【正文】 在測量汽車發(fā)動機吸入空氣的溫度的時候，就要求熱響應時間小于 1s；航天飛機的主發(fā)動機的溫度測量要求 內完成等。由于利用了單片機及數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點，系統(tǒng)的各方面性能得到了顯著的提高。 基于單片機的熱電偶測溫系統(tǒng)設計 摘 要 本系統(tǒng)由 K型熱電偶、 溫度傳感器 DS18B高精度放大器、 A/D 轉換器 TLC54 AT89C51 單片機、譯碼顯示模塊與報警電路等部分構成， 根據熱電偶中間溫度定律 , 實現(xiàn)了具有熱電偶冷端溫度補償功能的大范圍高精度數(shù)字測溫系統(tǒng)， 而在測得溫度超出某一范圍時即啟用報警電路進行超標報警。文中提出了具體設計方案，討論了熱電偶測溫的基本原理，進行了可行性論證。 關鍵詞 K 型熱電偶； 單片機； 譯碼顯示；超 標報警； 冷端補償 1 引言 溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)，對溫度的測量在工農業(yè)生產、國防、科研等領域中有廣泛地應用。通常用來測量溫度的傳感器有熱電阻溫度傳感器、熱敏電阻、熱電偶、半導體溫度傳感器等幾種。但在氣體溫度測量時候，由于溫度傳感器自身的熱滯特性，而氣體傳熱過程又比 較緩慢，氣體溫度測量就有很大滯后。鉑熱電阻具有溫度測量范圍大、重復性好、精度高等特點，但是響應不是很快，特別是在對氣體溫度測量時至少要幾秒鐘，在某些工作環(huán)境比較特殊的場合，如高壓環(huán)境下，還需使用鎧裝的鉑熱電阻，更是延緩了熱響應速度。熱敏電阻非常適合對微弱溫度變化的測量，但是缺點是非線性嚴重； PN 結型的特點是體積小、線性輸出、精度高，但是不能使用在液體環(huán)境，對氣體溫度變化響應也較慢。在對氣體溫度實時性測量要求比較高的系統(tǒng)，運用常用溫度測量方法很難做到對溫度的快速測量，對系統(tǒng)的精度影響就很大。 該熱電偶采用 K型 鎳鉻 — 鎳硅 熱電偶。 測溫儀的測量范圍在 0— 1370℃之間，使用＋ 12V和＋5V電源。 因此系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對固體表面、液體和氣體溫度的高精度快速測量。 用美國 DALLAS 半導體公司最新推出的 DS18B20 溫度傳感器測量冷端溫度 。 A/D 轉換器 TLC549 是采用 IinCMOSTM 技術并以開關電容逐次逼近 [5]原理工作的 8 位串行 A/D 芯片。當測得溫度超出設定的溫度范圍時即啟用報警電路，進行聲光報警?？傮w框架圖如圖 21 所示。二是反應速度快。若用熱電 耦去測量元件、集成電路、散熱器等的溫度特別方便。熱電動勢是由兩種導體的接觸電勢 (珀爾貼電勢 )和單一導體的溫差電勢 (湯姆遜電勢 )所組成。 熱電偶工作原理圖如圖 22所示。常用的 K 型熱電偶，由鎳鉻與鎳硅合金構成，其平均溫差電動勢 在 V／ ℃ 左右，其非線性在 230℃ 以下可忽略。例如采用折線近似法、查表法等，把非線性誤差減少到允許范圍內。只有知道熱電偶一端的溫度，才能借助熱電勢來求出另 一端的溫度。這些傳感器一定的電壓或電阻就對應一個確定的溫度。為此，最簡單直觀的方法是用一個普通溫度計測出熱電偶冷端溫度，然后加上熱電偶測出的冷熱端的溫度差，就是熱端的真正溫度。 3 器件選擇 LM358 放大器件 （ 1） LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工鍵 盤 輸 入 部 分 溫 度 傳 感 器 部 分 熱電偶測溫部分 時 鐘 部 分 單 片 機 主 控 部 分 顯 示 部 分 報 警 部 分 擴 展 部 分 作條件下，電源電流與電源電壓無關 [11]。 （ 2） LM358 參數(shù)特性 直流電壓增益高 (約 100dB)； 電源電壓范圍寬：單電源 (3— 30V)； 一177。 低功耗電流，適合于電池供電； 低輸入失調電壓和失調電流； 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍； DS18B20 的性能特點如下： ● 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； ●多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網功能； ●無須外部器件； ●可通過數(shù)據線供電，電壓范圍為 ~ ； ●零待機功耗； ●溫度以 9或 12位數(shù)字； ●用戶可定義報警設置； ●報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫 度報警條件）的器件； ●負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不正常工作； DS18B20 內部結構 DS18B20 采用 3腳 PR－ 35封裝或 8 腳 SOIC 封裝，其內部結構框圖如圖 31所示。溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL，可通過軟件寫入報警上下限。高速暫存 RAM的結構為 8字節(jié)的存儲器，頭 2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第 3 字節(jié)和第 4字節(jié) TH 和 TL 的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。 DS18B20 工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數(shù)值。低 5位一直為 1， TM 是工作模式位，用于設置 DS18B20在工作模式還是在測 試模式， DS18B20 出廠時該位被設置為 0，用戶要去改動，R1和 R0 決定溫度轉換的精度位數(shù)，來設置分辨率 [13]。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。第 9 字節(jié)讀出前面所有 8字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗數(shù)據，從而保證通信數(shù)據的正確性。轉換完成后的溫度值就以 16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 2字節(jié)。 當符號位 S＝ 0 時， 表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位 S＝ 1 時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。 表 32 一部分溫度對應表 溫度 /℃ 二進制表示 十六進制表示 +85 0000 0101 0101 0000 0550H + 0000 0001 1001 0000 0191H + 0000 0000 1010 0001 00A2H +1 0000 0000 0000 0001 0001H 0 0000 0000 0000 1000 0000H DS18B20 完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與 RAM 中的 TH、 TL 字節(jié)內容作比較。因此，可用多只 DS18B20 同時測量溫度并進行報警搜索。主機 ROM 的前 56 位來計算 CRC 值，并和存入 DS18B20 的 CRC值作比較，以判斷主機收到的ROM 數(shù)據是否正確。系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作按協(xié)議進行。 DS18B20 與單片機的接口電路 DS18B20 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時 DS18B20的 1 腳接地， 2 腳作為信號線， 3 腳接電源。如圖33 所示