【正文】 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設計 35 參考文獻 [1] 程 德福，王君，凌振寶，等 .傳感器原理及應用 [M].北京：機械工業(yè)出版社， — 143. [2] 河道清 .傳感器與傳感器技術 [M].北京：科學出版社， — 201. [3] 路立平 ,馮建勤 ,鹿曉力 .溫度傳感器的熱時間常數(shù)及其測試方法 [J].儀器儀表傳感器， 2021：1718 [4] 丁來玲 ,王磊 .動態(tài)溫度測量加速方法研究 [J].測控技術， 1998， 6： 4244. [5] 虞致國 ,徐健 軍 .MAX6675 的原理及應用 [J].國外電子元器件， 2021,(12)： 4143. [6] 沙占友 .集成化智能傳感器原理與應用 [M].北京：電子工業(yè)出版社， — 96. [7] 馬天艷，馬天虹 .熱電偶測溫及其冷端溫度補償 [J].工業(yè)計量 ,2021,15(6):3132. [8] 王霄．實現(xiàn)熱電偶電勢非線性補償?shù)能浖椒?[J]．耐火材料， 1998， 32(2)： 3638 [9] 韓玉杰。 最后，我感謝我的父母，他們的理解與支持，都是我人生前進的莫大動力。 再者，就是我的室友們，我們一起生活了四年，我很開心遇到你們，并和你們一起生活。在每次設計遇到問題時老師不辭辛苦的講解才使得我的設計順利的進行。在做畢業(yè)設計的這半年，不論是理論知識，還是實踐動手能力，我都學了很多，這些都離不開老師、同學、朋友的幫助和支持，在這里對大家表示最真誠的謝意。我們共同度過了難忘的四年，感謝我們班的每一位同學，每 一位朋友，你們陪我度過了人生中的大學時光。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設計 34 致 謝 不知不覺，大學的四年已經(jīng)過去，在這四年中，我在電子這個大集體中，感到非常的開心。我在設計的實用性方面還存在不足之處，還有很多不盡人意的地方。這些都將會在我們將來的工作和學習當中受益匪淺。此次畢業(yè)設計讓我們有機會將大學四年所學的專業(yè)課程與實際的實踐緊密聯(lián)系起來，加深了我們對理論知識的理解和掌握，開闊了我們的視野，最重要的是鍛煉了我們勤于思考問題的能力，熟練使用電腦辦公軟件的能力，獨立查閱資料的能力，分析問題與解決問題的能力，以及操作專業(yè)軟件的能力，讓我們基本具備了一個工程技術人員應有的基本素 養(yǎng)。 畢業(yè)設計是我們在大學期間的最后一門課程 ，也是能將大學期間最重要的幾門理論課聯(lián)系實際的課程，由此可知畢業(yè)設計的重要性。 MAX6675 將熱電偶測溫應用時復雜的線性化、冷端補償及數(shù)字化輸出等問題集中在一個芯片上解決，簡化了將熱電偶測溫方案應用于嵌入式系統(tǒng)領域時復雜的軟硬件設計，因而該器件是將熱電偶測溫方案應用于嵌入式系統(tǒng)領域的理想選擇。最后對系統(tǒng)進行了仿真實驗，很好的完成了設計要求。該系統(tǒng)綜合考慮到熱電偶的熱惰性時間常數(shù)問題，采用快速測溫算法實現(xiàn)了溫度快速測量的功能。其仿真效果圖如 5 5 53，所示?？傊?，該軟件是一款集單片機和 SPICE 分析于一身的 仿真軟件，功能極其強大。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2 等軟件。目前支持的單片機類型有： 68000系列、 8051 系列、 AVR 系列、 PIC12 系列、 PIC16 系列、 PIC18 系列、 Z80 系列、 HC11系列以及各種外圍芯片。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232 動態(tài)仿真、 I2C 調試器、SPI 調試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信 號發(fā)生器等。 時 時時 時時 時 時 時 1 0 0 0時 時 時 時時 時 * 1 0時 時 時 1 0 0 時 時 時 時 1 0時 時 時 時 時 時 時 時時 時 時 時 時時 時 時 1 0 0 0 時 時 時 時 時時 時 時 時 時 時 時 時時 時 時 1 0 0 0 時 時 時 時1 0 0 時 時 時 時 時 時 時 時時 時 時 時 時時 時 時 1 0 時 時 時 時時 時 時 時 時 時 時 時時時 圖 44 顯示程序流程圖 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設計 31 5 系統(tǒng)仿真 Proteus 概述 Proteus ISIS 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。采用四位共陽數(shù)碼管顯示，首先將處理后的溫度數(shù)據(jù)擴大十倍，然后分別提取百位、十位、個位、小數(shù)位的數(shù)值，并使其分別在相應的數(shù)碼管位上動態(tài)顯示出來。 delay(200)。 //12 位溫度數(shù)據(jù)提取 return(P_Temp2)。 //工作指示燈息滅停止工作 } P_Temp2 =(P_Temp2 amp。 if(P_Temp2 amp。 P_Temp2 =1。 //延時 SCK =0。 if(S0= =1) //輸出位判斷 { P_Temp2 =P_Temp2 | 0x01。i16。 CS =0。 SCK =0。 uint Re_Convert() //采集轉換程序 { uchar i。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 = 轉換后的數(shù)字量 /4095。一個完整串行接口讀操作需 16 個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀 16 個輸出位，第 1 位和第 15 位是一偽標志位，并總為 0；第 14 位到第 3 位為以 MSB 到 LSB 順序排列的轉換溫度值；第 1位為低以提供 MAX6675 器件身份碼，第 0 位為三態(tài)。其過程如下：單片機使 CS 變低并提供時鐘信號給 SCK，由 SO 讀取測量結果。 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 時 時 時時 時 時 3 時 時時 時 時 時 時 時 時 時 時時時 時 時 時 時 時 時時時時時0 . 