MAX6675的温度传感器报告

课程设计课程名称： 传感器原理及应用 实验项目： 热电偶温度传感器的设计 实验地点： 信息学院传感器实验室 专业班级： 电科1401班 学号： 学生姓名： 李康泽 2018年12月26日太原理工大学课程设计任务书学生姓名专业班级课程名称传感器原理及应用课程设计设计名称设计周数1.5周设计任务主要设计参数设计内容设计要求主要参考资 料学生提交归档文件注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面任务书说明书图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）。2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。1、 设计方案设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。方案一：分立元气件冷端补偿方案该方案的热电偶冷端温度补偿器件是由分立元件构成的,其体积大,使用不够方便,而且在改变桥路电源或热电偶类型时需要重新调整电路的元件值。主要包括温度采集电路、信号放大电路、A/D转换电路、热电偶冷端补偿电路、数码管显示电路等。其系统框图如图1。AD590冷端补偿电路模块单片机模块热电偶转换和放大电路模块模数转换LED显示模块热端冷端图1：分立元气件冷端补偿方案二：集成电路温度补偿方案采用热电偶冷端补偿专用芯片MAX6675，MAX6675温度转换芯片具有冷端温度补偿及对温度进行数字化测量这两项功能。一方面利用内置温度敏感二极管将环境温度转换成补偿电压，另一方面又通过模数转换器将热电势和补偿电压转换为代表温度的数字量, 将二者相加后从串行接口输出测量结果，即为实际温度数据。主要包括温度采集电路、MAX6675温度转换电路、数码管显示电路等。其系统框图如图2。图2：集成电路温度补偿方案测温的模拟电路是把当前K型热电偶传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，经过放大器放大信号后送给A/D转换器把模拟电压转为数字信号，再传给单片机AT89S51，单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到数码管进行显示。综合对比以上两种方案，方案一电路复杂，且测量不精确照成误差较大，方案二采用集成温度转换芯片不仅能很好的解决冷端温度补偿及温度数值化问题，并消除由热电偶非线性而造成的测量误差,且精确度高，可实现电路的优化设计。故最后采用方案二。2、 传感器的选择:物体的冷热水平可以通过温度来衡量，从分子水平看，又可以表示物体分子运动状态，温度越高，分子运动越猛烈。物体温度改变后显示出的一些特点只可以由温度间接测量。最基本的环境方法温度，对周边环境会产生重要影响、和人们的衣食住行、农业生产等方面密不可分。温度的测量在工业、农业生产中必不可少，在工业生产中甚至需要时刻观察温度的变化。所以通过对温度的测量和测温设备的研究具有非比寻常的意义。在社会生产力的不断提高下，对温度测量系统收集的温度数据方法要求越来越高，已经渗透到社会方方面面。温度的测量主要应用于工业、农业这两大领域。在这两大领域中，无论是机械的正常运转还是农作物的蓬勃生长，都离不开温度的测量。在工业生产中，由于生产环境的限制，员工不可长时间停留观察设备运行正常或因为其他原因不能在现场。这是找到最佳的方式收集数据的迫切需要，将数据发送到一个比较好操作的控制室，便于工作人员对数据的分析与处理；在农业生产上，对温室大棚的温度监测，以前都是选择分区取样的人工处理方式，工作辛苦，精确度不高。而且在实际操作中，因为大棚的诸多环境限制因素，例如占地面积广、测量点分散而且数目多，所以这种测量方式已经被淘汰。当前的科技水平下，为了取得更大的效益促使我们必须找到一种精确、简便易行的温度采集测量方法。在科学技术的不断发展下，现代社会对各种参数：准确度和精密度的要求有一个几何增长。在以此基础上，如何快速、准确获取这些参数需要依靠现代信息的发展水平。传感器技术、通信技术、计算机结构技术并称当代三大信息采集技术，而这之中传感器技术遥遥领先其他两种技术，特别是传感器技术中对于温度的测量。所以研究温度的收集方式和设备这一课题是相关领域国内外研究者的重要课题之一。对于本课题而言，基于测温线的温度测量系统可以较为简洁方便的测量出温度。温热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如PT100、PT1000等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如DS18B20该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年也比较流行的I2C总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便。采用热电阻传感器设计测温电路，需要设计恒流源、冷端补偿电路、线性校正电路、放大电路、A/D转换电路，过程比较繁琐，集成度低，并且各个电路存在偏差，这些偏差经过多级电路后形成较大误差，严重影响测量温度值。为了电路简洁方便集成度高，减小误差，本次测温电路选用K型热电偶，配合MAX6675完成测温系统。热电偶是工业中常用的温度测温元件，具有如下特点： 测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响； 热响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏； 测量范围大：热电偶从 -40+ 1600 均可连续测温； 性能可靠， 机械强度好； 使用寿命长，安装方便；但是，K型热电偶须进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性线、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设。MAX6675 是美国MAXIM公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器,，即一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、AD转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。将K型热电偶和MAX6675结合使用，电路集成度高，简洁很多，减小误差。因此，本次电路设计选用K型热电偶。3、 硬件介绍3.1、K型热电偶3.1.1 K型热电偶概况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。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。K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。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1.24.0mm。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。图3：K型热电偶3.1.2 热电偶传感器测温原理热电偶测温由热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成。