【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 溫度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換使其可以直接與51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它一方面將采集到的冷端溫度數(shù)據(jù)使用芯片內(nèi)部的溫度敏感二極管轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償電壓，另一方面又將測(cè)量到的熱電勢(shì)和補(bǔ)償電壓利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字量用來(lái)代表所測(cè)量的溫度, 然后實(shí)際溫度數(shù)據(jù)（二者的電壓的和）從輸出引腳輸出和單片機(jī)P0口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后在LCD1602液晶顯示屏上將溫度值顯示出來(lái)。該方案所涉及的主要組成電路部分包括K型熱電偶、溫度補(bǔ)償轉(zhuǎn)換電路、4X4矩陣鍵盤電路及LCD1602顯示電路等。如圖212就是這個(gè)方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。圖212 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)方案的確定現(xiàn)在對(duì)上述兩種方案進(jìn)行比較，由系統(tǒng)框圖可以得出方案一所需電路比較復(fù)雜，而且測(cè)量出的溫度值不精確，這樣就可能會(huì)造成非常大的誤差。方案二是熱電偶專用的芯片MAX6675芯片對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、冷端補(bǔ)償、內(nèi)部校正工作，還可以對(duì)測(cè)量到的溫度進(jìn)行數(shù)字化處理的問(wèn)題。除此之外，該方案所測(cè)溫度精確度比較高，可以消除由熱電偶的非線性所造成的測(cè)量誤差,該方案還實(shí)現(xiàn)了電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)最后決定用方案二的設(shè)計(jì)思想。 3 硬件電路設(shè)計(jì) AT89S51單片機(jī)的硬件組成 片內(nèi)硬件組成結(jié)構(gòu)AT89S51單片機(jī)的片內(nèi)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖示:圖311 片內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)AT89S51具有的基本特點(diǎn)是【9】：CPU是8位微處理器128byte片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器4K片內(nèi)程序存儲(chǔ)器8位可編程并行I/O口4個(gè)全雙工的異步串行口1個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器2個(gè)看門狗定時(shí)器1個(gè)中斷系統(tǒng)有5個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)特殊功能寄存器26個(gè)掉電模式下具有中斷恢復(fù)模式。除掉電模式之外，低功耗節(jié)電模式有還空閑模式程序加密鎖定位3個(gè)比起AT89C51來(lái)說(shuō)，AT89S51擁有更加鮮明的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在【9】：新增In System Program（ISP）功能，可靈活的在線編程，現(xiàn)場(chǎng)程序修改和調(diào)試更加方便多加一個(gè)數(shù)據(jù)指針，方便對(duì)片外RAM訪問(wèn)新增看門狗定時(shí)，系統(tǒng)抗干擾能力增強(qiáng)增加掉點(diǎn)標(biāo)志和掉點(diǎn)后恢復(fù) 引腳功能引腳（封裝）如圖圖312 封裝引腳圖表311 電源和時(shí)鐘引腳及功能表312 控制引腳及功能表313 端口引腳及功能表314 部分I/O口引腳的第二功能表 存儲(chǔ)器使用存儲(chǔ)器時(shí)應(yīng)注意：（1）要區(qū)分程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器【9】（2）位地址空間共有2個(gè)區(qū)域（3）用指令來(lái)區(qū)別訪問(wèn)的是片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器還是片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器【9】（4）片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址RAM和I/O端口【9】（5）所有外圍I/O端口的地址都會(huì)占用存儲(chǔ)器單元圖313 存儲(chǔ)器空間分配圖程序存儲(chǔ)器一般用作：（1）存放程序和表格一類的固定常數(shù)（2）系統(tǒng)程序啟動(dòng)地址0000H是程序存儲(chǔ)器里的地址（3）引腳確定是訪問(wèn)片內(nèi)還是片外程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器被固定用于各中斷源的中斷服務(wù)程序入口地址如下表所示【9】：表315 5個(gè)中斷源的中斷入口地址中斷源中斷入口地址外部中斷00003H定時(shí)器T0000BH外部中斷10013H定時(shí)器T1001BH串行口0023H由表可以看出，中斷入口間隔只有8個(gè)單元，通常來(lái)說(shuō)，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用來(lái)存放中斷服務(wù)子程序的，所以，我們經(jīng)常習(xí)慣在這幾個(gè)中斷入口處寫一條跳轉(zhuǎn)指令調(diào)到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序【9】。