【毕业设计】智能热电偶温度测控系统设计

1、智能热电偶温度测控系统设计 摘 要 作为工业测控系统重要参数,温度的精确采集具有重要的工程意义和价值。综合考 虑到目前温度测控不精确以及控制依赖性太强的问题，采用 51 单片机进行智能控制， 并能进行精确测量。 本设计采用了带有冷端补偿的温度转换芯片 MAX6675、K 型热电偶、89C51 单片 机、数码管等元器件设计了相应温度采集电路、温度转换电路、温度控制电路、超量 程报警电路、数码管显示电路。结合硬件电路给出了相应的软件设计，测温精度可达 到 0.25。本系统的工作流程是：首先热电偶采集温度，数据经过 MAX6675 内部电 路的处理后送给单片机进行算法处理，最后通过数码管电路显示出测

2、量温度。本设计 最后对系统进行了 proteus 的调试和仿真，实现了设计的预期要求。 关键词：MAX6675,热电偶,单片机,冷端补偿 Design of Intelligent Thermocouple Temperature Measurement and Control System ABSTRACT As the important parameters of the industrial measurement and control system, temperature precision sampling has important engineering significa

3、nce and value.In this paper, considering the current oven temperature monitoring and control dependencies too imprecise question,through 51 single intelligent control,and can be measured accurately. This design uses a temperature conversion chip MAX6675,K-type thermocouple, 89C51microcontroller, LED

4、 and other components, design corresponding temperature acquisition circuit, temperature converter circuit, temperature control circuit, over-range alarm circuit, the LED display circuit. With the hardware give out The corresponding software design, temperature measurement accuracy up to 0.25The sys

5、tem works is: first acquisition thermocouple temperature data through the Treatment of the of the MAX6675 internal circuit and be then sent to 89C51 Aim for rapid algorithm processing. Finally, the LED circuit shows the measurement temperature values. In the last, the design of the system was proteu

6、s debugging and simulation,achieve the design requirements. KEY WORDS: MAX6675, thermocouple, microcontroller, cold side compensation 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 绪 论.1 2 系统原理概述.3 2.1 热电偶测温的算法实现.3 2.2 热电偶测温基本原理.4 2.3 热电偶冷端补偿方案确定.5 2.3.1 分立元器件冷端补偿方案.5 2.3.2 集成电路温度补偿方案.5 2.3.3 方案确定.6 2.4 硬件组成原理.6 2.5 软件系统工

7、作流程.6 3 硬件设计.8 3.1 热电偶简介.8 3.1.1 热电效应.8 3.1.2 热电偶基本定律.9 3.1.3 热电偶温度补偿.10 3.1.4 热电偶的结构形式.10 3.1.5 K 型热电偶概述.12 3.1.6 K 型热电偶特点.12 3.2 具有冷端补偿的数字温度转换芯片 MAX6675 功能简介.13 3.2.1 冷端补偿专用芯片 MAX6675 性能特点.13 3.2.2 冷端补偿专用芯片 MAX6675 温度变换.14 3.2.3 冷端补偿专用芯片 MAX6675 的冷端补偿问题.15 3.2.4 冷端补偿专用芯片 MAX6675 的热补偿跟噪声补偿问题.15 3.2

8、.5 冷端补偿专用芯片 MAX6675 测量精度的提高方法.15 3.2.6 冷端补偿专用芯片 MAX6675 的温度读取.15 3.3 单片机选择及部分功能简介.16 3.4 路同相三态双向总线收发器 74LS245.18 3.5 硬件电路详细设计.19 3.5.1 温度采集电路.19 3.5.2 显示电路.20 3.5.3 报警电路.21 3.5.4 单片机控制电路.22 4 软件设计.24 4.1 主程序设计.25 4.2 温度采集转换程序设计.26 4.3 显示程序设计.28 5 系统仿真.29 5.1 Proteus 概述.29 5.2 系统仿真结果.29 6 总结.31 致 谢.3

