基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计论文说明

1、毕业设计基于热电偶温度传感器动力学的专题实时测温记录系统设计毕业设计（论文）作业本热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计专业电子信息工程 54110103号主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容：根据热电偶温度传感器输出信号的特点，结合其热惯性时间常数，实时测量并记录动态温度变化过程。2、基本要求：选择热电偶温度传感器，产品测温范围为温度记录范围；设计动态温度实时测量算法；设计相关测试系统框图；以单片机为核心设计硬件电路；设计单片机软件流程图及程序；6. 写一份设计报告。三、主要参考资料：1. 卢丽萍，温度传感器的热时间常数及其测试方法，仪器技术与传感器，2005，第7期。2.

2、钱科元，高精度热电偶温度变送器，过程自动化仪表，卷。 2003 年 8 月 24 日第 8 期。3. 飚等，热电偶测温与冷端补偿的研究与实现，船舶与交通科学研究所学报，2013，6。4. 王千波等，基于单片机的热电偶测温系统设计，科技信息，2007-3完成截止日期： 2015 年 3 月 2 日 - 2015 年 6 月 19 日导师签名：专业负责人签字盖章： 基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统的设计摘要近年来，热电偶作为温度检测元件逐渐开始频繁出现。但是，这种温度传感器使用起来很麻烦。大多需要专用的温度补偿线，温度补偿线的价格也不高。价格不贵，使用不方便，也会影响测量精度。这种直

3、接使用模拟量作为数据采集的程序，在应用过程中肯定会遇到。此外，在实际应用中，监测远程温度信号也是不可避免的。因此，可以使用集成芯片实现数模转换后的模拟电压值，并与单片机的I/O口连接，实现数据传输。该方案不仅可以降低生产和应用成本，还可以提高精度。有很好的结果。本系统主要介绍复位电路、晶振电路、DS1302时钟电路、MAX6675热电偶温度采集转换电路和LCD1602液晶显示电路。 4X4矩阵键盘输入电路作为扩展部分，可实时调整。软件部分设计了主程序、温度采集与转换、键盘电路和LCD1602电路。关键词 热电偶, MAX6675, AT89S51 微控制器, LCD1602目录TOC o 1-

4、3 h u HYPERLINK l _Toc5492 摘要 PAGEREF _Toc5492 二 HYPERLINK l _Toc13443 1简介 PAGEREF _Toc13443 1 HYPERLINK l _Toc21495 2动态测温记录系统方案设计 PAGEREF _Toc21495 3 HYPERLINK l _Toc26024 2.1 系统方案设计一 PAGEREF _Toc26024 3 HYPERLINK l _Toc28315 2.2 系统方案设计 2 PAGEREF _Toc28315 4 HYPERLINK l _Toc12062 2.3 系统方案 PAGEREF _

5、Toc12062 5的确定 HYPERLINK l _Toc23344 3硬件电路设计 PAGEREF _Toc23344 6 HYPERLINK l _Toc20249 3.1 AT89S51单片机硬件组成 PAGEREF _Toc20249 6 HYPERLINK l _Toc2101 3. 1.1 硬件组成 PAGEREF _Toc2101 6 HYPERLINK l _Toc26315 3. 1.2引脚功能 PAGEREF _Toc26315 7 HYPERLINK l _Toc5113 3. 1.3内存 PAGEREF _Toc5113 8 HYPERLINK l _Toc15753

6、 3.2热电偶简介 PAGEREF _Toc15753 11 HYPERLINK l _Toc18879 3.2.1热电效应与微观解释 PAGEREF _Toc18879 11 HYPERLINK l _Toc30176 3.2.2热电偶类型和冷端补偿 PAGEREF _Toc30176 12 HYPERLINK l _Toc31969 3. 2.3 热电偶选择 PAGEREF _Toc31969 13 HYPERLINK l _Toc3231 3.3 芯片介绍MAX6675 PAGEREF _Toc3231 15 HYPERLINK l _Toc23124 3. 3.1 芯片MAX6675的