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分為片內(nèi)和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于本次設(shè)計(jì)未涉及片外擴(kuò)展，所以，在這里只介紹一下片內(nèi)128字節(jié)RAM的相關(guān)情況，具體內(nèi)容在下面的表格里展現(xiàn)出來(lái)。表316 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分配單片機(jī)通過(guò)特殊功能寄存器SFR控制片內(nèi)各功能部件。SFR在片內(nèi)RAM上映射區(qū)共26個(gè)，對(duì)應(yīng)地址是80H~FFH。具體情況如圖314。陰影部分為新增的5個(gè)SFR。圖314 特殊功能寄存器的名稱及分布 熱電偶簡(jiǎn)介 熱電效應(yīng)及微觀解釋 熱電效應(yīng)定義：將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串聯(lián)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不通時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)【1】。如圖321所展現(xiàn)出來(lái)的就是熱電偶工作原理。圖321 熱電偶工作原理一八二一年，賽貝克做出來(lái)了一個(gè)非開(kāi)放的閉合回路利用不同材質(zhì)的金屬，當(dāng)他對(duì)其中一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行加熱后，這時(shí)，他覺(jué)察到指南針竟然轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)角度。當(dāng)他再次同時(shí)加熱兩個(gè)結(jié)點(diǎn)時(shí)，他發(fā)現(xiàn)了放在回路中的指南針的偏轉(zhuǎn)角不僅不增大，反而向回轉(zhuǎn)。由指南針的偏轉(zhuǎn)可以得出了一個(gè)結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并伴隨有電流的流動(dòng)，電流大小和連接處的溫度相關(guān)聯(lián)【1】。兩接觸點(diǎn)的電勢(shì)公式可以寫成： （321） （322）熱電偶電動(dòng)勢(shì)公式可以寫成： （323）因?yàn)殚]合回路的溫差電動(dòng)勢(shì)太小，常常都是被忽略的，所以可以把公式寫成： （324）如果熱電偶的型號(hào)選定了，冷端溫度也已經(jīng)明確了，那么就可以用一個(gè)對(duì)應(yīng)的固定的數(shù)值來(lái)表示，公式可以變?yōu)椋? （325）當(dāng)連接兩種不同種類的金屬A和B時(shí)，就可以推算出連接點(diǎn)處自由電子會(huì)發(fā)生蔓延的情況，這是因?yàn)椴煌N類的金屬內(nèi)部自由電子的密度是不一樣的。自由電子將會(huì)從密度大的金屬A向密度小的金屬B擴(kuò)散，密度大的金屬失去e從而帶著正電，密度小的金屬就會(huì)帶有負(fù)電，這樣就會(huì)形成熱電勢(shì)。當(dāng)他將另一種金屬材料接入熱電偶回路中時(shí)，但一定保持接入的第三種金屬材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度是一模一樣的，那么熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)就會(huì)恒定不變，即第三種金屬接入回路不會(huì)對(duì)熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)有所影響。所以，在利用熱電偶對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量?jī)x表是被允許接入的，我們可以通過(guò)測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后得到被測(cè)介質(zhì)的溫度。如果已經(jīng)確定了熱電偶的材料成份，那么熱電勢(shì)的大小就只與熱電偶兩端的溫度差相關(guān)聯(lián)了。若再將熱電偶冷端的溫度保持在一個(gè)穩(wěn)定不變的值時(shí)，熱電偶的熱電勢(shì)就只和工作端溫度呈現(xiàn)出單值函數(shù)的關(guān)系。熱電偶溫度傳感器的制作和使用是基于這一原理【1】。 熱電偶類別及冷端補(bǔ)償總的來(lái)說(shuō)，熱電偶溫度傳感器可以分為【1】：。從字面上來(lái)講，我們所說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)就是符合國(guó)家對(duì)一些性能方面的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而這些規(guī)定往往會(huì)有配套的顯示儀表可供測(cè)試或檢測(cè)使用時(shí)選擇。