9、2 参 考 文 献.33 附录.34 1 绪 论 温度是反映物体冷热状态的物理参数，对温度的测量在冶金工业、化工生产、电力 工程、机械制造和食品加工、国防、科研等领域中有广泛地应用。在某些特殊的场合对 温度的准确性有很高的要求，例如：在发电厂、冷库、工业制造等地方对温度的要求都 很严格。因此针对以上问题提出智能温控的思想。 通常用来测量温度的传感器有热电阻温度传感器、热敏电阻、热电偶、半导体温度 传感器等几种。其中热电阻又分为精密型热电阻、铠装热电阻、端面热电阻、隔爆型热 电阻等。这些常用温度传感器一般的温度测量中可以满足温度测量的问题。但在一些特 殊的场合就不能达到精确测量的要求。 热电阻虽

10、然在工业应用中应用也比较广泛，但是由于它的测温范围使它的应用受到 一定的限制，热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的 特性；其优点也很多，也可以远距离传输电信号，灵敏度高，稳定性强，互换性以及准 确性都比较好，但是需要电源激励，不能实现瞬时测量温度的变化，在精确度上有些欠 缺，工业用热电阻一般采用 Pt100，Pt10，Cu50，Cu100，铂热电阻的测温范围一般为- 200800，铜热电阻一般为-4050，不能满足一些场合的需求。 而热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，它的主要特点就是测温范围宽，性 能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能远距离传输 420m

11、A 电信号，便于自动 控制和集中控制。热电偶的测温原理是基于热电效应，将两种不同的导体或半导体连接 成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中产生热电势，这种现象称为热电效应， 又称为塞贝克效应。 在工业标准热电偶中,K 型(镍铬-镍硅)热电偶由于具有价格低廉、输出热电势值较 大、热电势与温度的线性关系好、化学稳定性好、复制性好、可在 1000下长期使用等 特点,因而是工业生产制造部门应用最广泛的热电偶元件。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。冷端补偿: 热电偶输出

12、的热电势为冷端保持为 0时与测量端的电势差值，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。在许多热工实验中，往往面临热电偶冷端温度问题,不管是采用恒温 补偿法(冰点补偿法)还是电桥补偿法,都会带来实验费用较高、实际的检测系统较复杂. 难以达到实时测量、接口转换电路复杂等问题,而随着计算机测控技术在工业生产制造 领域的普遍应用,温度参数的微机化测量与控制已成为必然趋势。因此我们必须解决对 热电偶测量信号的放大调理、非线性校正、冷端补偿、模数转换、数字

13、输出接口等一系 列复杂的问题,以及解决模拟与数字电路硬件设计过程和建表、查表、插值运算等复杂 的软件编制过程,以达到使电路简化,成本减少,增加系统可靠性的目的。 鉴于上面的分析,本论文主要任务是设计一种基于高精度 K 型热电偶传感器的温度 测控系统。采用带有冷端补偿的温度转换芯片 MAX6675、K 型热电偶、89C51 单片机、 数码管等元器件设计出相应温度采集电路、温度转换电路、温度控制电路、超量程报警 电路、数码管显示电路。系统用单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片 MAX6675 进行 控制,要达到任务书中的技术指标，并对系统进行 protuse 的调试和仿真试验，使其具有 良好的实用性

14、能，能够实现温度的高精度测量及控制。 2 系统原理概述 2.1 热电偶测温的算法实现 热电偶测温系统测温时，温度是一个缓慢上升的过程，且温度随时间的变化并不是 一个线性的过程，因此要实现温度测控就要考虑热电偶的热惰性时间常数问题2，采用 合理的软件算法。下面就从基本算法着手，其原理就是在等间隔的时间点 t1、t2、t3连 续采集三个温度值，然后根据采集温度值跟热时间常数3、初始温度 T0、稳定后的温 度之间的关系、最后得出的数学计算公式4，从而得到所测量温度值。测温时，时TT 间随着温度变化如图 2-1 所示。 时间 t 温 度 T t1t2t3 图 2-1时间随着温度变化曲线 由温度与时间及

