【正文】 我祝福他們。從設(shè)計的選題到資料的搜集直至最后設(shè)計的修改的整個過程中，花費(fèi)了路老師很多的寶貴時間和精力，在此向?qū)煴硎局孕牡馗兄x！ 導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，開拓進(jìn)取的精神和高度的責(zé)任心都將使我受益終生 ！ 同時，還要感謝和我同一設(shè)計小組的幾位同學(xué)，是你們在我平時設(shè)計中和我一起探討問題，并指出我設(shè)計上的誤區(qū)，使我能及時的發(fā)現(xiàn)問題把設(shè)計順利的進(jìn)行下去，沒有你們的幫助我不可能這樣順利地結(jié)稿，在此表示深深的謝意。我非常感謝我的母校給了我們相聚的機(jī)會，同時也感謝母校在這四年里給予了我良好的教育和培養(yǎng)。希望在將來工作實(shí)踐當(dāng)中，進(jìn)一步提高自己、完善自己。 通過本學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計鞏固了我們的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)了我們的創(chuàng)新意識，以及集體協(xié)作等多方面的綜合素質(zhì)。根據(jù)快速算法的原理通過 AT89C51 單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)了溫度的快速測量。本文對系統(tǒng)原理進(jìn)行了簡單的概述，著重分析了系統(tǒng)的硬件 設(shè)計方案跟軟件設(shè)計方案。 系統(tǒng)仿真結(jié)果 根據(jù)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計跟軟件設(shè)計，本文對系統(tǒng)做了一些簡單的仿真測試，簡化了基本原理圖達(dá)到了預(yù)期的效果。③提供軟件調(diào)試功能。它運(yùn)行于Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：①實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。//數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間大約需要 170ms } 時 時 時 時 1 時時 時 時時 時 1 7 0 m s1 6 時 時 時 時 時時 時 1 2 時 時 時 時 時 時 時時 時時 時時 時 時 時 時 時 時時時 圖 43 溫度采集轉(zhuǎn)換流程圖 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 30 顯示程序設(shè)計 顯示子程序主要是對經(jīng)過單片機(jī)處理后的溫度值進(jìn)行顯示處理。 0x7fff) 3。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 29 } CS =1。 } delay(10)。 for(i=0。 uint P_Temp2 =0。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 ℃。 MAX6675 是以 SPI 方式輸出數(shù)據(jù)的。 時 時時 時M A X 6 6 7 5 時 時 時 時 時 時時 時 時 時 時 時時 時 時 時 時 時 時 時時 時 時 時 時 時時 時 時 時 時 時 時時 時 時 0 4 0 0 時時 時 時時 時 時 時 時 時 時時 時時時時時 圖 41 系統(tǒng)總程序流程圖基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 27 主程序設(shè)計 主程序主要完成子程序的調(diào)用，并對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的算法處理。系統(tǒng)配有 4 位數(shù)碼管顯示 ,小數(shù)點(diǎn)設(shè)在十位后邊 ,可測溫度為 0~400℃ ,分辨率達(dá)到 ℃。其中 模擬 SPI 的數(shù)據(jù)輸入端與 SO 相連 , 模擬 SPI 的 串行時鐘信號與 SCK 相連 , 模擬 SPI 的從機(jī)選擇端與 CS 相連 ,電路中主機(jī)為 AT89C51,從機(jī)為MAX6675。因此，我們可以通過程序控制 引腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。為保證三極管可靠開通關(guān)斷， 且要求數(shù)碼管的亮度適量較高， 基極電阻 R11R14 可 適量取小值，本設(shè)計 取 基極電阻為 470? 。這樣 可方便地對 數(shù)碼管 每 一 位 進(jìn)行單獨(dú)控制 。 本設(shè)計使用的是 一個 四位 共陽 數(shù)碼管 ， 當(dāng) 89C51 單片機(jī)的 P0 口總線負(fù)載達(dá)到或超過 P0 最大負(fù)載能力時，必須接 74LS245 等總線驅(qū)動器。這種顯示方式每個顯示器都需要一個 8位輸出口控制，需要硬件多，適用于顯示位數(shù)較少的場合。發(fā)光二極管陽極接在一起的 稱為共陽極顯示器，如圖 315b 所示。 1 23 45 67 8U0MAX6675GNDTT+VCCSONCCSSCKC112P00K 型熱電偶VCC 圖 314 溫度采集電路原理圖 顯示電路 LED 顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出器件，是由若干個發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個或一個筆畫發(fā)光，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，這就能顯示出不同字符。 