非標(biāo)準(zhǔn)在某種程度上總是比不得標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，而且，分度表也不統(tǒng)一，多數(shù)用于某些特殊場(chǎng)合。一九八八年一月一日我國(guó)所有熱電偶和熱電阻都按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶溫度傳感器類型分別是S型、B型、E型、K型、R型、J型、T型七種【1】。用熱電偶測(cè)量時(shí)，要保持冷端的溫度恒定不變，這樣的話，熱電偶熱電勢(shì)的大小就與測(cè)量的溫度之間就能呈現(xiàn)出一定的函數(shù)關(guān)系。實(shí)際上冷端的溫度不會(huì)一直都是恒定的，而是時(shí)刻都在變化的。因此要想得到真正想要的熱電勢(shì)就要解決有關(guān)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。如果不想辦法消除因?yàn)槔涠藴囟劝l(fā)生改變而影響到真實(shí)溫度的測(cè)量就會(huì)造成比較大的測(cè)量誤差。該補(bǔ)償電勢(shì)隨冷端溫度變化的特性一定要和熱電偶的熱電特性相一致，這樣才能獲得最佳補(bǔ)償效果【12】。熱電偶溫度補(bǔ)償公式【3】如下： （326）其中，實(shí)際測(cè)量的電動(dòng)勢(shì)用表示；熱端溫度用表示；冷端溫度用表示； 零攝氏度用表示【3】；代表冷端表示的是零攝氏度時(shí)所需的補(bǔ)償電勢(shì)。 熱電偶選型一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于一些特殊的熱電偶的選擇這個(gè)問(wèn)題，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮。 根據(jù)溫度測(cè)量的范圍來(lái)選擇（1）當(dāng)測(cè)量的溫度所在范圍是在1300176。C到1800176。C之間，而且對(duì)于測(cè)量溫度時(shí)的精度要求相對(duì)來(lái)說(shuō)也是非常的高時(shí)，普遍來(lái)講熱電偶都是選用的型號(hào)為B型的熱電偶；（2）當(dāng)測(cè)量的溫度所在范圍是在超過(guò)了1800176。C之后，而且所需要測(cè)量的溫度對(duì)于所處于的氣體氛圍又可以接受，對(duì)于測(cè)量溫度時(shí)的精度要求也不是非常的高的話，一般來(lái)講熱電偶首選的普遍都是鎢錸熱電偶；（3）當(dāng)測(cè)量的溫度所在范圍是在1000176。C到1300176。C之間，而且對(duì)于測(cè)量溫度時(shí)的精度要求相對(duì)來(lái)說(shuō)也是非常的高時(shí)，一般來(lái)講熱電偶都是選用的普遍都是型號(hào)為S型的熱電偶或者選用的熱電偶是型號(hào)為N型的都是可以的；（4）當(dāng)測(cè)量的溫度所在范圍是在1000176。C以下的話，一般來(lái)講熱電偶都是普遍選用的型號(hào)為K型的熱電偶和N型的熱電偶；（5）當(dāng)測(cè)量的溫度所在范圍是在400176。C以下的話，一般來(lái)講熱電偶都是普遍選用的型號(hào)為E的熱電偶；（4）當(dāng)測(cè)量的溫度所在范圍是在250176。C以下，或者測(cè)量的溫度所在范圍是小于0攝氏度的話，一般來(lái)講熱電偶都是普遍選用型號(hào)為T型的熱電偶，因?yàn)?，相?duì)來(lái)說(shuō)，在溫度比較低的環(huán)境中使用時(shí)型號(hào)為T型的熱電偶變化不是很大，測(cè)量出的誤差也是比較小的，而且對(duì)于測(cè)量溫度時(shí)的精度也是比較好的。 根據(jù)使用的環(huán)境來(lái)選擇（1）當(dāng)所需要測(cè)量的溫度是處于強(qiáng)氧化性和弱還原型的氣體氛圍內(nèi)可以考慮使用S型、B型、K型這三種類型的熱電偶；（2）當(dāng)所需要測(cè)量的溫度是處于氧化性相對(duì)來(lái)說(shuō)比較微弱，然而還原性相對(duì)來(lái)說(shuō)比較的氣體氛圍內(nèi)可以考慮使用J型和T型這兩種類型的熱電偶；（3）當(dāng)所需要測(cè)量的溫度對(duì)于所處于的氣體氛圍之間有著非常非常好的保護(hù)作用，那樣的話對(duì)于可以考慮使用的熱電偶的類型，通常來(lái)講，就不會(huì)做太過(guò)嚴(yán)格的要求； 根據(jù)可持續(xù)使用的時(shí)間來(lái)選擇（1）就關(guān)于熱電偶的使用來(lái)說(shuō)，它的可持續(xù)時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間是不能同時(shí)得到保證的，可持續(xù)使用的時(shí)間越是長(zhǎng)的話，它的響應(yīng)就需要比較長(zhǎng)的時(shí)間；（2）有一種熱電偶，它的熱容量是比較大的，那么它所需要的響應(yīng)的時(shí)間就會(huì)比較長(zhǎng)，當(dāng)我們所需要測(cè)量的溫度變化比較大時(shí)，這種熱電偶對(duì)溫度進(jìn)行控制就會(huì)非常差。（3）如果非得選用一種響應(yīng)時(shí)間又快，可持續(xù)使用的時(shí)間也有一定的延長(zhǎng)的話，一般來(lái)講熱電偶都是普遍選用鎧裝方式的熱電偶。就K型熱電偶來(lái)講，據(jù)我所知，它是經(jīng)常和一些用來(lái)顯示記錄作用的儀表相互配合著來(lái)使用。K型熱電偶可以測(cè)量的溫度范圍是0攝氏度到1300攝氏度【1】。測(cè)量物體不僅可以是氣體介質(zhì)，也可以是固體以及液體蒸汽等?，F(xiàn)在使用頻率最大的廉金屬熱電偶是對(duì)應(yīng)型號(hào)為K型的，它的使用之多幾乎可以表達(dá)為