7、部分结构图 PAGEREF _Toc23124 15 HYPERLINK l _Toc30942 3. 3.2芯片特性 PAGEREF _Toc30942 15 HYPERLINK l _Toc19187 3. 3.3芯片工作原理 PAGEREF _Toc19187 16 HYPERLINK l _Toc15751 3. 3.4 芯片温度补偿 PAGEREF _Toc15751 17 HYPERLINK l _Toc5502 3.3.5芯片温度测量 PAGEREF _Toc5502 17 HYPERLINK l _Toc32757 3.4 芯片介绍 PAGEREF _Toc32757 18 H

8、YPERLINK l _Toc9518 3. 4.1 芯片结构图 PAGEREF _Toc9518 18 HYPERLINK l _Toc5272 3. 4.2 芯片管脚图 PAGEREF _Toc5272 19 HYPERLINK l _Toc16972 3.5 芯片介绍 PAGEREF _Toc16972 19 HYPERLINK l _Toc14794 3.6 系统硬件电路设计 PAGEREF _Toc14794 20 HYPERLINK l _Toc13365 3. 6.1 电源电路设计 PAGEREF _Toc13365 21 HYPERLINK l _Toc14900 3. 6.2

9、 热电偶和MAX6675电路设计 PAGEREF _Toc14900 21 HYPERLINK l _Toc16548 3. 6.3 时钟和复位电路设计 PAGEREF _Toc16548 22 HYPERLINK l _Toc15223 3.6.4实时电路设计 PAGEREF _Toc15223 23 HYPERLINK l _Toc23111 3. 6.5 键盘电路设计 PAGEREF _Toc23111 23 HYPERLINK l _Toc25328 3.6.6显示电路设计 PAGEREF _Toc25328 26 HYPERLINK l _Toc8411 4系统软件流程设计 PAGE

10、REF _Toc8411 27 HYPERLINK l _Toc2515 4.1 主程序流程图 PAGEREF _Toc2515 27 HYPERLINK l _Toc10096 4.2 中断子程序流程图 PAGEREF _Toc10096 28 HYPERLINK l _Toc17141 4.3 按钮子程序流程图 PAGEREF _Toc17141 29 HYPERLINK l _Toc22915 5 Proteus 仿真 PAGEREF _Toc22915 30 HYPERLINK l _Toc18421 结论 PAGEREF _Toc18421 31 HYPERLINK l _Toc24

11、065 至 PAGEREF _Toc24065 33 HYPERLINK l _Toc20647 参考文献 PAGEREF _Toc20647 34 HYPERLINK l _Toc3972 附录 PAGEREF _Toc3972 351 简介随着时代的发展，电子产品的智能化已经深入人心。然而，当今社会开发的一些智能化、易操作的家用电子产品大多基于集成控制芯片。这是时代和人们的共同选择，也是电子产品发展的趋势。众所周知，电子产品的制造往往对温度有很高的要求。市面上的温度传感器种类并不完全相同，但不可避免地要解决热惯性的问题，所以温度传感器直接测得的温度并不是实时温度。当温度要求不是很严格时，使

12、用温度传感器还是可行的。但在测量气体温度时，测得的温度会有很大的偏差，主要是响应太慢。大多数工业温度测量都需要精度更高的温度传感器。例如，PT 电阻器和温度传感器是基于半导体的温度测量设备。 NTC、PTC等温度传感器属于半导体温度传感器，不能用于液体温度测量。测量微弱的温度变化时，热敏电阻是不错的选择，但非线性误差严重；因此，在测量动态实时温度时，常用的温度测量方法会存在一些问题，主要是测量精度问题，导致一些我们不喜欢的误差。热电偶可以测量的温度边界限制不是很大，可以在很多场合测量温度；并且精度比较好，所以在工业上用作测温元件或其他元件。 、食品等制造场合得到广泛应用。在工业标准热电偶和工业

