【導讀】隨著現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，在工業(yè)控制領域需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時采集、控制，集又是其中極為重要的部分。本課題針對溫度檢測儀的技術要求，設計了一種4路熱電偶溫度檢測儀。以檢測4個測試點的溫度，可廣泛應用于工業(yè)生產和人們日常生活中。精度高、功耗低的優(yōu)點，還可以及時顯示，操作使用方便?？傮w設計采用兩種方案。處理，再經(jīng)過FPGA芯片在LED上顯示。軟件則分別在MUX-PLUSⅡ和QuartusⅡ環(huán)境。下用VHDL語言實現(xiàn)。

　　

【正文】 端讀出穩(wěn)定正確的數(shù)據(jù)。最后將轉換好的數(shù)據(jù)存入到RAM 中，最終通過外部顯示讀出供外部顯示。 （ 2） 生成 ADC0809 控制模塊 在 MAX +plusⅡ 環(huán)境下由 VHDL 語言（ ）生成的 ADC0809 模塊。如圖 所示： 圖 ADC0809 模塊 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 (畢業(yè)論文 ) 24 程序如下： LIBRARY IEEE。 USE 。 ENTITY adc IS PORT( D:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 CLK:IN STD_LOGIC。 EOC:IN STD_LOGIC。 ALE:OUT STD_LOGIC。 START:OUT STD_LOGIC。 OE:OUT STD_LOGIC。 ADDA:OUT STD_LOGIC。 LOCK0:OUT STD_LOGIC。 Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0))。 END adc。 ARCHITECTURE behav OF adc IS TYPE states IS(st0,st1,st2,st3,st4)。 SIGNAL current_state,next_state:states:=st0。 SIGNAL REGL:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 SIGNAL LOCK:STD_LOGIC。 BEGIN ADDA=39。139。 Q=REGL。LOCK0=LOCK。 COM:PROCESS(current_state,EOC)BEGIN CASE current_state IS WHEN st0=ALE=39。039。START=39。039。LOCK=39。039。OE=39。039。 next_state=st1。 WHEN st1=ALE=39。039。START=39。039。LOCK=39。039。OE=39。039。 next_state=st2。 WHEN st2=ALE=39。039。START=39。039。LOCK=39。039。OE=39。039。 IF(EOC=39。039。)THEN next_state=st3。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 (畢業(yè)論文 ) 25 ELSE next_state=st2。 END IF。 WHEN st3=ALE=39。039。START=39。039。LOCK=39。039。OE=39。139。 next_state=st4。 WHEN st4=ALE=39。039。START=39。039。LOCK=39。139。OE=39。139。 next_state=st0。 WHEN OTHERS=next_state=st0。 END CASE。 END PROCESS COM。 REG:PROCESS(CLK) BEGIN IF(CLK39。EVENT AND CLK=39。139。)THEN current_state=next_state。 END IF。 END PROCESS REG。 LATCH1:PROCESS(LOCK) BEGIN IF LOCK=39。139。AND LOCK39。EVENT THEN REGL=D。 END IF。 END PROCESS LATCH1。 END behav。 3． LPM_ROM 設計 在設計之前，需對數(shù)據(jù)進行存儲，所以必須先進行 ROM 的設計。但首先要創(chuàng)建在ROM 設計過程中需調用的 MIF 文件，如圖 所示： 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 (畢業(yè)論文 ) 26 圖 MIF 文件表 利用 Mega Wizard PlugIn Manager 定制溫度信號數(shù)據(jù) ROM 宏功能塊，并將以上的數(shù)據(jù)加載到 ROM 中。