【正文】 的測(cè)量精度對(duì)電源耦合噪聲較敏感。設(shè)計(jì)中采用的 MAX6675 是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、 A/D 轉(zhuǎn)換器及 SPI 串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其電路如圖 314 所示。 硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì) 溫度采集電路 熱電偶作為一種主要的測(cè)溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高等特點(diǎn) [14]。 P0 口與 74LS245 輸入端相連 ,E 端接地，保證數(shù)據(jù)線暢通。當(dāng)片選端 E 低電平有效時(shí)， DIR=“ 0”，信號(hào)由 B 向 A 傳輸 ； （接收） DIR=“ 1”，信號(hào)由 A 向 B 傳輸；（發(fā)送）當(dāng) E 為高電平時(shí)， A、 B均為高阻態(tài)。其引腳圖如下： 圖 313 74LS245 引腳功能圖 74LS245 還具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。對(duì)于在 SCK 的下降沿輸入數(shù)據(jù)和上升沿輸出 數(shù)據(jù)的器件，則應(yīng)取串行時(shí)鐘輸出的初始狀態(tài)為 0，即在接口芯片允許時(shí)，先置 為 1，基于熱電偶溫度傳感器的高速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 以便外圍接口芯片輸出 1 位數(shù)據(jù)（ MCU 接收 1 位數(shù)據(jù)），之后再置時(shí)鐘為 0，使外圍接口芯片接收 1 位據(jù) (MCU 發(fā)送 1 位數(shù)據(jù) )，從而完成 1 位數(shù)據(jù)的傳送。至此，模擬 1 位數(shù)據(jù)輸入輸出便宣告完成。對(duì)于在 SCK 的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿輸出（發(fā)送）數(shù)據(jù)的器件，一般應(yīng)將其串行 時(shí)鐘輸出口 （模擬 MCU 的 SCK 線）的初始狀態(tài)設(shè)置為 1，而在允許接口后再置 為 0。其時(shí)序圖如下： 圖 312 SPI 總線時(shí)序圖 對(duì)于不帶 SPI 串行總線接口的 AT89C51 單片機(jī)來說，可以使用軟件來模擬 SPI的操作 [13]，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。發(fā)送一個(gè)字節(jié)后，從另一個(gè)外圍器件接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器中。它只需四條線就可以完成 MCU 與各種外圍器件的通訊，這四條線是：串行時(shí)鐘線（ CSK）、主機(jī)輸入 /從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（ MISO）、主機(jī)輸出 /從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（ MOSI）、低電平有效從機(jī)選擇線 CS。 SPI 用于 CPU 與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。波特率可由軟件設(shè)置片內(nèi)的定時(shí)器來控制，而且每當(dāng)串行口接收或發(fā)送 1B 完畢，均可發(fā)出中斷請(qǐng)求。其串行口有四種工作方式：分別為同步通信方式、 8 位異步收發(fā)、 9 位異步收發(fā)（特定波特率）、 9位異步收發(fā)（定時(shí)器控制波特率）。雖然 51 單片機(jī)只有一個(gè)串口接口，但其 I/O 口既可以用字節(jié)尋址也可 以位尋址，這樣在實(shí)際應(yīng)用中，我們就可以通過模擬不同總線的時(shí)序特征來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的傳輸。這四個(gè)端口除了可以按字節(jié)尋址外還可以位尋址。 AT89C51 共有 4 個(gè)雙向的 8 位并行 I/O 端口，分別為 P0~P3，共有 32 根口線，端口的每一位均由鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器所組成。同時(shí)， AT89C51 可降至 0hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式、空閑方式停止 CPU 工作，但允許 RAM，定時(shí) /技術(shù)器，串行通信口 及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器。 圖 39 MAX6675S0 端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式 D14～ D3 為 12 位數(shù)據(jù)，其最小值為 0，對(duì)應(yīng)的溫度值為 0℃；最大值為 4095，對(duì)應(yīng)的溫度值為 ℃；由于 MAX6675 內(nèi)部經(jīng)過了激光修正，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對(duì)應(yīng)溫度值具有較好的線性關(guān)系。 CS 變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程： CS 變基于熱電偶溫度傳感器的高速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過程。 MAX6675S0 端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如圖 39 所示， MAX6675SPI 接口時(shí)序如圖 310 所示。 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 測(cè)量精度的提高方法 熱電偶系統(tǒng)的測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)；④當(dāng)熱電偶距離較遠(yuǎn)時(shí)，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在惡劣環(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 的測(cè)量精度對(duì)電源藕合噪聲較敏感。 