基于单片机的热电偶温度测试仪程设计说明书(编辑修改稿)

基于单片机的热电偶温度测试仪程设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

冷端补偿检测和校正周围温度变化的。 该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，MAX6675 从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。 该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到 ADC 中转换，以计算热电偶的热端温度。 当热电偶的冷端与芯片 温度相等时， MAX6675 可获得最佳的测量精度。 因此在实际测温应用时，应尽量避免在 MAX6675 附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。 1 23 45 67 8U0MAX6675GNDTT+VCCSONCCSSCKC112P00K 型热电偶VCC 图 32 温度采集 转换 电路原理图 K 型热电偶 K 型热电偶作为一种温度传感器， K 型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用 ，其外观如图 33 所示。 K 型热电偶可以直接测量各种生产中从 0℃到 1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。 图 33 K 型热电偶 镍铬 偶（ K）型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。 K 型热电偶丝直径一般为 ～。 正极（ KP）的名义化学成分为： Ni： Cr=92： 12，负极（ KN）的名义化学成分为：Ni： Si=99： 3，其使用温度为 200~1300℃。 K 型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化 性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。 K 型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛 . K 型热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。 必须配和二次仪表使用其优点是： ①测量精度高。 因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 ②测量范围广。 常用的热电偶从 50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到 269℃（如金铁镍铬），最高可达 +2800℃（如钨 铼）。 ③构造简单，使用方便。 热电偶通常是由两 种不同的金属丝组成，而且不受大小 和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 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。 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。 具有冷端补偿的数字温度转换芯片 MAX6675 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 34所示。 图 34 MAX6675内部结构框图 MAX6675 的主要特性如下： ①简单的 SPI 串行口温度值输出。 ② 0℃ ~+l024℃的测温范围。 ③ 12 位 ℃的分辨率。 ④片内冷端补偿。 ⑤高阻抗差动输入。 ⑥热电偶断线检测。 ⑦单一 +5V 的电源电压 . ⑧低功耗特性。 ⑨工作温度范围 20℃～ +85℃。 ⑩ 2020V 的 ESD 保护。 该器件采用 8 引脚 50 贴片封装。 其外观引脚如图 35 所示，引脚功能如 表 36所示。 图 35 max6675外观及引脚排列 表 36max6675引脚功能 MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与 ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器， T+和 T输入端连接到低噪声放大器 A1，以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。 热电偶输出的热电势经低噪声放大器 A1放大，再经过 A2电压跟随器缓冲后，被送至 ADC 的输入端。 在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是 MAX6675 周围温度与 0℃实际参考值之间的差值。 对于 K 型热电偶，电压变化率为 41μ V/℃，电压可由线性公式 Vout=(41μ V/℃ ) (tRtAMB)来近似热电偶的特性。 上式中， Vout 为热电偶输出电压（ mV）， tR是测量点温度； tAMB是周围温度。 引脚 名称 功能 1 GND 接地端 2 T K型热电偶负极 3 T+ K型热电偶正极 4 VCC 正电源端 5 SCK 串行时钟输入 6 CS 片选端， CS 为低、启动串行接口 7 SO 串行数据输出 8 . 空引脚 显示电路模块 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。 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 37 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 可适量取小值，本设计取基极电阻为 470。 1122R3 2401122R4 2401122R114701122R124701122R134701122R14470G19DIR1A12B118A23B217A34B316A45B415A56B514A67B613A78B712A89B811U2 74LS2451122R5 2401122R6 2401122R7 2401122R8 2401122R9 2401122R10 240abfcgdeDPY117421105abcdefg3dpdpabfcgdedpabfcgdedpabfcgdedpC06C28C39C412LED1 DPY 4LEDQ18550Q28550Q38550Q48550VCC VCCVCCVCC 图 37 数码管显示电路 报警电路模块 蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机 IO 引脚输出的电流较小，单片机输出的 TTL 电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。 超量程报警电路如图 38所示。 蜂鸣器的正极接到 VCC（＋ 5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极 e，三极管的基级 b 经过限流电阻 R17 后由单 片机的 引脚控制，当 输出高电平时，三极管 Q6截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当 输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。 因此，我们可以通过程序控制 引脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。 三级管基极电流 ib为 1mA5mA 时就足够进入开关状态了，三极管导通时蜂鸣器跟三极管分压很小，电阻R17 两端分压约为 5V，三级管放大倍数为 100 左右，流过三级管 CE 的电流 ic 约为500mA 左右这足够三极管饱和导通的条件，所以 R17 的阻值选用 1K比较合理。 1122SPEAK1SPEAKERQ68550SPEAKGNDVCC 1122R16511122R171K 图 38 报警 电路原理图 4 软件设计 系统软件设计主要包含主程序、温度采集转换子程序、超量程报警子程序、显示子程序等功能模块。 其程序总流程图如 41所示。 主程序主要完成子程序的调用，并对温度数据进行快速的算法处理；温度采集转换子程序负责将 MAX6675 转换来的温度数字量读入单片机并完成温度值的处理得到 12 位数字温度值；超量成报警子程序主要判断温度值是否超出测量范围；显示子程序主要将计算后的温度值进行显示。 主程序设计 主程序主要完成子程序的调用，并对温度数据进行快速的算法处理。 主程序首 先对系统进行初始化处理，然后调用一次温度采集转换程序，之后根据计算原理得到测量温度值，最后对温度值进行量程判断、数据显示处理。 图 41 主程序流程开始 系统初始化 调用采集转换子程序 计算温度值 超量程。 调用显示子程序 调用报警 子程序 是 否 5 系统技术指标及精度和误差分析 随着各种高精度传感器的应用与普及，这一技术在科学研究，生产过程等领域中发挥着越来越重要的作用。 人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取，处理，传输以及综合利用等要求愈加 系统仿真结果 根据系统的硬件电路设计 跟软件设计，本文对系统做了一些简单的仿真测试，简化了基本原理图达到了预期的效果。 其仿真效果图如 51，所示。 图 51 温度为 22℃仿真图 误差分析 在系统设计过程中难免会有误差，虽不能绝对地消除，但我们可以尽量将他们减小到最低程度。 由于环境温度的变化，热电偶的冷端随时可能发生变化，然而该系统存在一定的热响应时间，所以环境温度的快速变化可能带来冷端补偿造成的一系列的误差问题，而且器件的参数也存在一定的误差，之后在放大、 AD 转换、和数字量化的转换过程中也会因为热噪声或其他 的干扰源带来转换的误差，其中的热响应时间会造成测量的温度是前一刻短暂时间的瞬时温度，在实际测温应用时，应尽量避免在 MAX6675 附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。 热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高：①尽量采用不能从测量区域散热的大截面导线；②如必须用小截面导线，则只能。