13、制造过程中，最低可测到-270摄氏度，最高可测到超过1800摄氏度，符合国际标准。测量时无需考虑外接电源的问题，因为它可以直接驱动K型热电偶，具有动圈式仪表等优点，成为应用最广泛的热电偶元件。但是，当热电偶用于集成芯片领域时，热电偶存在以下三个问题。从一个角度来看，热电偶输出的电压与被测物体的温度之间存在非线性关系，因此在使用模型的温度测量时必须将其线性化。从另一个角度来看，热电偶输出的热电势是其自身，包括周围，当温度保持在零摄氏度时与需要测量的端点之间的电位差，而在实际测温应用中的温度结点的温度不会一直保持在零摄氏度，而是会发生变化，所以必须考虑冷端补偿的问题。另外，连接单片机系统的端口必须

14、是数字接口，热电偶检测到的模拟信号非常微弱，难以直接测量和使用。当我们遇到必须面对和解决的冷端温度补偿问题时，冰点补偿法和电桥补偿法都有很大的缺陷，几乎不可能实时测温，成本高.问题经常接踵而至。因此，热电偶测得的电压信号的放大和调理、模数转换等一系列复杂的问题都需要很好地解决。当实时测量并记录动态温度时，仅仅显示温度距离我们想要的结果还很远。这时，需要时间和温度同时出现在我们的视野中，才能达到我们想要的效果。显示时间的常用方法有两种，一种是用单片机时钟来控制。二是使用专用时钟芯片。我的设计是用K型热电偶、复位电路、晶振电路、MAX6675与单片机和热电偶的连接电路、LCD1602液晶显示电路和

15、4X4矩阵键盘输入电路设计相应的温度采集、放大和转换电路，温度显示电路、键盘控制电路、实时显示电路等。系统采用芯片MAX6675和51单片机作为数据传输的主要设计电路，配合时钟芯片达到显示时间的目的。实时测温的同时，调用键盘控制查看实时测温记录等，都是为了实现设计任务书系统中所需的技术指标，然后进行仿真它，可以实现动态温度的测量、实时显示等功能。2 动态测温记录系统方案设计我们都知道温度传感器是热惰性的。为了实现动态温度的正确测量，有必要研究温度传感器的热时间常数。假设温度传感器本身温度均匀，没有热辐射能量损失，传感器的介入不会改变被测介质的温度，则热平衡方程13可表示为(2-1)其中，是比热

16、容；是温度传感器的质量；平均温度时间函数；被测介质温度功能；温度传感器耗散系数； t 是时间变量。热时间常数由下式表示，上式可写为(2-2)因为, 所以, , 这是动态温度测量误差的根源。当, 和| t=0 ，上式可解, t0 (2-3), t0 (2-4)此时, , 热时间常数可表示为：当传感器置于稳定介质中时，传感器温度变化为介质温度与初始温度之差的 063.2%传感器。每个传感器都有自己的热时间常数，因此在测量动态温度时需要考虑软件设计以达到实时测量动态温度的精度。2.1 系统方案设计一本方案设计的基本思想是：模拟元件组成冷端补偿转换放大电路。这种冷端补偿和模拟与数字之间的放大和相互转换

17、组成的电路，不仅占用电路的体积较大，而且占用的使用空间也较小。很不方便。此外，当需要更换桥式电源或更换热电偶类型时，需要重新调整电路的元件值。本方案涉及的主要电路元件包括热电偶及冷端补偿、放大及A/D转换电路、单片机最小系统及显示电路等。如图2-1-1所示为本方案设计的系统框图。图2-1-1系统框图2.2 系统方案设计2这里我选择了MAX6675专用芯片，自带热电偶冷端补偿、放大和模数转换器。 MAX6675芯片除了对冷端温度进行补偿外，还可以对温度进行模数转换，从而可以直接与51相连。单片机进行数据传输。它一方面利用芯片的热敏二极管将采集到的冷端温度数据转换成补偿电压，另一方面利用模数转换器

