【文章內(nèi)容簡介】 9S51 引腳圖 主控模塊設(shè)計 主控模塊電路由 AT89S51 微控制器 、外部時鐘電路、復(fù)位電路 組成 [3]。 設(shè)計 微控制器 系統(tǒng)中的各個部件是在一個統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下有序地進行工作，時鐘電路是 微控制器 系統(tǒng)最基本、最重要的電路。 本 系統(tǒng)時鐘電路設(shè) 計采用內(nèi)部 時鐘 方式 。 AT89S51 微控制器 內(nèi)部有一個高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端，如果在引腳 XTAL1和 XTAL2兩端跨接上晶體振蕩器 (晶振 )或陶瓷振蕩器就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩電路，該振蕩器電路的輸出可直接送入內(nèi)部時序電路。 內(nèi)部時鐘方式即是由 微控制器 內(nèi)部的高增益反相放大器和外部跨接的晶振、微調(diào)電容構(gòu)成時鐘電路產(chǎn)生時鐘的方法。外接晶振時， C C2 的值通常選擇為30pF左右； C C2對頻率有微調(diào)作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在 ～12MHz 之間選 擇。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與 微控制器 引腳 XTALl 和 XTAL2 靠近。由于內(nèi)部時鐘方式外部電路接線簡單， 微控制器 應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用較多 。內(nèi)部時鐘方式產(chǎn)生的時鐘信號的頻率就是晶振的固有頻率，常用 fsoc 來表示。 本系統(tǒng) 采用的晶體振蕩器頻率為 12MHz，即 fsoc=12 610 Hz。 （ 2）復(fù)位電路設(shè)計 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 11 大規(guī)模集成電路在上電時一般都需要進行一次復(fù)位操作，以便使芯片內(nèi)的一些部件處于一個確定的初始狀態(tài)，復(fù)位是一種很重要的操作 。器件本身一般不具有自動上電復(fù)位能力，需要借助外部復(fù)位電路提供的復(fù)位信號才能進行復(fù)位操作。 AT89S51 微控制器 的第 9 腳（ RST）為復(fù)位引腳，系統(tǒng)上電后，時鐘電路開始工作，只要 RST引 腳上出現(xiàn)大于兩個機器周期時間的高電平即可引起 微控制器執(zhí)行復(fù)位操作 。 微控制器 復(fù)位后， PC=0000H， CPU 從程序存儲器的 0000H 開始取指執(zhí)行。 本系統(tǒng)中采用上電復(fù)位和手動復(fù)位鍵復(fù)位相結(jié)合的方式 。 上電瞬間，由于電容兩端電壓不能突變， RST 引腳 端 電壓 VR 為 VCC，隨著對電容的充電， RST引腳的電壓呈指數(shù)規(guī)律下降， 經(jīng)時間 t 后 ， VR 降為 ，隨著對電容充電的 進行， VR 最后將接近 0 V。為了確保 微控制器 復(fù)位， t 必須大于兩個機器周期的 時間，機器周期取決于 微控制器 系統(tǒng)采用的晶振頻率， R1 不能取得太小 。 R2 的阻值一般很小，只有幾十歐姆，當(dāng)按下復(fù)位按鍵后，電容迅速通過R2 放電，放電結(jié)束時的 VR 為（ R1 Vcc） /（ R1+R2），由于 R1 遠(yuǎn)大于 R2， VR 非常接近 VCC，使 RST 引腳為高電平，松開復(fù)位按鍵后，過程與上電復(fù)位相同。 這里取 R1=10 kΩ， R2=200Ω ,C=10μ F。 時鐘電路和復(fù)位電路如圖 23所示。 圖 23 時鐘電路和復(fù)位電路 P 1 .0 / T 21X T A L 218X T A L 119P 2 .1 / A 922P 2 .2 / A 1 023P 2 .3 / A 1 124P 2 .4 / A 1 225P 2 .5 / A 1 326P 2 .6 / A 1 427P 2 .7 / A 1 528P S E N29A L E30E A / V P P31P 0 .7 / A D 732P 0 .6 / A D 633P 0 .5 / A D 534P 0 .4 / A D 435P 0 .3 / A D 336P 0 .2 / A D 237P 0 .1 / A D 138P 0 .0 / A D 039V C C40P 1 .1 / T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78R S T9P 