【導(dǎo)讀】本課題針對溫度檢測儀的技術(shù)要求，設(shè)計了一種4路熱電偶溫度檢測儀。該儀表可以檢測4個。測試點(diǎn)的溫度，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪?。該裝置不僅具有精度高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，還可以及時顯示，操作使用方便?？傮w設(shè)計采用兩種方案。偶輸出信號直接經(jīng)集成芯片MAX6675處理，再經(jīng)過FPGA芯片在LED上顯示。MUX-PLUSⅡ和QuartusⅡ環(huán)境下用VHDL語言實(shí)現(xiàn)。

　　

【正文】 te 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。 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。 22 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(shè)計 在設(shè)計之前，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，所以必須先進(jìn)行 ROM的設(shè)計。但首先要創(chuàng)建在 ROM設(shè)計過程中需調(diào)用的 MIF 文件，如圖 所示： 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(shè)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。 23 圖 Mega Wizard PlugIn Manager 初始對話框 單擊 Next 按鈕后，長 生如圖 的對話框，在左欄選擇 Storage 項下的 LPM_ROM，在選擇相應(yīng)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 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。 24 圖 選擇 ROM 控制線、地址線和數(shù)據(jù)線窗口 （ 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(diǎn)擊 Finish 按鈕完成定制。 25 圖 完成 LPM_ROM 定制窗口 定制后的符號如 圖 所示 ： 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(jìn)制數(shù)字或其他符號。因此，能直接驅(qū)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(qū)動七段數(shù)碼管。七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu) 如圖 所示 ： 26 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(qū)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(qū)動數(shù)碼管發(fā)亮。其真值表如表 所示： 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(shí)現(xiàn)七段顯示譯碼器： LIBRARY IEEE。 USE 。 ENTITY led7s IS PORT( 27 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。 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(yīng) 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(yīng)管腳必須吻合。連接結(jié)果 如圖 所示： 28 圖 ROM 與七段譯碼顯示模塊連接圖 （ 2）將相應(yīng)管腳分別加載到 Waveform Editor 中，并設(shè)置時鐘信號和輸入數(shù)值。仿真結(jié)果 如圖 所示 ： 圖 ROM 與七段譯碼顯示仿真圖 仿真分析： 當(dāng)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(yīng)數(shù)值為“ 0”； LED7S2 輸出為“ 40”，即“ 0010000”，經(jīng)查表顯示相應(yīng)數(shù)值為“ 0”； LED7S3 輸出為“ 24”，即“ 0100100”， 經(jīng)查表顯示相應(yīng)數(shù)值為“ 2”；低位 LED7S4 輸出“ 30”，即“ 0110000”，經(jīng)查表顯示相應(yīng)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(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計 由于部分硬件設(shè)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 29 MAX6675 是美國 MAXIM公司生產(chǎn)的帶有冷端溫度補(bǔ)償、線性校正、熱電偶斷線檢測等功能的K 型熱電偶測量轉(zhuǎn)換電路 ， 其輸出 12位二進(jìn)制數(shù)字量。測溫范圍 0～ ℃。冷端補(bǔ)償范圍為20～ +85℃ ， 工作電壓 ～ ， 可以滿足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)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； （ 3） 12 位 串行輸出 ； （ 4） 片內(nèi)冷端補(bǔ)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(fù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 主要由熱電偶模擬信號放大電路、冷端溫度補(bǔ)償電路 、A/D 轉(zhuǎn)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(chǎn)生的熱電勢滿足下列關(guān)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℃ 。 30 A/D 轉(zhuǎn)換電路將熱電偶信號 EAB (t， t0)與溫度補(bǔ)償電路的補(bǔ)償信號 EAB(t0 ， 0)相加 后得到EAB(t， 0)， 再進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 ， 以 12位串行方式從引腳 SO 上輸出。當(dāng) 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(nèi)部經(jīng)過了激光修正 ，因此轉(zhuǎn)換的數(shù)字量與被測溫度值之間具有較好的線性關(guān)系 ， 可由下式給出 ： 溫度值 =1023175轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4095 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(bǔ)償傳感和校正、數(shù)字控制器、 1 個 SPI 兼容接口和 1 個相關(guān)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(bǔ) 償基 準(zhǔn) 電 壓 源1 2 位A D Cs 5s 4U 13 0 0 K 圖 MAX6675 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 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(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是 MAX6675 周圍溫度與 0℃ 實(shí)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=(41μV/℃ )(tRtAMB)來近似熱電偶的特性。上式中， Vout 為熱電偶輸出電壓（ mV）， tR 是測量點(diǎn)溫度； tAMB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(diǎn)溫度可在 0℃ ～ +℃ 范圍變化。冷端即安裝 MAX6675 的電路板周圍溫度， 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。 表 為 MAX6675 SO 端輸出數(shù)據(jù)的格式 ： 表 MAX6675 SO 端輸出數(shù)據(jù)的格式 31 標(biāo) 志 位1 2 位 溫 度 數(shù) 據(jù)狀 態(tài)0三 態(tài)設(shè) 備 序 號熱 電 偶 開路 判 斷10234567891 01 11 21 31 501 4M S BL S B MAX6675 是通過冷端補(bǔ)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(bǔ)償電壓，為了產(chǎn)生實(shí)際熱電偶溫度測量值， MAX6675 從熱電偶的輸出和檢測二極管的輸出測量電壓。該器件內(nèi)部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到 ADC 中轉(zhuǎn)換，以計算熱電偶的熱端溫度。當(dāng)熱電偶的冷端與芯片 溫度相等時， MAX6675 可獲得最佳的測量精度。因此在實(shí)際測溫應(yīng)用時，應(yīng)盡量避免在 MAX6675 附近放置發(fā)熱器件或元件，因為這樣會造成冷端誤差。 在測溫應(yīng)用中，芯片自熱將降 MAX6675 溫度測量精度，誤 差 大小依賴于 MAX6675封裝的熱傳導(dǎo)性、安裝技術(shù)和通風(fēng)效果。為降低芯片自熱引起的測量誤差，可在布線時使用大面積接地技術(shù)提高M(jìn)AX6675 溫度測量精度。 MAX6675 的測量精度對 電源 耦合噪聲較敏感 。為降低 電源 噪聲影響，可在 MAX6675的 電源 引腳附近接入 1只 。 熱電偶系統(tǒng)的測量精度可通過以下預(yù)防措施來提高： ① 盡量采用不能從測量區(qū)域散熱的大截面導(dǎo)線； ② 如必須用小截面導(dǎo)線，則只能應(yīng)用在測量區(qū)域，并且在無溫度變化率區(qū)域用擴(kuò)展導(dǎo)線； ③避免受能拉緊導(dǎo)線的機(jī)械擠壓和 振動； ④ 當(dāng)熱電偶距離較遠(yuǎn)時，應(yīng)采用雙絞線作熱電偶連線； ⑤ 在溫度額定值范圍內(nèi)使用熱電偶導(dǎo)線； ⑥ 避免急劇溫度變化； ⑦ 在嚴(yán)劣環(huán)境中，使用合適的保護(hù)套以保證熱電偶導(dǎo)線； ⑧ 僅在低溫和小變化率區(qū)域使用擴(kuò)展導(dǎo)線； ⑨ 保持熱電偶電阻的事件記錄和連續(xù)記錄。 MAX6675 采用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI串行外設(shè)