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 的熱補(bǔ)償跟噪聲補(bǔ)償問題 在測(cè)溫應(yīng)用中，芯片自熱將降低 MAX6675 溫度測(cè)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。當(dāng)熱電偶的冷端與芯片溫度相等時(shí)， MAX6675 可獲得最佳的測(cè)量精度。該器件可將周圍溫度通過內(nèi)部的溫度檢測(cè)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(cè)量值，MAX6675 從熱電偶的輸出和檢測(cè)二極管的輸出測(cè)量電壓。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)， MAX6675 仍能精確檢測(cè)熱端的溫度變化。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 的冷端補(bǔ)償問題 熱電偶的功能是檢測(cè)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。對(duì)于 K 型熱電偶，電壓變化率為 41μ V/℃，電壓可由線性公式 Vout=(41μ V/℃ ) (tRtAMB)來近似熱電偶的特性。熱電偶輸出的熱電勢(shì)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。引腳排列如圖 38 所示，引腳功能如表 31。 ⑩ 2021V 的 ESD 保護(hù)。 ⑦單一 +5V 的電源電壓 . ⑧低功耗特性。 ⑤高阻抗差動(dòng)輸入。 ③ 12 位 ℃的分辨率。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 37 MAX6675 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 性能特點(diǎn) MAX6675 的主要特性如下： ①簡(jiǎn)單的 SPI 串行口溫度值輸出。 具有冷端補(bǔ)償?shù)臄?shù)字溫度轉(zhuǎn)換芯片 MAX6675 功能簡(jiǎn)介 MAX6675 是美國(guó) Maxin 公司生產(chǎn)的基于 SPI 總線的專用芯片 [9]，不僅能對(duì) K 型熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償 ， 還能對(duì)熱電勢(shì)信號(hào)作數(shù)字處理，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性 ，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、儀器儀表、自 動(dòng)化領(lǐng)域等。 ③構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。 ②測(cè)量范圍 廣。必須配和二次儀表使用其優(yōu)點(diǎn)是： ①測(cè)量精度高。 K 型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中廣泛為用戶所采用。 K 型熱電偶絲直徑一般為 ～ 。 K 型熱電偶可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)中從 0℃到 1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。其結(jié)構(gòu)圖如圖 35 所示。其結(jié)構(gòu)圖如圖 34 所 示。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體，它可以做得很細(xì)很長(zhǎng)，使用中隨需要能任意彎曲。其結(jié)構(gòu)圖如圖 33 所示。 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件、熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧 裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。 圖 32 熱電 偶中間導(dǎo)體示意圖 熱電偶溫度補(bǔ)償 從熱電偶測(cè)溫基本公式可以看到，對(duì)某一種熱電偶來說熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)只與工作端溫度 t 和自由端溫度 t0有關(guān)即： 基于熱電偶溫度傳感器的高速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 )()(),( 00 tetettE ABABAB ?? （ 37） 熱電偶的分度表是以 t0=0℃作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而在實(shí)際使用過程中，參考端溫度往往不為 0℃，那么工作端溫度為 t 時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì) )0,(tEAB 與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì) ),( 0ttEAB 之 間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式： )0,(),()0,( 00 tEttEtE ABABAB ?? （ 38） 由此可見， )0,(tEAB 是參考端溫度 t0的函數(shù)，因此需要對(duì)熱電偶參考端溫度進(jìn)行處理。 中間溫度定律 ： )(),(),( 0,0 TTETTETTE CABCABAB ?? 熱電偶 AB 在接點(diǎn)溫度為 T 、 0T 中間溫度為 cT .該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。實(shí)際測(cè)溫中，只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對(duì)時(shí)的熱電勢(shì)值，那么任何兩種熱電極配對(duì)時(shí)的熱電勢(shì)均可按公式而無需再逐個(gè)去測(cè)定。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。換句話說：如果熱電偶的兩根熱電極是由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。 熱電偶基本定律 中間導(dǎo)體定律：利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后會(huì)不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)呢 ？ 