3 .0 / R X D10P 3 .1 / T X D11P 3 .2 / I N T 012P 3 .3 / I N T 113P 3 .4 / T 014P 3 .5 / T 115P 3 .6 / W R16P 3 .7 / R D17V S S20P 2 .0 / A 821A T 89 S 5 1U1D 803 1( 4 0)C230 pFC330 pFS 4 R S TR220 0R110 K12 M H zC110 uFV C C電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 12 輸入通道設(shè)計 系統(tǒng)輸入通道的作用是將 電阻爐 的溫度 (非電量 )通過傳感器電路轉(zhuǎn)化為電量 (電壓或電流 )輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉(zhuǎn)化為 電壓 的輸出。由于此時的電量電壓 )還是 微控制器 所不能識別的模擬量，所以還需要進行 A/D 轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對應(yīng)的數(shù)字量，提供給 微控制器 判斷和控制。輸入通道由傳感器、轉(zhuǎn)換 電路 等組成。 K 型熱電偶 溫度傳感器 溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度 也各不相同。因此在不同的應(yīng)用場合，應(yīng)選擇不同的溫度傳感器 。 K 型熱電偶作為一種溫度傳感器，K 型熱電偶通常和顯示儀表 、 記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。 K 型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從 0℃ 到 1300℃ 范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度 。 K 型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中 [4]。 因此選用 K 型熱電偶 作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器 [4]。 K 型熱電偶的材料主要采用的是鎳鉻 鎳硅合金構(gòu)成，正極 (KP)的名義化學(xué)成分為： Ni： Cr=90： 10，負(fù)極 (KN)的名義化學(xué)成分為： Ni： Si=97： 3，它是一種能測量較高溫度的性價比很高的熱電偶 。 由于鎳鉻 鎳硅合金具有較好的高溫抗氧化性，可適用于氧化性或中性介質(zhì)中。因此這種 K型熱電偶可長期測量 1000度的高溫，短期可測到 1200 度。 K 型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛 。 熱電偶傳感器是利用 塞貝克（ Seeback） 效應(yīng) （ 第一熱電效應(yīng) ）來檢測溫度的。 塞貝克 效應(yīng)， 是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。 熱電偶產(chǎn)生的熱電勢（溫差電勢）是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢（ 珀爾帖 電勢 ）和單一導(dǎo)體的溫差電勢（ 湯姆遜電勢 ）組成的 [5]。 熱電偶回路總接觸電勢為： (21) ? ? ? ? ? ?BAABAB NNTTekTETE ln00 ???四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 13 熱電偶回路溫差 電勢 為： (22) 對于勻質(zhì)導(dǎo)體 A、 B 組成的熱電偶，其總電勢為接觸電勢與溫差電勢之和 ，為： (23) 式中 E— 電動勢； T— 接觸處絕對溫度； k— 波爾茲曼常數(shù)，為 ?? ； e— 電子電荷數(shù)； NA、 NB— 金屬 A、 B的自由電子密度； A? 、 B? — A、 B 導(dǎo)體的湯姆遜系數(shù)。 K型熱電偶 分度表 如表 41所示。 表 21 K型熱電偶 分度表 溫度 ℃ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 熱電動勢 mV 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 — — 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 MAX6675 MAX6675 是具有冷端補償和 A/D 轉(zhuǎn)換功能的單片集成Ｋ型熱電偶變換器，測溫范圍 0℃ ～ 1024℃ 。 