5時 圖 42 主程序流程圖 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設計 28 溫度采集轉換程序設計 采集轉換程序主要是 MAX6675 的操作 [14]。主程序首先對系統(tǒng)進行初始化處理，然后每隔 秒調用一次溫度采集轉換程序，調用三次，之后根據(jù)計算原理得到測量溫度值，最后對溫度值進行量程判斷、數(shù)據(jù)顯示處理。主程序主要完成子程序的調用，并對溫度數(shù)據(jù)進行快速的算法處理；溫度采集轉換子程序負責將 MAX6675 轉換來的溫度數(shù)字量讀入單片機并完成溫度值的處理得到 12 位數(shù)字溫度值；超量成報警子程序主要判斷溫度值是否超出測量范圍；顯示子程序主要將計算后的溫度值進行顯示。 3233343536373839VCC402122232425262728ALE/PROG30PSEN29EA/VPP3112345678REST91011121314151617XTAL218XTAL119GND20U1 AT89C51ALEPSENXTAL1XTAL21122CRY112MHz1122C333PF1122C433PFXTAL1XTAL2VCCVCCGND1122R12001122R210KS1C222uFVCCG19DIR1A12B118A23B217A34B316A45B415A56B514A67B613A78B712A89B811U2 74LS2451 23 45 67 8U0MAX6675GNDTT+VCCSONCCSSCKspeaker1KR0LED0VCC圖 318 單片機與其它電路接口圖 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設計 26 4 軟件設計 系統(tǒng)軟件設計主要包含主程序、溫度采集轉換子程序、延時子程序、超量程報警子程序、顯示子程序等功能模塊。系統(tǒng)通過AT89C51 的 給 MAX6675 發(fā)送串行時鐘， 用來接收 MAX6675 輸出的串行溫度數(shù)據(jù) , 輸出的低電平將 MAX6675 的置零 ,用于選通 MAX6675 工作。單片機的 用來控制系統(tǒng)的超量程報警。由于 AT89C51 不具備 SPI 總線接口 ,設計中采用模擬 SPI 總線的方法實現(xiàn)與 MAX6675的接口。三級管基極電流ib 為 1mA5mA 時就足夠進入開關 狀態(tài)了，三極管導通時蜂鳴器跟三極管分壓很小，電阻 R17 兩端分壓約為 5V，三級管放大倍數(shù)為 100 左右，流過三級管 CE 的電流 ic約為 500mA 左右這足夠三極管飽和導通的條件，所以 R17 的阻值選用 1K 比較合理。蜂鳴器的正極接到 VCC（＋ 5V）電源上面，蜂鳴器的負極接到三極管的發(fā)射極 e，三極管的基級 b 經(jīng)過限流電阻 R17 后由單片機的 引腳控制，當 輸出高電平時，三極管 Q6 截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當 輸出低電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測溫系統(tǒng)設計 24 1122R3 2401122R4 2401122R114701122R124701122R134701122R14470G19DIR1A12B118A23B217A34B316A45B415A56B514A67B613A78B712A89B811U2 74LS2451122R5 2401122R6 2401122R7 2401122R8 2401122R9 2401122R10 240abfcgdeDPY117421105abcdefg3dpdpabfcgdedpabfcgdedpabfcgdedpC06C28C39C412LED1 DPY 4LEDQ18550Q28550Q38550Q48550VCC VCCVCCVCC 圖 316 數(shù)碼管顯示電路 報警電路 蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅動它，單片機 IO 引腳輸出的電流較小 ，單片機輸出的 TTL 電平基本上驅動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。則限流電阻可這樣計算獲得： fcefccf I VVVR ??? （ 39） 把數(shù)據(jù)帶入式子（ 39）得 fR 可取值 170? ～ 500? 現(xiàn)取 ??240fR 。 R3R10 為限流電阻。數(shù)碼管的位的選擇通過 8550 三級管進行控制，三級管基極通過限流電阻跟單片機的 I/O 口相連接，當端口為高電平時，三極管截止，當給端口為低電平時三極管導通，數(shù)碼管相應的位被選中。 本文溫度 顯示電路 設計是由一個 4 位共陽數(shù)碼管通過 三態(tài)雙向總線收發(fā)器 芯片 74LS245 跟單片機相連接，其電路如圖 316 所示。顯示器的點亮和點亮時的導通電流有關，還與點亮時間和間隔時間有關，調整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。當顯示位數(shù)較多時采用動態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示就是顯示器在顯示某個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止。共陽極 LED 顯示器的陽極接在 +5V 電壓源上，當某個發(fā)光二極管的陰極為低電平，即邏輯“ 0”時，發(fā)光二極管點亮。共陰極 LED 顯示器的發(fā)光二極管陰極接地，當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，即邏輯電平“ 1”時，發(fā)光二極管點亮。 七段 LED 共有 8 個發(fā)光二極管，其中 7 個發(fā)光二極管七端字形“ 8”，一個發(fā)光二極管構成小數(shù)點。溫度由熱電偶采集，然后將數(shù)據(jù)直接送給冷端補償芯片 MAX6675 芯片進行處理，處理后送給單片機控制電路，完成簡單的溫度采集過程。 MAX6675