【正文】 商 業(yè) 級 ) 單 片 機 最 小 系 統(tǒng) 包 括 單 片 機 、 晶 振 電 路 、 復 位 電 路 、 電 源 電 路 。 單 片 機 最 小 系 統(tǒng)如 圖 32 所 示 。10Y112MC2 20PC3 20PX2X1VCCC110uF/25V10KR1P02VCCS0SWPBEA/VPP 31XTAL119XTAL218RST9P37/RD17P36/WR16P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P10/T21P11/T2EX2P123P134P145P15(MOSI)6P16(MISO)7P17(SCK)8AD0/P00 39AD1/P01 38AD2/P02 37AD3/P03 36AD4/P04 35AD5/P05 34AD6/P06 33AD7/P07 32A8/P20 21A9/P21 22A10/P22 23A11/P23 24A12/P24 25A13/P25 26A14/P26 27A15/P27 28PSEN 29ALE/PROG 30P31/TXD11P30/RXD10GND20VCC 40U1STC 12C5A16ADP17P34P35P36P37P10P00P12P13P14P15P16RSTP01P03P04P05P06P07P20P22P25P21P23P24圖 32 單片機最小系統(tǒng)各 端 口 分 配 表 見 表 31。 表 31 單片機 IO 分配表單片機 IO 口 所接器件～ 接數碼管 接報警電路～ 接按鍵～ 接 MAX6675～ 接接數碼管驅動電路～ 接 CD4051XTALXTAL2 接晶振電路RST 接復位電路 電源電路的設計電 源 電 路 的 作 用 是 將 外 部 輸 入 電 源 轉 換 為 內 部 所 需 要 的 各 類 工 作 電 壓 ， 電 源 電 路設 計 的 好 壞 將 影 響 到 整 個 設 備 。 電 源 電 路 設 計 不 當 ， 將 導 致 整 個 電 路 不 能 正 常 工 作 ，甚 至 被 燒 壞 。 設 計 好 的 電 源 電 路 能 為 設 備 的 運 行 提 供 穩(wěn) 定 的 工 作 電 壓 。本 次 電 源 電 路 設 計 主 要 由 整 流 橋 、 電 容 、 穩(wěn) 壓 芯 片 780 穩(wěn) 壓 芯 片 7905 組 成 電源 電 路 設 計 ， 供 電 原 理 ： 外 接 的 交 流 電 壓 220V 電 源 經 變 壓 器 轉 換 輸 出 為 12V 的 電 壓 ，再 通 過 整 流 橋 、 濾 波 電 路 、 穩(wěn) 壓 芯 片 實 現 一 個 穩(wěn) 定 的 電 壓 。 為 整 個 系 統(tǒng) 提 供 +5V、 5V電 源 。 電 源 電 路 原 理 圖 如 圖 33 所 示 。 11Vin1GND2+5V 3U67805 VCCC8470uF/16VC10470uF/16VC9104C111041234D1BRIDGE112JP?交交交交12VVCCC13470uF/16V C15470uF/16VC14104 C16104Vin2 GND15V 3U77905圖 33 電源電路圖 溫度檢測電路的設計本 系 統(tǒng) 采 用 K 型 熱 電 偶 傳 感 器 進 行 對 遠 距 離 的 8 路 溫 度 進 行 檢 測 ， K 型 熱 電 偶 傳感 器 的 作 用 是 將 采 集 到 的 溫 度 信 號 轉 換 成 電 壓 信 號 。K 型 熱 電 偶 是 現 在 使 用 最 廣 泛 的 廉 價 熱 電 偶 ， 其 用 量 是 最 多 的 ， 幾 乎 是 其 它 熱 電偶 使 用 之 和 。 K 型 熱 電 偶 絲 的 直 徑 通 常 是 ～ 。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， 其 使 用 溫 度 為 0℃ ～ 1300℃ 。K 型 熱 電 偶 具 有 線 性 度 好 ， 靈 敏 度 高 ， 均 勻 性 較 好 ， 穩(wěn) 定 性 與 熱 電 動 勢 較 大 ， 價格 便 宜 ， 抗 氧 化 性 能 強 等 優(yōu) 點 ， 它 可 以 在 氧 化 性 惰 性 氣 氛 使 用 中 ， 它 被 用 戶 廣 泛 地 所采 用 。 