15、时间常数关系式： （2-1） t eTTTtT )()( 0 当 t 分别为 t1、t2、t3时： （2-2） 1 )()( 01 t eTTTtT （2-3） 2 )()( 02 t eTTTtT （2-4） 3 )()( 03 t eTTTtT 由式子（2-1）得 （2-5） TT TtT e t 0 )( 当 t 分别为 t1、t2、t3时，则有： （2-6） TT TtT e t 0 1) ( 1 （2-7） TT TtT e t 0 2) ( 2 （2-8） TT TtT e t 0 3) ( 3 由式子（2-6）式子（2-7）得： （2-9） TtT TtT e tt )( )(

16、2 1 12 由式子（2-7）式子（2-8）得： （2-10） TtT TtT e tt )( )( 3 2 23 因为 t1、t2、t3时间间隔相等，则 t3-t2=t2-t1，可得： （2-11） TtT TtT TtT TtT )( )( )( )( 3 2 2 1 整理式子（2-11）得： （2-12） )()()(2 )()()( 312 312 2 tTtTtT tTtTtT T 由式(2-12)可知稳定后的温度只跟采集的三个温度值相关，此算法与时间常数等未 知量都不相关。所以通过此算法只要在等间隔的时间内采集三个温度值，通过软件算法 计算就可实现温度的测量。 2.2 热电偶测温基

17、本原理 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度 梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电动势，这就是所谓的塞贝克 效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端（热端） ，温度较 低的一端为自由端（冷端） ，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度 的函数关系制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在 0时的条件下得到的，不同的 热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接 点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影 响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得

18、热电动势后即可知道被测介质的温 度。热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1、热电偶的热电势是热电偶两端温度函 数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；2、热电偶所产生的热电势的大小当热电偶 的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有 关；3、当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶 的温度差有关。若热电偶冷端的温度保持一定，这时热电偶的热电势仅是工作端温度的 单值函数。 2.3 热电偶冷端补偿方案确定 热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为 冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关

19、系。若测量时，冷 端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端 温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。 2.3.1 分立元器件冷端补偿方案 方案一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 2-2。 热电偶温度信号 采集电路 信号放大电路 AD转换电 路 单片机控制电 路 热电偶冷端温度 测量电路 数码管显示电路 报警电路 图 2-2分立元器件冷端补偿 2.3.2 集

20、成电路温度补偿方案 方案二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5。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的测量结果，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 2-3。 热电偶温度信号 采集电路 Max6675温度 转换芯片 数码管显示电路 报警电路 单片机控制电路 图 2-3 集成电路温度补偿 2.3.3 方案确定 综合对比以上两种方

21、案，方案一电路复杂，且测量不精确造成误差较大，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。 2.4 硬件组成原理 本系统硬件主要由热电偶温度采集电路、MAX6675 温度处理电路、89C51 单片机 控制电路、超量程报警电路和数码管显示电路组成。 热电偶采用分度号为 K 的热电偶，为了减少外界信号的干扰通过双绞线跟 MAX6675 芯片直接相连接。MAX6675 芯片通过 SPI 串行接口传输数据，采用的 89C51 单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片 MAX6675 进行

22、控制。本系统设计还具有报警的 特点，当所测量的温度低于零摄氏度或者高于 400 摄氏度时报警电路发出警报。显示电 路由 89C51 单片机通过锁存器对四位共阳数码管控制，数码管工作需要较大的电流采用 型号为 8550 的 PNP 三极管进行控制，当所测温度在规定范围内时就可以通过数码管快 速显示出来。 2.5 软件系统工作流程 系统的软件工作流程为：热电偶采集的温度数据；温度数据经过 MAX6675 内部电 路的 AD 转换、冷端补偿、内部校正6；温度转换电路将处理后 12 位数字温度量以串 行方式送给单片机；单片机将数字量进行软件算法处理；如果测量温度在测量范围内， 最后通过数码管显示出测量