如果将热电偶的热端加热，使得冷、热两端的温度不同，则在该热电偶回路中就会产生热电势，这种物理现象就称为热电现象(即热电效应)。在热电偶回路中产生的电势由温差电势和接触电势两部分组成。接触电势：它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。当两种不同的导体A和B相接触时，假设导体A和B的电子密度分别为NA和NB并且NANB，则在两导体的接触面上，电子在两个方向的扩散率就不相同，由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数要多。导体A失去电子而显正电，导体B获得电子而显负电。因此，在A、B两导体的接触面上便形成一个由A到B的静电场，这个电场将阻碍扩散运动的继续进行，同时加速电子向相反方向运动，使从B到A的电子数增多，最后达到动态平衡状态。此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。此电势只与两种导体的性质相接触点的温度有关，当两种导体的材料一定，接触电势仅与其接点温度有关。温度越高，导体中的电子就越活跃，由A导体扩散到B导体的电子就越多，接触面处所产生的电动势就越大，即接触电势越大。3.2、MAX66753.2.1 MAX6675概况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。但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题。非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0时与测量端差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需要进行冷端补偿。 数字化输出与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口, 而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求。因此, 若将热电偶应用于嵌入式系统时, 须进行复杂的信号放大、AD转换、查表线性化、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中, 即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能, 则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。4.2.2 MAX6675性能及结构Maxim公司新近推出的MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器, 内部具有信号调节放大器、12位的模拟数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。MAX6675内部集成有冷端补偿电路；带有简单的3位串行SPI接口；可将温度信号转换成12位数字量，温度分辨率达0.25；内含热电偶断线检测电路。冷端补偿的温度范围-2080，它的温度分辨能力为0. 25 ，可以测量01023.75的温度，工作电压为3. 05. 5V。MAX6675的主要特性如下：简单的SPI串行口温度值输出；0+1024的测温范围；12位0.25的分辨率；片内冷端补偿；高阻抗差动输入；热电偶断线检测；单一+5V的电源电压；低功耗特性；工作温度范围-20+85；2000V的ESD信号。该器件采用8引脚SO帖片封装。引脚排列如图4所示，引脚功能如下表所列。图4：MAX6675引脚排列MAX66475引脚功能如下表所示：引 脚名 称功 能1GND接地端2T-K型热电偶负极3T+K型热电偶正极4VCC正电源端5SCK串行时钟输入6CS片选端，CS为低时、启动串行接口7SO串行数据输出8N.C.空引脚3.2.3 MAX6675的工作原理与功能根据热电偶测温原理，热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，使用硬件电路进行冷端补偿时，虽能部分改善测量精度，但图5：MAX6675工作原理由于热电偶使用环境的不同及硬件电路本身的局限性，效果并不明显；而使用软件补偿，通常是使用微处理机表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身非线性带来的测量误差，但同时也增加了程序编制及调试电路的难度。MAX6675对其内部元器件参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正。同时，MAX6675内部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路、断偶检测电路都给K型热电偶的使用带来了极大方便，其工作原理如图5所示。(1)温度变换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，同时是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，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41/, 电压可由线性公式Vout=（41/）（tR-tAMB）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。(2)冷端补偿热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0+1023.75范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，比温度在-20+85范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。(3)热补偿在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误大小依赖于MAX6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高MAX6675温度测量精度。(4)噪声补偿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，可在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1F陶瓷旁路电容。(5)测量精度的提高热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高：尽量采用不能从测量区域散热的大截面导线；如必须用小截面导线，则只能应用在测量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线；避免受能拉紧导线的机械挤压和振动；当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；在温度额定值范围内使用热电偶导线；避免急剧温度变化；在严劣环境中，使用合适的保护套以保证热电偶导线；仅在低温和小变化率区域使用扩展导线；保持热电偶电阻的事件记录和连续记录。(6) SPI串行接口MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与MCU接口，且MAX6675只能作为从设备。MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图3所示，MAX6675 SPI接口时序如图4所示。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：MCU使CS变低并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。CS变低将停止任何转换过程；CS变高将启动一个新的转换过程。一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读16个输出位，第1位和第15位是一伪标志位，并总为0；第14位到第3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；第2位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使能地点尽可能接近GND脚；第1位为低以提供MAX6675器件身份码，第0位为三态。图6：SO端数据输出图7：MAX6675通信协议图图8：MAX6675典型应用3.3、89C51单片机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。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MCS-51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，其外观引脚如图9所示：图9：89C51单片机AT89C51提供以下标准功能：4k字节的flash闪速存储器，可以反复擦除100次，128字节内部RAM，4个8位并行I/O口，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P0P3，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。P0P3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。3.4、4位共阳极LED7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示09等10个数字和小数点，使用非常广泛。图10：（a）管脚排列 （b）共阳结构 设计中采用的是7SEG-MPX4-CA，如下图示：1234为位选，ABCDEFG DP为段码。图11：ABCDEFG DP为段码4、 硬件电路4.1、温度采集转换电路模块温度采集电路模块包括K型热电偶和max6675所组成的电路模块，其电路原理图如图3-2所示，热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0+l023.75范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，此温度在-20+85范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。MAX6675是通过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。图12：温度采集转换电路模块4.2、放大电路放大器的输入信号Vin=Vout=（V+ - V-）。根据电路图可以得到方程：VA+=300V-/(300+30) VA-= VA+ 联立方程可得： Vo=-10(V+ - V-)= S-10 Vout4.3、电压跟随器根据电路图可得： Vin = -Vout 4.4、A/D转换电路MAX6675内部有自带12位AD转换器,在数字控制器的作用下,A/D转换器将模拟信号转换为数字量输出。AD量化单位： q=5V/4096转换结果： D=Vin(mV)/q(mV)5、 整体电路设计图13：整体电路设计6、 软件设计： 软件包括四个函数：主函数、读取AD转换数值函数、显示函数、延时函数。#include reg51.h#include intrins.h /_nop_();延时函数用#define uchar unsigned char /用uchar代替unsigned char，1字节0-255#define uint unsigned int /用uint代替nsigned int，2字节0-26653sbit SO=P10; /P1.0口与SO相连sbit SCK=P11; /P1.1口与SCK相连sbit CS=P12; /P1.2口与CS相连uint j; float wendu;uint Read_AD(); /AD转换数据数据读取，并返回值void Display_temp(); /温度显示uchar qian=0,bai=0,shi=0,ge=0,xiao=0; /初始化LEDuint temp;uchar code tab_110=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90; /共阳LED段码表uchar code tab_210=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10; /含小数点共阳段码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 uchar code tab_34=0x01,0x02,0x04,0x08; /位码 uint Read_AD( ) / AD转换数据读取子函数，并返回值 uchar i; unsigned long Temp_2; Temp_2=0; CS=1; SCK=0; _nop_(); /这个_nop_()等效与汇编里面的NOP指令，即空一个机器周期， CS=0; for(i=0;i16;i+) /16位数据读取 Temp_2=1; /向左移一位_nop_();SCK=1; /上升沿脉冲if(SO=1) Temp_2=Temp_2|0x01; else Temp_2=Temp_2|0x00;_nop_(); SCK=0;_nop_(); Temp_2=Temp_2&0x7FF8; /取3-14位 Temp_2=Temp_2*1024/4096; /变换为温度值 return(Temp_2); /返回值 void Display_temp() /温度显示子函数 uint temp=wendu; temp=temp*10; if(wendu0;j-); /延时 P3=0x00; P0=tab_1shi; P3=tab_31; /显示十位数字 for(j=300;j0;j-); P3=0x00; P0=tab_2ge; P3=tab_32; /显示个位数字 for(j=300;j0;j-); P3=0x00; P0=tab_1xiao; P3=tab_33; /显示小数位 for(j=300;j0;j-); void main( ) /主程序 for(j=300;j0;j-); while(1) wendu=Read_AD(); / 热电偶数据读取，返回温度 Display_temp(); /温度显示 7、 仿真结果 在proteus中画好电路，检验没有错误后，将单片机的程序指定到编译好的hex文件，然后开始仿真，从200到500随机选取几组温度值，记录LED显示的数值。实际温度值与测量温度值如下表示：温度值233281354420487测量值2322823554204878、 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