基于单片机的热电偶测温系统毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的热电偶测温系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

补偿的数字温度转换芯片 MAX6675 功能简介 MAX6675 是美国 Maxin 公司生产的基于 SPI 总线的专用芯片 [9]，不仅能对 K 型热电偶进行冷端补偿，还能对热电势信号作数字处理，具有很高的可靠性和稳定性，可广泛应用于工业、仪器仪表、自动化领域等。 其内部结构框图如图 37 所示。 图 37 MAX6675 内部结构框图 单片机选择及部分功能简介 MCU 是整个系统的控制核心，由于温度测量系统的接口方便，综合考虑整个系统，选用美国 ATMEL 公司生产的 AT89C51 型单片机。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是 一种高效微控制器，其外观引脚图如下： 图 311 AT89C51 外观引脚图 AT89C51 提供以下标准功能 [12]： 4k 字节的 flash 闪速存储器， 128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时 /计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89C51 可降至 0hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式、空闲方式停止 CPU 工作，但允许 RAM，定时 /技 术器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个硬件复位。 AT89C51 共有 4 个双向的 8 位并行 I/O 端口，分别为 P0~P3，共有 32 根口线，端口的每 一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。 P0~P3 的端口寄存器属于特殊功能寄存器系列。 这四个端口除了可以按字节寻址外还可以位寻址。 其中 P0口为漏极开路作为输出使用时应外加上拉电阻， P3 口既可以做为普通 I/O 口使用，还可以作为特定的功能引脚。 虽然 51 单片机只有一个串口接口，但其 I/O 口既可以用字节寻址也可以位寻址，这样在实际应用中，我们就可以通过模拟不同总线的时序特征来实现各种数据的传输。 AT89C51 单片机内部有一个功能强大的全双工的一部通信串口。 其串行口有四种工作方式：分别为同步通信方式、 8 位 异步收发、 9 位异步收发（特定波特率）、 9位异步收发（定时器控制波特率）。 它有两个物理上独立接收发送缓冲器 SBUF，可同时发送、接收数据。 波特率可由软件设置片内的定时器来控制，而且每当串行口接收或发送 1B 完毕，均可发出中断请求。 AT89C51 单片机的 SPI 实现 串行外围设备接口 SPI（ serial peripheral interface）总线技术是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口， Motorola 公司生产的绝大多数 MCU（微控制器）都配有 SPI硬件接口。 SPI 用于 CPU 与各种外围器件 进行全双工、同步串行通讯。 SPI 可以同时发出和接收串行数据。 它只需四条线就可以完成 MCU 与各种外围器件的通讯，这四条线是：串行时钟线（ CSK）、主机输入 /从机输出数据线（ MISO）、主机输出 /从机输入数据线（ MOSI）、低电平有效从机选择线 CS。 当 SPI 工作时，在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（ MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（ MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器（高位在前）。 发送一个字节后，从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。 主 SPI 的时钟信号（ SCK）使传输同步。 其时序图如下： 图 312 SPI 总线时序图 对于不带 SPI 串行总线接口的 AT89C51 单片机来说，可以使用软件来模拟 SPI的操作 [13]，包括串行时钟、数据输入和数据输出。 对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。 对于在 SCK 的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时钟输出口 （模拟 MCU 的 SCK 线）的初始状态设置为 1，而在允许接口后再置 为 0。 这样， MCU在输出 1 位 SCK 时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出 1 位数据至 MCU的 口（模拟 MCU的 MISO 线），此后再置 为 1，使单片机从 （模拟 MCU 的 MOSI 线）输出1 位数据（先为高位）至串行接口芯片。 至此，模拟 1 位数据输入输出便宣告完成。 此后再置 为 0，模拟下 1 位数据的输入输出，依此循环 8 次，即可完成 1 次通过SPI 总线传输 8 位数据的操作。 