱爐的溫度控制是通過雙向可控硅實現(xiàn)的，單片機通過改變雙向可控硅的導通角，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為 標準型BTA24，其規(guī)格為：型號 :標準型 ,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接口連接時需要加光電隔離，而且需要單片機發(fā)出觸發(fā)脈沖來控制可控硅的導通角。其中，加熱爐中的光電隔離器一般選擇 MOC3021，而觸發(fā)脈沖常用單片機的某一根 I/O接口產生觸發(fā)脈沖。為了提高效率，要求觸發(fā)脈沖與交流電壓同步，通常采用檢測交流電過零點來實現(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單片機對溫度的控制是通過雙向可控硅實現(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單片機只要改變可控硅管的接通時間即可改變加熱絲的功率，以達到調節(jié)溫度的目的?？煽毓杞油〞r間可以通過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 ，在過零同步脈沖同步后經驅動器 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 看門狗電路設計 提到看門狗，則必須提一下電源監(jiān)控和上電復位電路。為了使用者的方便，現(xiàn)在芯片都把上電復位、電源監(jiān)控及“看門 狗”集成到一起。近年來各廠家開發(fā)出多種看門狗芯片，如： MAX81 X504 24C021 等。其中， X5045 是 SPI 總線格式的具有看門狗、電源監(jiān)控和 2E PROM 數(shù)據(jù)存儲的多功能芯片，目前應用較為廣泛，使用者可根據(jù)自己所選擇的具體 MCU 來配置外圍看門狗電路及電源監(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 串行時鐘輸入端 WP 寫保護輸入端，低電平有效 RESET 復位輸出端 VCC 電源端 VSS 接地端 本系統(tǒng)采用的看門狗芯片就為 X5045。其與 89C51 單片機的接口如下圖所示： 圖 35 溫度控制電路圖 表 33 X5045 引腳功能 13 人機通道設計 人機通道的設計包括三個部分 :鍵盤、溫度顯示電路、報警電路。其中，溫度值及參數(shù)設定由鍵盤輸入，溫度顯示電路由 4 位 LED 顯示器及發(fā)光二級管總成，報警電路由一個驅動器及蜂鳴器組成。由于報警電路的設計非常簡單，在此不做贅述。下面具體介紹鍵盤及溫度 顯示電路。 1鍵盤 鍵盤是向系統(tǒng)提供操作人員干預命令及數(shù)據(jù)的接口設備，鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。本系統(tǒng)采用的是直觀、簡單的獨立式非編碼按鍵， 獨立式按鍵是指直接用 I/O 口線構成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根 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。 獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結構簡單，但每個按鍵必須占用一根 I/O 口線，在按鍵數(shù)量較多時， I/O 口線浪費較大，故在按鍵數(shù)量不多時常采用這種按鍵電路。由于我所做的設計案件數(shù)量少， 因此可以選用此按鍵結構。具體鍵盤電路圖如下： 圖 36 看門狗與單片機的連接 14 K1K2K3K4設定+退出89C51 2溫度顯示電路 動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應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個筆劃段 ah 同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極 COM 是各自獨立地受 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 的工作量會大大增大。 CPU 向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于 COM 端，而這一端是由 I/O 控制的，所以我們就可以 自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的 COM 端，使各個顯示器輪流點亮。 在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約 1ms），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，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)，不會有閃爍感。 考慮到本系統(tǒng)的 I/O 口有限所以采用了動態(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，所以無須再連接限流電阻。具體電路圖如下： 圖 37 鍵盤硬件連接圖 15 Vcc VCCINT0D0D1D2D3D4D5D6D7O0O1O2O3O4O5O6O7GND+5V μ FVccGNDAB