23、温度；如果超出测量范围由单片机控制使报警电路报警。其 软件工作流程图如图 2-4。 热电偶温度数 据采集 MAX6675将采 集的数据处理 为数字量 单片机通过算 法编程达到测 温效果 温度在测量 范围内? 显示温度 报警 开始 是 否 结束 图 2-4 系统软件工作流程 3 硬件设计 3.1 热电偶简介 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它是将温度量转换为电量变化的装 置。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围 宽，在温度测量中占有重要的地位。 3.1.1 热电效应 当两种不同材料的导体或半导体连成闭合回路时，将两个接点分别置于温度为 T 和 T0 的热源中

24、，该回路内会产生热电势。热电势的大小反映两个接点温度差，保 持 T0 不变，热电势随着温度 T 变化而变化。测得热电势的值，即可知道温度 T 的大 小。 图 3-1热电偶测温原理图 产生的热电势由两部分组成：温差电势和接触电势。 接触电势产生的原因：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成 的电动势。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散， （NANB，A 到 B）在接触处失去电子的一侧带正电，得到电子的一侧带负电，形成 稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两 接点的接触电势和可表示为：)(TeAB)( 0 TeAB （3-1） ln

25、 AT AB BT NKT eT eN （3-2） 0 0 0 0 ln AT AB BT N KT eT eN 式中：波尔兹曼常数； 单位电荷电量；、和、 Ke AT N BT N 0 AT N 0 BT N 分别在温度为和时，导体 A、B 的自由电子密度。T 0 T 同一导体温差电势是由同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同 一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高 温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而 带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，形成一个静电场，该静电场阻止电子 继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。

26、因此，在导体两端便形成温差电势，其大 小由下面公式给出： （3-3） 0 0 , T AA T eT TdT ：汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势。 A 热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和。 0 0 0 0 0000 ,lnln T AT AT ABEABABBABA T BTBT N KTNKT ET TeeTeT TeT TdT eNeN （3-4） 在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，在精度要求不高的情况下，热电 偶的热电势可近似表示为： （3-5） 00 , ABABAB ET TeTeT 对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，为常数，则总的

27、热电动势就 0 T)( 0 TeAB 只与温度 T 成单值函数关系，即： （3-6） 0 , ABAB ET TETcf T 实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是 在参考端温度为 0时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应 关系。 热电偶回路的几点结论： （1）如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度 如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。 （2）如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。 （3）热电偶 AB 的热电势与 A、B 材料的中间温度无关，只与结点温度有关。 3.1.2 热

28、电偶基本定律 中间导体定律：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接 入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温 回路内，接入第三种导体，只要其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。 均质导体定律：由一种均匀介质导体组成的闭合回路，不论导体的截面、长度 以及各处的温度分布如何，均不产生热电势。换句话说：如果热电偶的两根热电极 是由两种均质导体组成，那么热电偶的热电势仅与两接点温度有关，与沿热电极的 温度分布无关。如果热电极为非均质导体，当处于具有温度阶梯的情况时，将会产 生附加电势，引起测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的主要指 标

29、之一。 参考电极的实用价值在于：它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只 要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热 电势均可按公式而无需再逐个去测定。用作参考电极(标准电极)的材料，目前主要 为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比 较稳定。 中间温度定律：热电偶 AB 在接点温度为、 00 , ABABCABC ET TET TET TT 中间温度为.该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温 0 T c T 回路中,利用热电偶这一性质10,可对参考端温度不为 0的热电势进行修正。 图 3-2热电偶中间导体示意

30、图 3.1.3 热电偶温度补偿 从热电偶测温基本公式可以看到，对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只 与工作端温度 t 和自由端温度 t0有关即： （3-7） 00 , ABABAB Et tetet 热电偶的分度表是以 t0=0作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，参考 端温度往往不为 0，那么工作端温度为 t 时，分度表所对应的热电势与热) 0 , (tEAB 电偶实际产生的热电势之间的关系可根据中间温度定律得到下式：),( 0 ttEAB （3-8） 00 ,0,0 ABABAB EtEt tEt 由此可见，是参考端温度 t0的函数，因此需要对热电偶参考端温度进,0 AB Et 行处理

