【文章內容簡介】 開頭的限制 ,外有保護套管 ,用起來非常方便。熱電偶測溫的缺點是 :熱電偶損耗比較大 ,增大了維護量 ,備件費用消耗大；熱響應有一定滯后。 本章小結 本章先對各型號熱電偶傳感器做了簡單介紹， 并說明了為什么要選用K 型熱電偶 作為測溫元件， 接著討論了熱電效應和熱電動勢，然后詳細闡釋了熱電偶測溫的基本原理并給出了熱電偶測溫原理示意圖，最后討論了熱電偶進行冷端補償?shù)姆椒ㄒ约盁犭娕紲y溫的優(yōu)缺點。 哈爾濱理工大學學士學位論文 9 第 3章 熱電偶溫度控制系統(tǒng)的硬件設計 上一章對熱電偶的分類，測量基本原理及冷端補償方法進行了詳細的描述，本章則對熱電偶溫度控制 系統(tǒng)的硬件部分進行詳細闡述與設計。 控溫器系統(tǒng)結構 在熱電偶控溫器的控溫過程中，必須首先對由溫差產(chǎn)生的熱電動勢信號進行一系列處理。熱電偶將電壓信號經(jīng)信號補償與放大電路放大后，通過多路選擇器選通其中一路進行 A/D 轉換成數(shù)字信號，轉換后數(shù)據(jù)存入AT89S52 單片機，然后多路選擇器選通下一路并對下一路信號進行 A/D 轉換。存在單片機的數(shù)字信號通過定時串口通信與上位機進行數(shù)據(jù)交換，完成相關數(shù)字信號處理。 上位機在得出測量溫度值并對溫度值進行判定：若溫度值高于限定溫度值，則發(fā)送指令，使加熱器控制電路開啟加熱器；若溫度值 低于限定溫度值，則發(fā)送指令，使制冷電路開啟液氮回路。 熱電偶控溫器電路結構大致包括熱電偶傳感器、冷端補償與放大電路、信號選通電路、 A/D 轉換電路、單片機、電源電路、溫度控制電路以及實現(xiàn)具體控溫功能的相應開關電路等。下面分別對這些電路進行描述和設計。 其系統(tǒng)結構圖如圖 31 所示。 圖 31 熱電偶控溫器系統(tǒng)結構 系統(tǒng)的信號選通及 A/D 轉換電路 熱電偶測溫，控溫電路一般是多通道的，不可能對每一路分別處理顯 AT89S 52 上位機 A/D 轉換器 液氮回路 電源電路 選通電路 加熱控制 加熱器 制冷控制 熱電偶 哈爾濱理工大學學士學位論文 10 示。比較實用的方法是在各路信 號放大后通過一個選通器選擇其中一路信號進行 A/D 轉換處理，處理完成后再選通處理下一路。在此設計中，采用HI546選通芯片來實現(xiàn)多路熱電偶信號的選通，其選通電路如下圖 32所示 C J K 1C J K 2C J K 3C J K 4C J K 5C J K 6C J K 7C J K 8C J K 9C J K 1 0C J K 1 1C J K 1 2R 9R 1 0R 1 1R 1 2R 1 3R 1 4R 1 5R 1 6R 1 7R 1 8R 1 9R 2 0R 2 1R 2 2R 2 3R 2 41 91 81 71 61 51 41 31 21 11 0987654I N 1I N 2I N 3I N 4I N 5I N 6I N 7I N 8I N 9I N 1 0I N 1 1I N 1 2I N 1 3I N 1 4I N 1 5I N 1 6O U TA 3A 2A 1A 0E NV R F FG N D V+ VI N 1 212 71 2 R 2 71 31 8+ 5 V+ 1 2 VR 2 5R 2 6C 6C 72 81 41 51 61 7P 3P 2P 1P 0 圖 32 信號選通電路 HI546 為 16 路多路模擬信號選通芯片，通過使能信號 Enable 和地址信號 A A A A0 來控制多路信號的選擇。由下表 1 可知，當 EN 為低時，不管地址信號 A3 、 A2 、 A A0 的數(shù)據(jù)為何內容，“ ON”CHANNEL 始終為“ NONE”，即 16 路中沒有任何一路被選通；當 EN 為高時，地址線 A A A A0 對應不同的二進制數(shù)值時即選通不同的路。這樣， A A A A0 的組合即可實現(xiàn) 16 路信號中任一信號到達芯片輸出端，從而實現(xiàn)了多路信號的單路選通。 在設計 HI546 選通電路是要注意， HI546 為 16 路選通器，如果設計中的有用信號不足 16 路，例如只用到了 12 路 K 型熱電偶，則 HI546 的 16路輸入電路中只有 12 路選通輸入。剩余的 4 路，為了防止輸入端引腳懸空引起的不確定因素，故將未用的 4 路輸入端做接地處理。如果在設計中的熱電偶路數(shù)多余 16 路，就需要 用到信號的二次選通電路，可以將 n 個HI546 的輸入端接入待選通的各信號端并將這 n 個 HI546 芯片的輸出作為下一級 HI546 芯片的輸入，即可實現(xiàn)最多 n 16 路信號的選通。 表 31 HI546 真值表 A3 A2 A1 A0 EN “ ON ”CHANNEL X X X X L NONE 哈爾濱理工大學學士學位論文 11 L L L L H 1 L L L H H 2 L L H L H 3 L L H H H 4 L H L H H 5 L H H L H 6 L H L L H 7 L H H H H 8 H L L L H 9 H L L H H 10 H L H L H 11 H L H H H 12 H H L L H 13 H H L H H 14 H H H L H 15 H H H H H 16 單片機以及上位機處理的信息必須為數(shù)字量，但是熱電勢信號為連續(xù)變化的模擬信號，因此必須對模擬信號進行 A/D 轉換。我們 采用 16位的AD7715芯片來實現(xiàn) A/D 轉換功能，其中 AD780提供 高精基準電壓。 AD 工作所需的時鐘， ， DRDY,AT89S52可以通過查詢 是否可以讀取 AD 轉換結果， A/D 接口電路 如下圖 33所示 S C L KM C L K I NM C L K O U TC SR E S E TA V D DA i n ( + )A i n ( )D G N DD V D DD I ND O U TD R D YA G N DR e f i n ( )R e f i n ( + )N C+ V i nT E M PG N DN C / G N DN CV o u tT R I MC 31 5 p FC 41 5 p FY 11 . 