18、将测得的热电势和补偿电压转换成相应的数字量。 -数字转换器来表示测量的温度，然后从输出引脚输出实际温度数据（两者的电压之和）并连接到单片机的P0端口进行数据传输，最后是温度值显示在 LCD1602 液晶显示器上。本方案涉及的主要电路元件包括K型热电偶、温度补偿转换电路、4X4矩阵键盘电路和LCD1602显示电路。图为2-1-2本方案设计的系统框图。图2-1-2系统框图2.3 系统方案的确定现在比较以上两种方案。从系统框图可以得出，方案一所需的电路比较复杂，测得的温度值也不准确，可能会造成很大的误差。第二种方案是热电偶专用的MAX6675芯片对采集的温度数据进行AD转换、冷端补偿、部分校正，还可

19、以对测得的温度进行数字化处理。此外，该方案的测温精度较高，可以消除热电偶非线性带来的测量误差，同时该方案也实现了电路的优化设计。因此，系统设计最终决定采用方案二的设计思路。3 硬件电路设计3.1 AT89S51单片机硬件组成3.1.1芯片硬件结构AT89S51单片机的芯片硬件结构如图所示：3-1-1图片硬件结构AT89S51的基本特点是9 ：CPU是一个8位微处理器128字节切片数据存储器4K切片程序存储器4 个 8 位可编程并行 I/O 端口1个全双工异步串口2 个 16 位可编程定时器计数器1个看门狗定时器中断系统有5个中断源和2个中断优先级26个特殊功能寄存器掉电模式下有中断恢复模式。低

20、功耗省电模式除了省电模式外，还有空闲模式程序加密锁位 3与 AT89C51 相比，AT89S51 具有更鲜明的特点，如9所示：新增In System Program（ISP）功能，灵活的在线编程，现场程序修改调试更方便多增加一个数据指针，方便访问片外RAM增加看门狗定时，增强系统抗干扰能力添加了落点标志和落点后恢复3.1.2引脚功能引脚（封装）如图图3-1-2封装管脚图表3-1-1电源和时钟引脚和功能表3-1-2控制引脚和功能表3-1-3端口引脚和功能表3-1-4部分中的 I/O 端口引脚表3.1.3记忆使用内存时要注意：(1) 区分程序存储器和数据存储器9(2)位地址空间有2个区域(3) 使

21、用指令区分片内数据存储器或片外数据存储器9(4) 片外数据存储器统一寻址RAM和I/O端口9(5)所有外围I/O端口的地址都会占用内存单元图3-1-3内存空间分配图程序存储器通常用于：(1) 存储程序和表格等固定常数(2)系统程序启动地址0000H为程序存储器中的地址(3) 管脚决定访问片内还是片外程序存储器每个中断源的中断服务程序入口地址是固定的程序存储器，如下表9所示：表3-1-5 5个中断源的中断入口地址中断源中断入口地址外部中断 00003H定时器 T0000BH外部中断 10013H定时器 T1001BH串行端口0023H从表中可以看出，中断入口间隔只有8个单位。一般来说，仅仅存储中

22、断服务子程序是远远不够的。因此，我们经常习惯在这些中断入口处写一条跳转指令。相应的中断服务子程序9 。数据存储空间分为片上和片外数据存储。由于本设计不涉及片外扩展，这里只介绍128字节RAM的相关情况，如下表所示。表3-1-6切片数据存储空间分配单片机通过特殊功能寄存器SFR控制芯片的各个功能部件。片内 RAM 上共有 26 个 SFR 映射区，对应地址为 80HFFH。具体情况如图3-1-4。阴影部分为新增的 5 个 SFR。图3-1-4特殊功能寄存器名称及分布3.2 热电偶简介3.2.1热电效应和微观解释热电效应定义：两个不同材料的导体A和B串联起来形成一个闭合回路。当两个结的温度不相连时