对于在 SCK 的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为 0，即在接口芯片允许时，先置 为 1，以便外围接口芯片输出 1 位数据（ MCU接收 1 位数据），之后再置时钟为 0，使外围接口芯片接收 1 位据 (MCU发送 1 位数据 )，从而完 成 1 位数据的传送。 路同相三态双向总线收发器 74LS245 74LS245 是我们常用的芯片，用来驱动 led 或者其他的设备，它是 8 路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。 其引脚图如下： 图 313 74LS245 引脚功能图 74LS245 还具有双向三态功能，既可以输出，也可 以输入数据。 当 89C51 单片机的 P0 口总线负载达到或超过 P0 最大负载能力时，必须接入74LS245 等总线驱动器。 当片选端 E 低电平有效时， DIR=“ 0”，信号由 B 向 A 传输；（接收） DIR=“ 1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当 E为高电平时， A、 B均为高阻态。 由于 P2 口始终输出地址的高 8 位，接口时 74LS245 的三态控制端 1G 和2G 接地， P2 口与驱动器输入线对应相连。 P0 口与 74LS245 输入端相连 ,E 端接地，保 证数据线畅通。 89C51 的 /RD 和 /PSEN 相与后接 DIR，使得 RD 且 PSEN 有 效时， 74LS245输入（ ← D1），其它时间处于输出（ → D1）。 硬件电路详细设计 温度采集电路 热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点 [14]。 但是，热电偶的应用却存在着非线性、冷端补偿、数字化输出等几方面的问题。 设计中采用的 MAX6675 是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、 A/D 转换器及 SPI 串口的热电偶放大器与数字转换器，其电路如图 314所示。 K 型热电偶的两端分别跟 MAX6675 芯片的 T跟 T+相连，为了 允许热电偶断路检测， T引脚必须接地。 MAX6675 的测量精度对电源耦合噪声较敏感。 为降低电源噪声影响，在 MAX6675 的电源引脚附近接入 1 只 F陶瓷旁路电容。 温度由热电偶采集，然后将数据直接送给冷端补偿芯片 MAX6675 芯片进行处理，处理后送给单片机控制电路，完成简单的温度采集过程。 1 23 45 67 8U0MAX6675GNDTT+VCCSONCCSSCKC112P00K 型热电偶VCC 图 314 温度采集电路原理图 显示电路 LED 显示器是单片机应用系统中常用的输出器件，是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个或一个笔画发光，控制不同组合的二极管导通，这就能显示 出不同字符。 七段 LED 共有 8 个发光二极管，其中 7 个发光二极管七端字形“ 8”，一个发光二极管构成小数点。 发光二极管阴极连在一起的称为共阴极显示器，如图 315a 所示。 共阴极 LED 显示器的发光二极管阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，即逻辑电平“ 1”时，发光二极管点亮。 发光二极管阳极接在一起的称为共阳极显示器，如图 315b 所示。 共阳极 LED 显示器的阳极接在 +5V 电压源上，当某个发光二极管的阴极为低电平，即逻辑“ 0”时，发光二极管点亮。 ａ 共阴极显示器 b 共阳极显示器 图 315 七段 LED 显示器内部结构图 点亮显示器有静态和动态两种方式。 所谓静态显示就是显示器在显示某个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。 这种显示方式每个显示器都需要一个 8位输出口控制，需要硬件多，适用于显示位数较少的场合。 当显 示位数较多时采用动态显示。 所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各位显示器，对于每位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。 显示器的点亮和点亮时的导通电流有关，还与点亮时间和间隔时间有关，调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。 本设计使用的是一个四位共阳数码管， 当 89C51 单片机的 P0 口总线负载达到或超过 P0 最大负载能力时，必须接 74LS245 等总线驱动器。 本文温度 显示电路设计是由一个 4 位共阳数码管通过 三态双向总线收发器 芯片 74LS245 跟单片机相连接，其电路如图 316 所示。 其中 74LS245 的片选跟 三态控制引脚接地，数据由单片机向数码管传输。 数码管的位的选择通过 8550 三级管进行控制，三级管基极通过限流电阻跟单片机的 I/O 口相连接，当端口为高电平时，三极管截止，当给端口为低电平时三极管导通，数码管相应的位被选中。 这样 可方便地对 数码管 每 一 位进行单独控制。 R3R10 为限流电阻。 三极管饱和开通时，集电极－发射极之间电压 ceV 取 ，数码管的压降 fV 取 2V，数码管的工作电流 fI 取 5mA∼ 15mA。 则限流电阻可这样计算获得： fcefccf I VVVR  （ 39） 把数据带入式子（ 39）得 fR 可取值 170 ～ 500 现取 240fR。 为保证三极管可靠开通关断，且要求数码管的亮度适量较高，基极电阻 R11R14 可适量取小。