0 0 0 M H ZC 20 . 0 1 u FR 61 0 0 KA DA G N DP 1 . 2P 1 . 6P 1 . 3D V + 5 VA V + 5 V0 . 1 u FC 8U 4A D 7 8 0A D 7 7 1 5U 2123456781 61 51 41 31 21 11 0912348765P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 7D G N DD V + 5 V 圖 33 A/D 轉換電路 哈爾濱理工大學學士學位論文 12 單片機 信號經(jīng) A/D 轉換器轉換后由溫度傳感器采集得到的溫度信號被送至中央處理器單片機中。單片機是整個電路設計的核心，它負責控制著地址線數(shù)據(jù)的寫入與讀出、進行相應的數(shù)據(jù)存儲與處理并保持著與上位機的通信，以使得整個系統(tǒng)能在人的控制范圍內。在本設計中我們采用 AT89S52芯片。 AT89S52 是一種低功耗、高 性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 的引腳如下圖 34 所示 。 1235467891 01 11 21 31 41 61 71 81 92 01 54 03 93 83 63 73 53 43 33 23 13 02 92 82 72 52 42 32 22 12 6 ( T 2 ) P 1 . 0( T 2 E X ) P 1 . 1P 1 . 2( M I S O ) P 1 . 6( M O S I ) P 1 . 5P 1 . 4P 1 . 3R S TG N D( T 2 E X ) P 3 . 7X T A L 1( R D ) P 3 . 6( W R ) P 3 . 5( T 1 ) P 3 . 4( T 0 ) P 3 . 3( I N T 0 ) P 3 . 2( T X D ) P 3 . 1( R X D ) P 3 . 0( S C K ) P 1 . 7X T A L 2V C CP 2 . 0 ( A 8 )P 2 . 1 ( A 9 )P 2 . 2 ( A 1 0 )P 2 . 3 ( A 1 1 )P 2 . 4 ( A 1 2 )P 2 . 5 ( A 1 3 )P 2 . 6 ( A 1 4 )P 2 . 7 ( A 1 5 )P S E NA L E / P R O GE A N P PP 0 . 7 ( A D 7 )P 0 . 6 ( A D 6 )P 0 . 5 ( A D 5 )P 0 . 4 ( A D 4 )P 0 . 3 ( A D 3 )P 0 . 2 ( A D 2 )P 0 . 1 ( A D 1 )P 0 . 0 ( A D 0 ) 圖 34 AT89S52 引腳圖 AT89S52 具有以下標準 功能 :8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工哈爾濱理工大學學士學位論文 13 作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 AT89S52 各引腳功能如下表 32 所示 。 表 32 AT89S52 引腳功能 P0 口： P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅動8 個 TTL 邏 輯電平。對 P0 端口寫 “1”時， 引腳 用作高阻抗輸入。 當訪問外部 程序 和數(shù)據(jù) 存儲器 時 ， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復用。在這種模式下 ， P0 不具有內部上拉電阻 。 在 flash編程 時， P0 口也用來接收指令字節(jié) ；在 程序 校驗時，輸出指令字節(jié)。 程序 校驗時，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ， p1 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。 P2 口： P2 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器 能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫 “1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在訪問外部 程序存儲器 或用 16位地址讀取 外部數(shù)據(jù) 存儲器 （例如執(zhí)行 MOVX@DPTR） 時， P2 口送出高八位地址。在這種應用中， P2 口使用很強的內部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位引腳號 功能 T2（定時器、計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入），時鐘輸入 T2EX(定時器，計數(shù)器 T2 捕捉重載觸發(fā)信號和方向控制 ) MOSI(在系統(tǒng)編程用 ) MISO(在系統(tǒng)編程用 ) SCK(在系統(tǒng)編程用 ) RXD(串行輸入 ) TXD（串行輸出） INT0(外部中斷 0) INT0(外部中斷 0) T0（定時器 0 外部輸入） T1（定時器 1 外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） 哈爾濱理工大學學士學位