中間導(dǎo)體定律說明 ， 在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體，只要其兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒有影響。 如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等，熱電偶回路內(nèi)的總電勢(shì)亦為零。 熱電偶回路的幾點(diǎn)結(jié)論： 如果構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極為材料相同的均質(zhì)導(dǎo)體，則無論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路 內(nèi)的總熱電勢(shì)為零。 ),(),()(),( 0000 TTeTTeTeeTTE ABABABA B E ???? dTNNeKTNNeKT TT ABBTATBTAT )(lnln0000 ? ???? ?? （ 34） 在總熱電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，在精度要求不高的情況下，熱電偶的熱電勢(shì)可近似表示為： )()(),( 00 TeTeTTE ABABAB ?? （ 35） 對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度 0T 恒定時(shí) ， )( 0TeAB 為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度 T 成單值函數(shù)關(guān)系，即： )()(),( 0 TfcTETTE ABAB ??? （ 36） 實(shí)際應(yīng)用中，熱電勢(shì)與溫度之間關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定的。因此，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢(shì)，其大小由下面公式給出： dTTTe TT AA ?? 0),( 0 ? （ 33） A? ： 湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體 A兩端的溫度差為 1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì) 。 同一導(dǎo)體溫差電勢(shì)是由同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。 接觸電勢(shì)產(chǎn)生的原因：由于兩 種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。測(cè)得熱電勢(shì)的值，即可知道溫度 T 的大小。 熱電效應(yīng) 當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連成閉合回路時(shí)，將兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為 T和 T0 的熱源中，該回路內(nèi)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì) [2]。它是將溫度量轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。其軟件工作流程圖如圖 24。顯示電路由 89C51 單片機(jī)通過鎖存器對(duì)四位共陽數(shù)碼管控制，數(shù)碼管工作需要較大的電流采用型號(hào)為 8550 的 PNP 三極管進(jìn)行 控制 ，當(dāng)所測(cè)溫度在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)就可以通過數(shù)碼管快速顯示出來。 MAX6675芯片通過 SPI串行接口傳輸數(shù)據(jù)，采用的 89C51單片機(jī)對(duì)帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片 MAX6675 進(jìn)行控制。 硬件組成原理 本系統(tǒng)硬件主要由熱電偶溫度采集電路、 MAX6675 溫度處理電路、 89C51 單片機(jī)控制電路、超量程報(bào)警電路和數(shù)碼管顯示電路組成。 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)M a x 6 6 7 5 時(shí) 時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 圖 23 集成電路溫度補(bǔ)償 基于熱電偶溫度傳感器的高速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 方案確定 綜合對(duì)比以上兩種方案，方案一電路復(fù)雜，且測(cè)量不精確照成誤差較大，方案二采用集成溫度轉(zhuǎn)換芯片不僅能很好的解決冷端溫度補(bǔ)償及溫度數(shù)值化問題，并消除由熱電偶非線性而造成的測(cè)量誤差 ,且精確度高，可實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要包括溫度采集電路、 max6675 溫度轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路等。 基于熱電偶溫度傳感器的高速測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)A D 時(shí) 時(shí) 時(shí)時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí)時(shí) 時(shí) 時(shí) 時(shí) 圖 22 分立元?dú)饧涠搜a(bǔ)償 集成電路溫度補(bǔ)償方案 方案二采用熱電偶冷端補(bǔ)償專用芯片 max6675， max6675 溫度轉(zhuǎn)換芯片具有冷端溫度補(bǔ)償及對(duì)溫度進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量這兩項(xiàng)功能 [5]。主要包括溫度采集電路、信號(hào)放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、熱電偶冷端補(bǔ)償電路、數(shù)碼管顯示電路等。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償。 熱電偶冷端補(bǔ)償方案確定 熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端（測(cè)量端為熱端，通過引線與測(cè)量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不 變，其熱