【文章內(nèi)容簡介】 來的是很弱的難以測量和直接使用的模擬小信號。當(dāng)我們遇到冷端溫度補(bǔ)償這一必須要面對和解決的問題時 ,冰點(diǎn)補(bǔ)償法和電橋補(bǔ)償法這兩種方法都存在大的缺陷，幾乎不能實(shí)時實(shí)現(xiàn)溫度的測量、成本高等一系列問題經(jīng)常會隨之產(chǎn)生。因此對熱電偶測量的電壓信號進(jìn)行基于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)溫度實(shí)時測量記錄系統(tǒng)設(shè)計 2 放大調(diào)理、模擬和數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換等等一系列復(fù)雜的問題需要我們?nèi)ズ芎玫慕鉀Q它。在對動態(tài)溫度進(jìn)行實(shí)時測量記錄時，僅僅顯示 溫度還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我們想要的結(jié)果的。這時候就需要時間和溫度的同時出現(xiàn)在我們的眼界內(nèi)才能完成我們想要的結(jié)果。要想顯示時間常用的方法有兩種，一是利用單片機(jī)時鐘進(jìn)行控制。二是利用專用的時鐘芯片。 我的設(shè)計是用 K 型熱電偶、復(fù)位電路、晶振電路、 MAX6675 與單片機(jī)及熱電偶的連接電路、 LCD1602 液晶顯示電路以及 4X4 矩陣鍵盤輸入電路等相關(guān)元器件來設(shè)計出相應(yīng)溫度采集放大和轉(zhuǎn)換電路、溫度顯示電路、鍵盤控制電路、實(shí)時時間顯示電路等。系統(tǒng)利用芯片 MAX6675 和 51 單片機(jī)作為主要設(shè)計電路，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 ,并配合時鐘芯片，實(shí) 現(xiàn)測量溫度實(shí)時時間同時顯示的目的，調(diào)用鍵盤可以控制查看實(shí)時測量溫度記錄等，一切都只是為了達(dá)到設(shè)計任務(wù)書中的所要求的各項技術(shù)指標(biāo)，然后再仿真一下，可以實(shí)現(xiàn)對動態(tài)溫度的測量、實(shí)時時間的顯示等功能。 基于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)溫度實(shí)時測量記錄系統(tǒng)設(shè)計 3 2 動態(tài)溫度測量記錄系統(tǒng)方案設(shè)計 我們都知道溫度傳感器都是有熱惰性的，為了實(shí)現(xiàn)對動態(tài)溫度的正確測量，需要研究溫度傳感器的熱時間常數(shù)。假設(shè)溫度傳感器自身溫度均勻，沒有損失熱輻射能量，而且傳感器的介入不會改變被測介質(zhì)溫度，熱平衡方程 [13]可以表示為 ? ? ? ? ? ?? ?tTtTdt tdTcm ?? ?? （ 21） 其中，為比熱容；為溫度傳感器質(zhì)量；平均溫度時間函數(shù)；被測介質(zhì)溫度函數(shù)；溫度傳感器耗散系數(shù)； t 為時間變量。 熱時間常數(shù)用表示，上式可寫為 ? ? ? ? ? ?tTtTdt tdT ?? ?? （ 22） 因?yàn)???,所以，?? ??tTtT ?? ?，這就是動態(tài)溫度測量誤差的根本。當(dāng)?? ?? TtT ?，且??tT|t=0 0?解上式得 ? ? ? ???? /0 teTTTtT ???? ， t0 （ 23） ? ? ?? TT TT ??? tlnt 0， t0 （ 24） 當(dāng)時 ??t，? ?? ? ? ?00 TTTtT ??? ?，熱時間常數(shù)可表達(dá)為：把傳感器放入穩(wěn)定介質(zhì)，傳感器溫度由 0 變成和介質(zhì)溫度相同與傳感器初始溫度之差的 %用的時間。每一種傳感器都有自己的熱時間常數(shù)，所以在測量動態(tài)溫度時需要考慮用軟 件設(shè)計以達(dá)到動態(tài)溫度實(shí)時測量的準(zhǔn)確性。 系統(tǒng)方案設(shè)計一 這種方案設(shè)計的基本思想是：模擬元器件組成冷端補(bǔ)償轉(zhuǎn)換以及放大電路 ,這種冷端補(bǔ)償放大以及模擬和數(shù)字相互轉(zhuǎn)換組成的電路不僅占用電路的體積比較大 ,而且使用起來也非常不方便。除此之外，當(dāng)不管是需要改變橋路電源還是要更換熱電偶的類型時，都需要對電路的元器件值重新再做出調(diào)整。該方案所涉及的主要組成電路部分包括熱電偶及冷端補(bǔ)償、放大及 A/D 轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)和顯示電路等。如圖 211 所展示的就是這個方案設(shè)計的系統(tǒng)框圖。 基于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)溫度實(shí)時測量記錄系統(tǒng)設(shè)計 4 圖 211 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)方案設(shè)計二 在這里我選擇了自帶熱電偶冷端補(bǔ)償和放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的專用芯片 MAX6675，MAX6675 芯片除了可以對冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償外，還能對溫度進(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，另一方面又將測量到的熱電勢和補(bǔ)償電壓利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字量用來代表所測量的溫度 , 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。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 就是這個方案設(shè)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(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基于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)溫度實(shí)時測量記錄系統(tǒng)設(shè)計 5 片 MAX6675 芯片對采集到的溫度數(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，還可以對測量到的溫度進(jìn)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(shí)現(xiàn)了電路的優(yōu)化設(shè)計。故本系統(tǒng)設(shè)計最后決定用方案二的設(shè)計思想。 