K 型 熱 電 偶 不 能 直 接 用 于 氧 化 交 替 的 氣 氛 中 和 真 空 中 ， 弱 氧 化 氣 氛 ， 也 不 能 夠在 高 溫 下 用 于 硫 ， 還 原 性 或 還 原 。 根 據 本 設 計 技 術 要 求 測 溫 范 圍 為 ： 0～ 1000℃ ， 選擇 K 型 熱 電 偶 能 滿 足 要 求 。表 32 K 型熱電偶性能說明分度號 材質 補償導線型號 補償導線材質正極 負極K 鎳鎘鎳硅 SC銅 康銅圖 34 K 型熱電偶傳感器12x 1x 0y 012 多通道切換電路的設計本 系 統(tǒng) 是 一 個 多 路 巡 檢 的 系 統(tǒng) ， 為 了 實 現 8 路 檢 測 ， 如 果 在 每 一 路 都 接 一 個 A/D采 樣 通 道 ， 這 樣 太 浪 費 資 源 ， 所 以 要 使 用 模 擬 通 道 開 關 芯 片 ， 可 以 實 現 多 個 通 道 的 快速 切 換 ， 這 樣 只 要 一 路 A/D 采 樣 通 道 即 可 實 現 8 路 巡 檢 功 能 ， 同 時 還 可 以 保 證 各 通 道電 流 的 一 致 性 。 本 設 計 所 用 多 路 開 關 是 兩 個 單 八 路 模 擬 開 關 CD4051。 CD4051 引 腳 見圖 35。VCCVCCVCCVCC P34P37P36P35y7y6y5y4y3y2y1y0x7x6x5x4x3x2x1x0OUTxX0 13X1 14X2 15X3 12X4 1X5 5X6 2X7 4INH 6A 11B 10C 9X3VCC16GND8VEE7U4CD4051X0 13X1 14X2 15X3 12X4 1X5 5X6 2X7 4INH 6A 11B 10C 9X3VCC16GND8VEE7U3CD4051OUTy圖 35 CD4051 引腳圖 CD4051 相 當 于 一 個 單 刀 八 擲 開 關 ， 其 中 “INH”是 禁 止 端 ， 當 “INH”=1 時 ，各 通 道 均 不 接 通 。 只 有 當 “INH”=0 時 ， 才 能 選 通 某 一 通 道 ， 使 開 關 接 通 。 開 關 接 通哪 一 通 道 ， 由 輸 入 的 3 位 地 址 碼 ABC 來 決 定 。 當 ABC 輸 入 000～ 111， 分 別 對 應 0～ 7通 道 上 的 開 關 處 于 閉 合 狀 態(tài) 。 此 外 ， CD4051 還 有 另 外 一 個 電 源 端 VEE， 它 是 當 作 電 平位 移 的 時 候 用 的 ， 能 使 一 般 在 單 組 電 源 供 電 情 況 下 工 作 的 CMOS 電 路 所 提 供 的 數 字 信號 能 夠 直 接 控 制 CD4051， 并 且 使 CD4051 可 傳 輸 峰 － 峰 值 達 到 15V 的 交 流 信 號 。 比 如 ，如 果 模 擬 開 關 的 供 電 電 源 VCC=＋ 5V， 當 VEE=－ 5V 時 ， 只 要 對 這 個 模 擬 開 關 施 加0～ 5V 的 數 字 控 制 信 號 ， 就 可 模 擬 信 號 的 幅 度 范 圍 控 制 在 － 5V～ ＋ 5V 的 。 輸 入 狀 態(tài) 和接 通 通 道 見 表 33。13表 33 CD4051 連接狀態(tài)表INH A B C 連接狀態(tài)0 0 0 0 00 0 0 1 10 0 1 0 20 0 1 1 30 1 0 0 40 1 0 1 50 1 1 0 60 1 1 1 71 均不接通 A/D 轉換電路的設計本 文 采 用 MAX6675 芯 片 進 行 對 K 型 熱 電 偶 傳 感 器 采 集 到 的 模 擬 信 號 進 行 信 號 的 線性 校 正 、 放 大 、 冷 端 補 償 、 A/D 轉 換 處 理 。 K 型 熱 電 偶 是 一 種 主 要 的 溫 度 傳 感 器 ， 具有 測 量 精 度 高 、 測 溫 范 圍 寬 、 測 量 速 度 快 、 使 用 方 便 等 特 點 。 然 而 把 K 型 熱 電 偶 用 在基 于 單 片 機 的 系 統(tǒng) 時 ， 卻 有 著 下 面 幾 個 問 題 。 