K 型熱電偶的兩端分別跟 MAX6675 芯片的 T跟 T+相連，為了允許熱電偶斷路基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 22 檢測， T引腳必須接地。 89C51 的 /RD 和 /PSEN 相與后接 DIR，使得 RD 且 PSEN 有效時，74LS245 輸入（ ← D1），其它時間處于輸出（ → D1）。 當(dāng) 89C51 單片機(jī)的 P0 口總線負(fù)載達(dá)到或超過 P0 最大負(fù)載能力時，必須接入74LS245 等總線驅(qū)動器。此后再置 為 0，模擬下 1 位數(shù)據(jù)的輸入輸出，依此循環(huán) 8 次，即可完成 1 次通過SPI 總線傳輸 8 位數(shù)據(jù)的操作。對于不同的串行接口外圍芯片，它們的時鐘時序是不同的。當(dāng) SPI 工作時，在移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳（ MOSI）輸出（高位在前），同時從輸入引腳（ MISO）接收的數(shù)據(jù)逐位移到移位寄存器（高位在前）。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 20 AT89C51 單片機(jī)的 SPI 實(shí)現(xiàn) 串行外圍設(shè)備接口 SPI（ serial peripheral interface）總線技術(shù)是 Motorola 公司推出的一種同步串行接口， Motorola 公司生產(chǎn)的絕大多數(shù) MCU（微控制器）都配有 SPI硬件接口。 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部有一個功能強(qiáng)大的全雙工的一部通信串口。 P0~P3 的端口寄存器屬于特殊功能寄存器系列。 由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，其外觀引基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 19 腳圖如下： 圖 311 AT89C51 外觀引腳圖 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能 [12]： 4k 字節(jié)的 flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個 I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。溫度值與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系 為： 溫度值 = 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4095 圖 310 MAX6675SPI 接口時序 單片機(jī)選擇及部分功能簡介 MCU 是整個系統(tǒng)的控制核心，由于溫度測量系統(tǒng)的接口方便，綜合考慮整個系統(tǒng)，選用美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 型單片機(jī)。 MAX6675 從 SPI 串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下： MCU 使 CS 變低并提供時鐘信號給 SCK，由 S0 讀取測量結(jié)果。為降低電源噪聲的影響，可在MAX6675 的電源引腳附近接入 1 只 陶瓷旁路電容。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?yàn)檫@樣會造成冷端誤差 。MAX6675 是通過冷端補(bǔ)償檢測和校正周圍溫度變化的 。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。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 16 圖 38 引腳功能圖 表 31 引腳功能表 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 . 空引腳 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 溫度變換 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。 ⑨工作溫度范圍 20℃～ +85℃。 ④片內(nèi)冷端補(bǔ)償。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 37 所示。常用的熱電偶從 50~+1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到 269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá) +2800℃（如鎢 錸）。 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 . K 型熱電偶特點(diǎn) K 型熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 14 圖 36 K 型熱電偶 鎳鉻 偶（ K）型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 13 圖 34 套管熱電偶結(jié)構(gòu)圖 薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料，用真空蒸鍍、化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶，薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很?。