該器件是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有信號調(diào)節(jié)放大器、 12 位的模擬 /數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補償傳感和校正、數(shù)字? ? ? ?dTTTE TT BAAB ? ?? 00, ??? ? ? ? ? ? ? ?dTTETETTE TT BAABABAB ? ???? 000, ??電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 14 控制器、 1個 SPI 兼容接口和 1 個相關(guān)的邏輯控制。 主要功能特 性 如下 :[6] 簡單的 SPI 串行口溫度值輸出； 0℃ ～ +1024℃的測溫范圍； 12位 A/D 轉(zhuǎn)換器 、 ℃的分辨率； 片內(nèi)冷端補償； 高阻抗差動輸入； 熱電偶斷線檢測； 單一 +5V 的電源電壓 ； 低功耗特性； 工作溫度范圍 20℃ ～ +85℃； 2021V 的 ESD 保護。 MAX6675 采用 8引腳 SO 貼片封裝， 引腳排列如圖 24所 示。 圖 24 MAX6675引腳排列 各引腳功能如表 22所示。 表 22 MAX6675引腳功能 引腳 名稱 功能 1 GND 接地端 2 T K 型熱電偶負(fù)極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正電源端 5 SCK 串行時鐘輸入 6 CS 片選端， CS為低時、啟動串行接口 7 SO 串行數(shù)據(jù)輸出 8 NC 空引腳 T接 K 型熱電偶的冷端，并從外部接地。 T+接熱電偶的熱端。 VCC 接電源電四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 15 壓的正極，該端需經(jīng)外部 在 VCC 和 GND 之間用 電容器接地。 MAX6675 與AT89S51 微控制器 的接口電路如圖 25 所示 [7]。 圖 25 MAX6675與 AT89S51微控制器 接口電路 在應(yīng)用中， MAX6675 的主要功能如下： [6] MAX6675內(nèi)部具有將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為與 ADC輸入 通道兼容電壓的信號調(diào)節(jié)放大器， T+和 T輸入端連接到低噪聲放大器 A1，以保證檢測輸入的高精度，同時使熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢經(jīng)低噪聲放大器 A1 放大，再經(jīng)過 A2 電壓跟隨器緩沖后，被送至 ADC 的輸入端。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相等價的溫度值之前，它需要對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是 MAX6675 周圍溫度與 0℃實際參考值之間的差值。對于 K 型熱電偶，電壓變化率為 41μ V/℃，電壓可由線性公式 Vout=（ 41μ V/℃）（ Rt － AMBt ）來近似熱電偶的特性。上式中， Vout 為熱電偶輸出電壓（ mV）， R t 是測量點溫度； AMBt是周圍溫度 。 熱電偶的功能是檢測熱、冷兩端溫度的差值，熱電偶熱節(jié)點溫度可在 0℃～+℃范圍變化。冷端即安裝 MAX6675的電路板周圍溫度，此溫度在 20℃～+85℃范圍內(nèi)變化。當(dāng)冷端溫度波動時， MAX6675 仍能精確檢測熱端的溫度變化。 MAX6675 是通過冷端補償檢測和校正周 圍溫度變化的。該器件可將周圍溫度通過內(nèi)部的溫度檢測二極管轉(zhuǎn)換為溫度補償電壓，為了產(chǎn)生實際熱電偶溫度測量NC8SO7CS6S C K5T+3T2V C C4G N D1M A X 66 75P 1 . 0 / T 21X T A L 218X T A L 119P 2 . 1 / A 922P 2 . 2 / A 1 023P 2 . 3 / A 1 124P 2 . 4 / A 1 225P 2 . 5 / A 1 326P 2 . 6 / A 1 427P 2 . 7 / A 1 528P S E N29A L E30E A / V P P31P 0 . 7 / A D 732P 0 . 6 / A D 633P 0 . 5 / A D 534P 0 . 4 / A D 435P 0 . 3 / A D 336P 0 . 2 / A D 237P 0 . 1 / A D 138P 0 . 0 / A D 039V C C40P 1 . 1 / T 2 E X2P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78R