【文章內容簡介】 9S51 引腳圖 主控模塊設計 主控模塊電路由 AT89S51 微控制器 、外部時鐘電路、復位電路 組成 [3]。 設計 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 計采用內部 時鐘 方式 。 AT89S51 微控制器 內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部時序電路。 內部時鐘方式即是由 微控制器 內部的高增益反相放大器和外部跨接的晶振、微調電容構成時鐘電路產生時鐘的方法。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，振蕩器和電容應盡可能安裝得與 微控制器 引腳 XTALl 和 XTAL2 靠近。由于內部時鐘方式外部電路接線簡單， 微控制器 應用系統(tǒng)中應用較多 。內部時鐘方式產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）復位電路設計 四川理工學院本科畢業(yè)（設計）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位操作，以便使芯片內的一些部件處于一個確定的初始狀態(tài)，復位是一種很重要的操作 。器件本身一般不具有自動上電復位能力，需要借助外部復位電路提供的復位信號才能進行復位操作。 AT89S51 微控制器 的第 9 腳（ RST）為復位引腳，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)行復位操作 。 微控制器 復位后， PC=0000H， CPU 從程序存儲器的 0000H 開始取指執(zhí)行。 本系統(tǒng)中采用上電復位和手動復位鍵復位相結合的方式 。 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，當按下復位按鍵后，電容迅速通過R2 放電，放電結束時的 VR 為（ R1 Vcc） /（ R1+R2），由于 R1 遠大于 R2， VR 非常接近 VCC，使 RST 引腳為高電平，松開復位按鍵后，過程與上電復位相同。 這里取 R1=10 kΩ， R2=200Ω ,C=10μ F。 時鐘電路和復位電路如圖 23所示。 圖 23 時鐘電路和復位電路 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)設計 12 輸入通道設計 系統(tǒng)輸入通道的作用是將 電阻爐 的溫度 (非電量 )通過傳感器電路轉化為電量 (電壓或電流 )輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉化為 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 轉換，即將模擬的電量轉化成與之對應的數(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成材料、構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。因此在不同的應用場合，應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 、 記錄儀表和電子調節(jié)器配套使用。 K 型熱電偶可以直接測量各種生產中從 0℃ 到 1300℃ 范圍的液體蒸汽和氣體介質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 鎳硅合金構成，正極 (KP)的名義化學成分為： Ni： Cr=90： 10，負極 (KN)的名義化學成分為： 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 （ 第一熱電效應 ）來檢測溫度的。 塞貝克 效應， 是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現(xiàn)象。 熱電偶產生的熱電勢（溫差電勢）是由兩種導體的接觸電勢（ 珀爾帖 電勢 ）和單一導體的溫差電勢（ 湯姆遜電勢 ）組成的 [5]。 熱電偶回路總接觸電勢為： (21) ? ? ? ? ? ?BAABAB NNTTekTETE ln00 ???四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 13 熱電偶回路溫差 電勢 為： (22) 對于勻質導體 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)字轉換器 MAX6675 MAX6675 是具有冷端補償和 A/D 轉換功能的單片集成Ｋ型熱電偶變換器，測溫范圍 0℃ ～ 1024℃ 。 該器件是一復雜的單片熱電偶數(shù)字轉換器，內部具有信號調節(jié)放大器、 12 位的模擬 /數(shù)字化熱電偶轉換器、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)設計 14 控制器、 1個 SPI 兼容接口和 1 個相關的邏輯控制。 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 轉換器 、 ℃的分辨率； 片內冷端補償； 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院本科畢業(yè)（設計）論文 15 壓的正極，該端需經外部 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 在應用中， MAX6675 的主要功能如下： [6] MAX6675內部具有將熱電偶信號轉換為與 ADC輸入 通道兼容電壓的信號調節(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線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢經低噪聲放大器 A1 放大，再經過 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℃范圍內變化。當冷端溫度波動時， 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部的溫度檢測二極管轉換為溫度補償電壓，為了產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