31、。 常用的补偿方法有7-8：1.冷端恒温法；2.补偿导线法；3.计算修正法；4.电 桥补偿（又称冷端补偿器）法；5.显示仪表零位调整法；6.软件处理法。 3.1.4 热电偶的结构形式 为了适应不同生产对象的测温要求和条件、热电偶的结构形式有普通型热电偶、 铠装型热电偶和薄膜热电偶等。 普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接 线盒组成。其结构图如图 3-3 所示。 图 3-3 普通结构热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉 伸加工而成的坚实组合体，它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装 热电偶的主要优点是测温端热容量小

32、，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装 在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。其结构图如图 3-4 所示。 图 3-4 套管热电偶结构图 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料，用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝 缘基板上面制成的一种特殊热电偶，薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到 0.010.1m）, 具有热容量小，反应速度快等的特点，热相应时间达到微秒级，适 用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。其结构图如图 3-5 所示。 1-测量端； 2-绝缘基板；3、4-热电极；5、6-引出线；7-接头夹具 图 3-5 薄膜热电偶结构图 3.1.5 K 型热电偶概述 K 型热

33、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。 图 3-6 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 1.24.0mm。 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-2001300。 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

34、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. 3.1.6 K 型热电偶特点 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： 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。 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） 。 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。 3.2 具有冷端补偿的数字温度转换芯片 MA

35、X6675 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 3-7 所示。 图 3-7 MAX6675 内部结构框图 3.2.1 冷端补偿专用芯片 MAX6675 性能特点 MAX6675 的主要特性如下： 简单的 SPI 串行口温度值输出。 0+l024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-

36、20+85。 2000V 的 ESD 保护。 该器件采用 8 引脚 50 贴片封装。引脚排列如图 3-8 所示，引脚功能如表 3-1。 图 3-8引脚功能图 表 3-1引脚功能表 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 3.2.2 冷端补偿专用芯片 MAX6675 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

37、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 41V/， 电压可由线性公式来近似热电偶的特性。上式中，Vout 为 41* RAMB VoutVtt 热电偶输出电压（mV） ，tR是测量点温度；tAMB是周围温度。 3.2.3 冷端补偿专用芯片 MAX6675 的冷端补偿问题 热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热

38、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 M

39、AX6675 附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。 3.2.4 冷端补偿专用芯片 MAX6675 的热补偿跟噪声补偿问题 在测温应用中，芯片自热将降低 MAX6675 温度测量精度，误差大小依赖于 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。 MAX6675 的测量精度对电源藕合噪声较敏感。为降低电源噪声的影响，可在 MAX6675 的电源引脚附近接入 1 只 0.1uF 陶瓷旁路电容。 3.2.5 冷端补偿专用芯片 MAX6675 测量精度的提高方法 热电偶系统的测量精度可通过

40、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；在恶劣环境中，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。 3.2.6 冷端补偿专用芯片 MAX6675 的温度读取 MAX667 多采用标准的 SPI 串行外设总线与 MCU 接口，且 MAX6675 只能作 为从设备。MAX6675S0 端输出温度数据的格

41、式如图 3-9 所示，MAX6675SPI 接口时 序如图 3-10 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 S0 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 l 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

42、接地，并使接地点尽可能接近 GND 脚；第 1 位为低以提供 MAX6675 器件身 份码，第 0 位为三态。 表 3-2MAX6675S0 端输出温度数据的格式 D14D3 为 12 位数据，其最小值为 0，对应的温度值为 0；最大值为 4095， 对应的温度值为 1023.75；由于 MAX6675 内部经过了激光修正，因此，其转换结 果与对应温度值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为： 温度值= 1023.75转换后的数字量/4095 图 3-9 MAX6675SPI 接口时序 3.3 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

43、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 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， 其外观引脚图如下： 图 3-10AT89C51 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

44、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 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

45、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