杀〉絶 m） , 具有熱容量小，反應(yīng)速度快等 的特點(diǎn)，熱相應(yīng)時間達(dá)到微秒級，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。 圖 33 普通結(jié)構(gòu)熱電偶 鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。 常用的補(bǔ)償方法有 [78]： 冷端恒溫法； 補(bǔ)償導(dǎo)線法； 計算修正法； 電橋補(bǔ)償（又稱冷端補(bǔ)償器）法； 顯示儀表零位調(diào)整法； 軟件處理法。用作參考電極 (標(biāo)準(zhǔn)電極 )的材料，目前主要為純鉑絲材 ，因?yàn)殂K的熔點(diǎn)高，易提純，且在高溫與常溫時的物理、化學(xué)性能都比較穩(wěn)定。如果熱電極為非均質(zhì)導(dǎo)體，當(dāng)處于具有溫度階梯的情況時，將會產(chǎn)生附加電勢，引起測量誤差。 熱電偶 AB 的熱電勢與 A、 B 材料的中間溫度無關(guān)，只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。分度表是在參考端溫度為 0℃時，通過實(shí)驗(yàn)建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時，高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，形成一個靜電場，該靜電場阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達(dá)到動態(tài)平衡。兩種導(dǎo)體接觸時，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散 ， （ NANB，A 到 B）在接觸處失去電子的一側(cè)帶正電 ， 得到電子的一側(cè)帶負(fù)電 ， 形成穩(wěn)定的接觸電勢。熱電勢的大小反映兩個接點(diǎn)溫度差，保持 T0 不變，熱電勢隨著溫度 T 變化而變化。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 8 熱 電 偶 溫 度 數(shù) 據(jù)采 集M A X 6 6 7 5 將 采 集 的 數(shù)據(jù) 處 理 為 數(shù) 字 量單 片 機(jī) 通 過 算 法 編 程 達(dá) 到快 速 測 溫 效 果溫 度 高 于 或 低 于某 一 溫 度 值 報 警溫 度 在 測 量范 圍 內(nèi) 顯 示 圖 24 系統(tǒng)軟件工作流程圖基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 9 3 硬件設(shè)計 熱電偶簡介 熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。本系統(tǒng)設(shè)計還具有報警的特點(diǎn)，當(dāng)所測量的溫度低于零攝氏度或者高于 400 攝氏度時報警電路發(fā)出警報。故最后采用方案二。一方面利用內(nèi)置溫度敏感二極管將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償電壓 ， 另一方面又通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將熱電勢和補(bǔ)償電壓轉(zhuǎn)換為代表溫度的數(shù)字量 , 將二者相加后從串行接口輸出的測量結(jié)果 ， 即為實(shí)際溫度數(shù)據(jù)。 分立元?dú)饧涠搜a(bǔ)償方案 方案一的熱電偶冷端溫度補(bǔ)償器件是由分立元件構(gòu)成的 ,其體積大 ,使用不夠方便 ,而且在改變橋路電源或熱電偶類型時需要重新調(diào)整電路的元件值。若熱電偶冷端的溫度保持一定，這時熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。根據(jù)熱電動基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設(shè)計 5 勢與溫度的函數(shù)關(guān)系制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在 0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。式子（ 28）得： ??? TtT TtTe tt ???? )( )(3223 （ 210） 因?yàn)?t t t3時間間隔相等，則 t3t2=t2t1，可得： ???? TtT TtTTtT TtT ????? )( )()( )(3221 （ 211） 整理式子（ 211）得： )()()(2 )()()( 312 3122tTtTtT tTtTtTT ?? ???? （ 212） 由式 (212)可知穩(wěn)定后的溫度只跟采集的三個溫度值相關(guān)，此算法與時間常數(shù)等未知量都不相關(guān)。下面就從基本算法著手，其原理就是在等間隔的時間點(diǎn) t tt3連續(xù)采集三個溫度值，然后根據(jù)采集溫度值跟熱時間常數(shù) [17]? 、初始溫度 0T 、穩(wěn)定后的溫度 ?T 之間的關(guān)系、最后得出 ?T 的數(shù)學(xué)計算公式 [4]，從而 得到所測量溫度值。 鑒于上面的分析 ,本論文主要任務(wù)是設(shè)計一 種基于高精度 K 型熱電偶傳感器的快速測溫系統(tǒng)。②冷端補(bǔ)償 :熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為 0℃時與測量端的電勢差值 ， 而在實(shí)際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的 ， 故需進(jìn)行冷端補(bǔ)償。 在工業(yè)過程控制與生產(chǎn)制造領(lǐng)域普遍使用具有較高測溫精度及測