設計步驟如下： （ 1）打開 Mega Wizard PlugIn Manager 初始對話框。 在 Tools 菜單中選擇 Mega Wizard PlugIn Manager， 長生 如圖 所示 的界面 ，選擇 Create a new custom… 項，即定制一個新的模塊。 圖 Mega Wizard PlugIn Manager 初始對話框 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 (畢業(yè)論文 ) 27 單擊 Next 按鈕后， 長 生如圖 所示 的對話框 ，在左欄選擇 Storage 項下的LPM_ROM，在選擇相應芯片和 VHDL 語言式；最后輸入 ROM 文件存放的 路徑和文件名 ，單擊 Next 按鈕。 圖 選擇 LPM_ROM 窗口 （ 2）選擇 ROM 控制線、地址線和數(shù)據(jù)線。 在 如圖 所示 的對話框中選擇地址線位寬和 ROM 中數(shù)據(jù)線分別為 8 和 12；選擇地址鎖存控制信號 inclock。 圖 選擇 ROM 控制線、地址線和數(shù)據(jù)線窗口 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 (畢業(yè)論文 ) 28 （ 3）單擊 Next 按鈕 出現(xiàn) 圖 的 界面。在“ File name”欄填入 文件。 圖 填寫 MIF 文件窗口 （ 4）單擊 Next 按鈕出現(xiàn)下面界面， 如圖 所示 表示創(chuàng)建完成。最后點擊 Finish按鈕完成定制。 圖 完成 LPM_ROM 定制窗口 定制后的符號如 圖 所示 ： 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 (畢業(yè)論文 ) 29 圖 ROM 符號 4． 七段譯碼顯示模塊 在數(shù)字系統(tǒng)中，常常將譯碼輸出顯示為十進制數(shù)字或其他符號。因此，能直接驅動數(shù)字顯示器，或者能與顯示器配合起來使用。這種類型的譯碼器稱為顯示譯碼器。 七段顯示譯碼器是最為常見的顯示譯碼器，它可用于直接驅動七段數(shù)碼管。七段數(shù)碼管結構 如圖 所示 ： abcdefg 圖 七段數(shù)碼管 七段數(shù)碼管有共陰極和共陽極接地兩種接法。 共陰極接地要求譯碼器輸出高電平驅動數(shù)碼管發(fā)亮，而共陽極接地要求譯碼器輸出為低電平驅動數(shù)碼管發(fā)亮。其真值表 如表 所示： 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 (畢業(yè)論文 ) 30 表 七段顯示譯碼器真值表 這樣就可以根據(jù)真值表，采用查表法，用以下 VHDL 程序來實現(xiàn)七段顯示譯碼器： LIBRARY IEEE。 USE 。 ENTITY led7s IS PORT( A:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)。 LED7S： OUT _STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0))。 END led7s。 ARCHITECTURE one OF led7sIS BEGIN PROCESS(A) BEGIN CASE A (3 DOWNTO 0) IS WHEN0000=LED7S=1000000。 WHEN0001=LED7S=1111001。 WHEN0010=LED7S=0100100。 WHEN0011=LED7S=0110000。 WHEN0100=LED7S=0011001。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 (畢業(yè)論文 ) 31 WHEN0101=LED7S=0010010。 WHEN0110=LED7S=0000010。 WHEN0111=LED7S=1111000。 WHEN1000=LED7S=0000000。 WHEN1001=LED7S=0010000。 WHEN OTHERS=NULL。 END CASE。 END PROCESS。 七段譯碼器的外部接口如圖 所示。 A 為四比特的 BCD 碼輸入， LED7S 為輸出，寬度為七位，即要送到 LED 管顯示用的七段碼，即 a、 b、 c、 d、 e、 f 和 g。 圖 七段譯碼器外部接口 5． ROM 與七段譯碼顯示模塊 為了驗證譯碼能否反應 ROM 表中數(shù)值情況，特意采用 ROM 與七段譯碼聯(lián)合仿真。 （ 1）將 ROM 模塊與顯示模塊連接。相應管腳必須吻合。連接結果 如圖 所示： 圖 ROM 與七段譯碼顯示模塊連接圖 （ 2） 將相應管腳分別加載到 Waveform Editor 中，并設置時鐘信號和輸入數(shù)值。仿內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 (畢業(yè)論文 ) 32 真結果 如圖 所示 ： 圖 ROM 與七段譯碼顯示仿真圖 仿真分析： 當輸入為“ 23”時，由于存在延時，所以開始各位均輸出“ 40”。延時過后則高位LED7S1 輸出為“ 40”，即“ 0010000”，經(jīng)查表顯示相應數(shù)值為“ 0”； LED7S2 輸出為“ 40”，即“ 0010000”，經(jīng)查表顯示相應數(shù)值為“ 0”； LED7S3 輸出為“ 24”，即“ 0100100”， 經(jīng)查表顯示相應數(shù)值為“ 2”；低位 LED7S4 輸出“ 30”，即“ 0110000”，經(jīng)查表顯示相應數(shù)值為“ 3”。 6．總體模塊原理圖 見附錄 C 基于 MAX6675 的 熱電偶溫度巡檢儀設計 系統(tǒng)硬件設計 由于部分硬件設計在兩種方案中共同用到，故在此只介紹此方案特有硬件。 1．集成芯片 MAX6675 MAX6675 是美國 MAXIM 公司生產的帶有冷端溫度補償、線性校正、熱電偶斷線檢測等功能的 K 型熱電偶測量轉換電路 ， 其輸出 12 位二進制數(shù)字量。測溫范圍 0～℃ 。冷端補償范圍為 20～ +85℃ ， 工作電壓 ～ ， 可以滿足大多數(shù)工業(yè)應用場合。 MAX6675 芯片 的 主要特性如下： （ 1） 簡單的 SPI 串行口溫度值輸出； （ 2） 0℃ ～ +1024℃ 的測溫范圍； 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 (畢業(yè)論文 ) 33 （ 3） 12 位 串行輸出 ； （ 4） 片內冷端補償； （ 5） 高阻抗差動輸入； （ 6） 單一 +5V的 電源 電壓 （ 7） 低功耗特性； （ 8） 工作溫度范圍 20℃ ～ +85℃ ； 該器件采用 8 引腳 SO 貼片封裝， 引腳排列如圖 所示。 M A X 6 6 7 512348765G N DT T+V C CN CS OC SS C K 圖 MAX6675引腳 圖 引腳名稱 ： GND：接地端； T： K 型熱電偶負極； T+： K 型熱電偶正極； VCC：正 電源 端； SCK：串行時鐘輸入； CS：片選端， CS 為低時、啟動串行接口； SO：串行數(shù)據(jù)輸出； NC：空引腳； MAX6675 的內部結構如圖 所示。 主要由熱電偶模擬信號放大電路、冷端溫度補償電路 、 A/D 轉換電路及數(shù)字控制電路等組成。根據(jù)熱電偶的原理 ,其產生的熱電勢滿足下列關系 : EAB(t， 0) = EAB(t， t0) + EAB(t0， 0) 式中 ： t 為熱端溫度 ； t0為冷端溫度 ； 0 代表 0℃ 。 A/D 轉換電路將熱電偶信號 EAB (t， t0)與溫度補償電路的補償信號 EAB(t0 ， 0)相內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 (畢業(yè)論文 ) 34 加 后得到 EAB(t， 0)， 再進行模擬量到數(shù)字量的轉換 ， 以 12 位串行方式從引腳 SO 上輸出。當 12 位全為 0 時 ,說明被測溫度為 0℃ ： 12 位全為 1， 則被測溫度為 ℃ 。由于 MAX6675 內部經(jīng)過了激光修正 ， 因此轉換的數(shù)字量與被測溫度值之間具有較好的線性關系 ， 可由下式給出 ： 溫度值 =1023175轉換后的數(shù)字量 /4095 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)字控制器、 1 個 SPI 兼容接口和 1 個相關的邏輯控制。 v c c1 0 u Ps 3s 2s 1T +T 3 0 K3 0 K3 0 0 K+A 11 MU 02 0 u P+A 2S C KS OC S 數(shù) 字 控 制 器冷 端 補 償基 準 電 壓 源1 2 位A D Cs 5s 4U 13 0 0 K 圖 MAX6675 內部結構框圖 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(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 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 41μV/℃ ，電壓可由線性公式Vout