基于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)溫度實(shí)時測量記錄系統(tǒng)設(shè)計 6 3 硬件電路設(shè)計 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)存儲器 4K 片內(nèi)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(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 基于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)溫度實(shí)時測量記錄系統(tǒng)設(shè)計 7 比起 AT89C51 來說， 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)場程序修改和調(diào)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(qiáng) 增加掉點(diǎn)標(biāo)志和掉點(diǎn)后恢復(fù) 5189SAT引腳功能 引腳（ DIP封裝）如圖 圖 312 DIP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 基于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)溫度實(shí)時測量記錄系統(tǒng)設(shè)計 8 表 313 OI/端口引腳及功能 表 314 部分 I/O 口引腳的第二功能表 5189SAT存儲器 使用存儲器時應(yīng)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(nèi)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】 基于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)溫度實(shí)時測量記錄系統(tǒng)設(shè)計 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 EA確定是訪問片內(nèi)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(wù)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 0 0003H 定時器 T0 000BH 外部中斷 1 0013H 定時器 T1 001BH 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(yuǎn) 遠(yuǎn)不夠用來存放中斷服務(wù)子程序的，所以，我們經(jīng)常習(xí)慣在這幾個中斷入口處寫一條跳轉(zhuǎn)指令調(diào)到對應(yīng)的中斷服務(wù)子程序 【 9】 。 數(shù)據(jù)存儲空間分為片內(nèi)和片外數(shù)據(jù)存儲。由于本次設(shè)計未涉及片外擴(kuò)展，所以，在基于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)溫度實(shí)時測量記錄系統(tǒng)設(shè)計 10 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。 表 316 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲空間分配 單片機(jī)通過特殊功能寄存器 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，對應(yīng)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 基于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)溫度實(shí)時測量記錄系統(tǒng)設(shè)計 11 熱電偶簡介 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)成一個閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)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(yīng) 【 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(zhì)的金屬，當(dāng)他對其中一個點(diǎn)進(jìn)行加熱后，這時，他覺察到指南針竟然轉(zhuǎn)動了一個角度。當(dāng)他再次同時加熱兩個結(jié)點(diǎn)時，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)可以得出了一個結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點(diǎn)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(guān)聯(lián) 【 1】 。 兩接觸點(diǎn)的電勢公式可以寫成： BtAtAB NNeKtte ln)( ? （ 321） 00ln)( 00BtAtNNeKtt ? （ 322） 熱電偶電動勢公式可以寫成： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0000 , ttettetetettE BAABABAB ???? （ 323） 因?yàn)殚]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： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?000, tetetetett BAABABABAB ???? （ 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? ?0teAB就可以用一個對應(yīng)基于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)溫度實(shí)時測量記錄系統(tǒng)設(shè)計 12 的固定的數(shù)值來表示，公式可以變?yōu)椋? ? ? ? ? ctettE ABAB ??0, （ 325） 當(dāng)連接兩種不同種類的金屬 A 和 B 時，就可以推算出連接點(diǎn)處自由電子會發(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，密度小的金屬就會帶有負(fù)電，這樣就會形成熱電勢。 當(dāng)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(diǎn)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(jìn)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(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(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 總的來說，熱電偶溫度傳感器可以分為 【 1】 ：標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和 .非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。 從字面上來講，我們所說的標(biāo)準(zhǔn)就是符合國家對一些性能方面的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而這些規(guī)定往往會有配套的顯示儀表可供測試或檢測使用時選擇。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(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計。 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(guān)系。實(shí)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(guān)補(bǔ)償?shù)膯栴}。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)溫度的測量就會造成比較大的測量誤差。該補(bǔ)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(bǔ)償效果 【 12】 。 熱