【文章內容簡介】 溫度進行模數(shù)轉換使其可以直接與51單片機進行數(shù)據(jù)傳輸。它一方面將采集到的冷端溫度數(shù)據(jù)使用芯片內部的溫度敏感二極管轉換成補償電壓，另一方面又將測量到的熱電勢和補償電壓利用模數(shù)轉換器轉換成相應數(shù)字量用來代表所測量的溫度, 然后實際溫度數(shù)據(jù)（二者的電壓的和）從輸出引腳輸出和單片機P0口連接，進行數(shù)據(jù)傳輸，最后在LCD1602液晶顯示屏上將溫度值顯示出來。該方案所涉及的主要組成電路部分包括K型熱電偶、溫度補償轉換電路、4X4矩陣鍵盤電路及LCD1602顯示電路等。如圖212就是這個方案設計的系統(tǒng)框圖。圖212 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)方案的確定現(xiàn)在對上述兩種方案進行比較，由系統(tǒng)框圖可以得出方案一所需電路比較復雜，而且測量出的溫度值不精確，這樣就可能會造成非常大的誤差。方案二是熱電偶專用的芯片MAX6675芯片對采集到的溫度數(shù)據(jù)在內部進行AD轉換、冷端補償、內部校正工作，還可以對測量到的溫度進行數(shù)字化處理的問題。除此之外，該方案所測溫度精確度比較高，可以消除由熱電偶的非線性所造成的測量誤差,該方案還實現(xiàn)了電路的優(yōu)化設計。故本系統(tǒng)設計最后決定用方案二的設計思想。 3 硬件電路設計 AT89S51單片機的硬件組成 片內硬件組成結構AT89S51單片機的片內硬件組成結構如圖示:圖311 片內硬件結構AT89S51具有的基本特點是【9】：CPU是8位微處理器128byte片內數(shù)據(jù)存儲器4K片內程序存儲器8位可編程并行I/O口4個全雙工的異步串行口1個16位可編程定時計數(shù)器2個看門狗定時器1個中斷系統(tǒng)有5個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級特殊功能寄存器26個掉電模式下具有中斷恢復模式。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個比起AT89C51來說，AT89S51擁有更加鮮明的特點，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)場程序修改和調試更加方便多加一個數(shù)據(jù)指針，方便對片外RAM訪問新增看門狗定時，系統(tǒng)抗干擾能力增強增加掉點標志和掉點后恢復 引腳功能引腳（封裝）如圖圖312 封裝引腳圖表311 電源和時鐘引腳及功能表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 存儲器使用存儲器時應注意：（1）要區(qū)分程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器【9】（2）位地址空間共有2個區(qū)域（3）用指令來區(qū)別訪問的是片內數(shù)據(jù)存儲器還是片外數(shù)據(jù)存儲器【9】（4）片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址RAM和I/O端口【9】（5）所有外圍I/O端口的地址都會占用存儲器單元圖313 存儲器空間分配圖程序存儲器一般用作：（1）存放程序和表格一類的固定常數(shù)（2）系統(tǒng)程序啟動地址0000H是程序存儲器里的地址（3）引腳確定是訪問片內還是片外程序存儲器程序存儲器被固定用于各中斷源的中斷服務程序入口地址如下表所示【9】：表315 5個中斷源的中斷入口地址中斷源中斷入口地址外部中斷00003H定時器T0000BH外部中斷10013H定時器T1001BH串行口0023H由表可以看出，中斷入口間隔只有8個單元，通常來說，是遠遠不夠用來存放中斷服務子程序的，所以，我們經(jīng)常習慣在這幾個中斷入口處寫一條跳轉指令調到對應的中斷服務子程序【9】。數(shù)據(jù)存儲空間分為片內和片外數(shù)據(jù)存儲。由于本次設計未涉及片外擴展，所以，在這里只介紹一下片內128字節(jié)RAM的相關情況，具體內容在下面的表格里展現(xiàn)出來。表316 片內數(shù)據(jù)存儲空間分配單片機通過特殊功能寄存器SFR控制片內各功能部件。SFR在片內RAM上映射區(qū)共26個，對應地址是80H~FFH。具體情況如圖314。陰影部分為新增的5個SFR。圖314 特殊功能寄存器的名稱及分布 熱電偶簡介 熱電效應及微觀解釋 熱電效應定義：將兩種不同材料的導體A和B串聯(lián)成一個閉合回路，當兩接點溫度不通時，回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應【1】。如圖321所展現(xiàn)出來的就是熱電偶工作原理。圖321 熱電偶工作原理一八二一年，賽貝克做出來了一個非開放的閉合回路利用不同材質的金屬，當他對其中一個點進行加熱后，這時，他覺察到指南針竟然轉動了一個角度。當他再次同時加熱兩個結點時，他發(fā)現(xiàn)了放在回路中的指南針的偏轉角不僅不增大，反而向回轉。由指南針的偏轉可以得出了一個結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中有電動勢產(chǎn)生并伴隨有電流的流動，電流大小和連接處的溫度相關聯(lián)【1】。