電 偶 輸 出 的 熱 電 勢 同 溫 度 之 間 存 在 非 線 性 關 系 ， 所 以 在 使 用 的 時 候 一 定 要 對其 實 行 線 性 化 處 理 。 電 偶 輸 出 的 熱 電 勢 是 熱 端 與 冷 端 溫 度 t0=0℃ 時 的 電 勢 之 差 ， 但 是 在 實 際 測 量時 冷 端 的 溫 度 會 隨 環(huán) 境 溫 度 的 變 化 而 改 變 ， 所 以 對 其 要 實 行 冷 端 補 償 。 MCU 系 統(tǒng) 接 口 一 定 要 進 行 數 字 信 號 輸 出 ， 而 熱 電 偶 傳 感 器 輸 出 的 模 擬 信 號 一定 是 不 能 滿 足 要 求 的 ， 所 以 需 要 進 行 A/D 轉 換 。綜 上 所 述 ， 如 果 將 熱 電 偶 應 用 在 單 片 機 系 統(tǒng) 時 ， 需 要 設 計 出 復 雜 的 信 號 放 大 電 路 、冷 端 補 償 電 路 、 線 性 校 正 電 路 、 A/D 轉 換 電 路 及 數 字 化 輸 出 接 口 。 假 如 能 夠 把 上 面 所提 到 的 功 能 集 成 到 一 個 集 成 芯 片 中 ， 就 是 采 用 一 個 芯 片 來 完 成 信 號 的 放 大 、 冷 端 補 償 、線 性 化 校 正 以 及 數 字 化 輸 出 功 能 ， 那 么 就 能 夠 使 熱 電 偶 在 單 片 機 的 應 用 設 計 得 以 簡 單化 。MAX6675 芯 片 是 Maxim 公 司 推 出 的 一 種 K 型 熱 電 偶 專 用 A/D 轉 換 器 ， 內 部 集 成 了信 號 調 節(jié) 放 大 器 、 冷 端 補 償 電 路 、 12 位 的 A/D 熱 電 偶 轉 換 器 、 數 字 控 制 器 、 SPI 串 行接 口 與 SPI 有 關 的 邏 輯 控 制 。 MAX6675 芯 片 有 以 下 特 性 ： 溫 范 圍 為 ： 0℃ ～ +1024℃ ； 串 行 接 口 輸 出 溫 度 值 ； 位 ℃ 的 分 辨 率 ； 阻 抗 差 動 輸 入 ；14 端 補 償 ； 型 熱 電 偶 斷 線 檢 測 ； 耗 較 低 ； 源 電 壓 為 :+5V； 的 ESD 信 號 ； 作 溫 度 范 圍 為 ： 20℃ ～ +85℃ 。 該 器 件 采 用 8 引 腳 SO 帖 片 封 裝 ， 引 腳 排 列 如 圖 36 所 示 。 SO7CS6SCK5T+ 3T 2VC C 4GND 1U2MAX6675P15P16P17C12VC COUTxOUTy圖 36 MAX6675 的引腳圖 由 熱 電 偶 測 溫 的 方 法 可 知 ， 熱 電 偶 的 輸 出 熱 電 勢 不 僅 僅 取 決 于 熱 端 的 溫 度 ， 還 同冷 端 的 溫 度 也 有 關 ， 芯 片 通 過 對 它 內 部 元 器 件 參 數 進 行 激 光 修 正 ， 從 而 使 K 型 熱 電 偶的 非 線 性 得 到 內 部 校 正 。 同 時 ， MAX6675 內 部 集 成 的 熱 電 偶 斷 線 檢 測 電 路 、 冷 端 補 償二 極 管 電 路 、 非 線 性 校 正 電 路 都 讓 K 型 熱 電 偶 的 應 用 得 以 簡 化 ， 它 的 工 作 原 理 如 圖37 所 示 。 圖 37 MAX6675 內部結構圖15 模擬信號的放大 MAX6675 片 內 先 通 過 信 號 調 節(jié) 放 大 器 把 熱 電 偶 輸 出 的 熱 電 勢 信 號 轉 換 成 與 ADC 輸入 通 道 能 夠 兼 容 的 電 壓 信 號 ， T+和 T輸 入 端 與 低 噪 聲 放 大 器 A1 相 連 接 ， 那 么 就 使 檢測 輸 入 的 精 度 變 高 ， 同 時 把 干 擾 源 與 熱 電 偶 連 接 導 線 相 隔 離 。 熱 電 偶 輸 出 的 熱 電 勢 通過 低 噪 聲 放 大 器 A1 放 大 之 后 ， 通 過 電 壓 跟 隨 器 A2 緩 沖 后 ,送 到 ADC 的 輸 入 端 。 熱電偶的冷端補償在 將 溫 度 電 壓 值 轉 換 為 相 同 的 溫 度 值 之 前 ,MAX6675 需 要 對 熱 電 偶 進 行 冷 端 補 償 ，冷 端 溫 度 就 是 MAX66