兩接觸點的電勢公式可以寫成： （321） （322）熱電偶電動勢公式可以寫成： （323）因為閉合回路的溫差電動勢太小，常常都是被忽略的，所以可以把公式寫成： （324）如果熱電偶的型號選定了，冷端溫度也已經(jīng)明確了，那么就可以用一個對應的固定的數(shù)值來表示，公式可以變?yōu)椋? （325）當連接兩種不同種類的金屬A和B時，就可以推算出連接點處自由電子會發(fā)生蔓延的情況，這是因為不同種類的金屬內部自由電子的密度是不一樣的。自由電子將會從密度大的金屬A向密度小的金屬B擴散，密度大的金屬失去e從而帶著正電，密度小的金屬就會帶有負電，這樣就會形成熱電勢。當他將另一種金屬材料接入熱電偶回路中時，但一定保持接入的第三種金屬材料兩個接點的溫度是一模一樣的，那么熱電偶產(chǎn)生的熱電勢就會恒定不變，即第三種金屬接入回路不會對熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢有所影響。所以，在利用熱電偶對溫度進行測量時，測量儀表是被允許接入的，我們可以通過測得熱電動勢后得到被測介質的溫度。如果已經(jīng)確定了熱電偶的材料成份，那么熱電勢的大小就只與熱電偶兩端的溫度差相關聯(lián)了。若再將熱電偶冷端的溫度保持在一個穩(wěn)定不變的值時，熱電偶的熱電勢就只和工作端溫度呈現(xiàn)出單值函數(shù)的關系。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償總的來說，熱電偶溫度傳感器可以分為【1】：。從字面上來講，我們所說的標準就是符合國家對一些性能方面的統(tǒng)一標準規(guī)定，而這些規(guī)定往往會有配套的顯示儀表可供測試或檢測使用時選擇。非標準在某種程度上總是比不得標準化熱電偶，而且，分度表也不統(tǒng)一，多數(shù)用于某些特殊場合。一九八八年一月一日我國所有熱電偶和熱電阻都按國際標準統(tǒng)一設計。標準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】。用熱電偶測量時，要保持冷端的溫度恒定不變，這樣的話，熱電偶熱電勢的大小就與測量的溫度之間就能呈現(xiàn)出一定的函數(shù)關系。實際上冷端的溫度不會一直都是恒定的，而是時刻都在變化的。因此要想得到真正想要的熱電勢就要解決有關補償?shù)膯栴}。如果不想辦法消除因為冷端溫度發(fā)生改變而影響到真實溫度的測量就會造成比較大的測量誤差。該補償電勢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償效果【12】。熱電偶溫度補償公式【3】如下： （326）其中，實際測量的電動勢用表示；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所需的補償電勢。 熱電偶選型一般來說，對于一些特殊的熱電偶的選擇這個問題，可以從以下幾個方面來考慮。 根據(jù)溫度測量的范圍來選擇（1）當測量的溫度所在范圍是在1300176。C到1800176。C之間，而且對于測量溫度時的精度要求相對來說也是非常的高時，普遍來講熱電偶都是選用的型號為B型的熱電偶；（2）當測量的溫度所在范圍是在超過了1800176。C之后，而且所需要測量的溫度對于所處于的氣體氛圍又可以接受，對于測量溫度時的精度要求也不是非常的高的話，一般來講熱電偶首選的普遍都是鎢錸熱電偶；（3）當測量的溫度所在范圍是在1000176。C到1300176。C之間，而且對于測量溫度時的精度要求相對來說也是非常的高時，一般來講熱電偶都是選用的普遍都是型號為S型的熱電偶或者選用的熱電偶是型號為N型的都是可以的；（4）當測量的溫度所在范圍是在1000176。C以下的話，一般來講熱電偶都是普遍選用的型號為K型的熱電偶和N型的熱電偶；（5）當測量的溫度所在范圍是在400176。C以下的話，一般來講熱電偶都是普遍選用的型號為E的熱電偶；（4）當測量的溫度所在范圍是在250176。C以下，或者測量的溫度所在范圍是小于0攝氏度的話，一般來講熱電偶都是普遍選用型號為T型的熱電偶，因為，相對來說，在溫度比較低的環(huán)境中使用時型號為T型的熱電偶變化不是很大，測量出的誤差也是比較小的，而且對于測量溫度時的精度也是比較好的。 根據(jù)使用的環(huán)境來選擇（1）當所需要測量的溫度是處于強氧化性和弱還原型的氣體氛圍內可以考慮使用S型、B型、K型這三種類型的熱電偶；（2）當所需要測量的溫度是處于氧化性相對來說比較微弱，然而還原性相對來說比較的氣體氛圍內可以考慮使用J型和T型這兩種類型的熱電偶；（3）當所需要測量的溫度對于所處于的氣體氛圍之間有著非常非常好的保護作用，那樣的話對于可以考慮使用的熱電偶的類型，通常來講，就不會做太過嚴格的要求； 根據(jù)可持續(xù)使用的時間來選擇（1）就關于熱電偶的使用來說，它的可持續(xù)時間和響應時間是不能同時得到保證的，可持續(xù)使用的時間越是長的話，它的響應就需要比較長的時間；（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的時間就會比較長，當我們所需要測量的溫度變化比較大時，這種熱電偶對溫度進行控制就會非常差。（3）如果非得選用一種響應時間又快，可持續(xù)使用的時間也有一定的延長的話，一般來講熱電偶都是普遍選用鎧裝方式的熱電偶。就K型熱電偶來講，據(jù)我所知，它是經(jīng)常和一些用來顯示記錄作用的儀表相互配合著來使用。K型熱電偶可以測量的溫度范圍是0攝氏度到1300攝氏度【1】。測量物體不僅可以是氣體介質，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應型號為K型的，它的使用之多幾乎可以表達為