23、，会在回路中产生热电势，形成电流。这种现象称为热电效应1 。该图3-2-1显示了热电偶的工作原理。的3-2-1工作原理1821 年，塞贝克使用不同材料的金属制成了一个非开闭环。当他加热其中一个点时，他注意到指南针转动了一个角度。当他再次同时加热两个节点时，他发现放置在回路中的罗盘的偏转角不仅没有增加，反而变回了。从罗盘的偏转可以得出一个结论：当两个结的温度不同时，回路中会产生一个电动势并伴随着电流的流动，而电流的大小与温度有关。连接1 。两个接触点的势能公式可写为：( 3-2-1)( 3-2-2)热电偶电动势公式可写为：( 3-2-3)由于闭环的热电势太小，往往被忽略，所以公式可写为：( 3-

24、2-4)如果选择了热电偶的类型并且已经明确了冷端的温度，可以用一个对应的固定值来表示，公式可以改成：( 3-2-5)当连接两种不同的金属A和B时，可以推断出自由电子会在连接点扩散，因为不同金属中自由电子的密度不同。自由电子将从高密度金属 A 扩散到低密度金属 B。密度大的金属会失去e，从而带正电，密度小的金属带负电，形成热电势。当他将另一种金属材料插入热电偶回路时，但必须保持第三种金属材料连接的两个触点的温度完全相同，那么热电偶产生的热电势将是恒定的，即第三种金属插入该回路不会对热电偶产生的热电势产生任何影响。因此，在使用热电偶测量温度时，内容连接测量仪器，我们可以通过测量热电动势来获得被测介

25、质的温度。如果热电偶的材料成分已经确定，那么热电势的大小只与热电偶两端的温差有关。如果热电偶冷端的温度保持在一个稳定的恒定值，热电偶的热电势与工作端的温度将只呈现单值函数关系。热电偶温度传感器的制造和使用就是基于这一原理1 。3.2.2热电偶类型和冷端补偿一般来说，热电偶温度传感器可分为1 ：标准热电偶和非标准热电偶。从字面上讲，我们所说的标准在某些性能方面是符合国家统一标准规定的，而这些规定往往有配套的显示仪器进行测试或测试。非标准的热电偶在一定程度上总比标准化的热电偶好，而且刻度也不统一，多用于一些特殊场合。 1988年1月1日，我国所有热电偶、热电阻均按国际标准统一设计。标准化热电偶温度

26、传感器类型有S型、B型、E型、K型、R型、J型、T型1 。用热电偶测量时，应使冷端温度保持恒定，使热电偶的热电势与被测温度之间存在一定的函数关系。事实上，冷端的温度并不总是恒定的，而是一直在变化。因此，为了获得所需的热电势，必须解决补偿问题。如果由于冷端温度的变化而无法消除影响真实温度的测量，就会造成比较大的测量误差。补偿电位随冷端温度变化的特性必须与热电偶的热电特性一致，才能获得最佳补偿效果12 。热电偶温度补偿公式3如下：( 3-2-6)其中，实测电动势用 表示；热端的温度由下式表示；冷端的温度由下式表示；零摄氏度由3表示；3.2.3热电偶选择一般来说，对于一些特殊热电偶的选择，可以考虑以

27、下几个方面。1.根据测温范围选择(1)当被测温度在13001800之间，对测温精度要求较高时，一般选用B型热电偶。（2）当被测温度超过1800，而被测温度对于所在的气体气氛是可以接受的，并且对测温精度要求不是很高时，一般首选热电偶一般是钨铼热电偶；(3)当被测温度在10001300之间，对测温精度要求较高时，一般情况下一般选用热电偶。 S型热电偶或选用的热电偶为N型；(4)当被测温度在1000以下时，热电偶一般为K型热电偶和N型热电偶；(5)当被测温度在400以下时，热电偶一般为常用的E型热电偶；(4)当被测温度范围在250以下，或者被测温度范围在0以下时，一般来说，热电偶一般为T型热电偶，因

28、为相对来说，在温度比较低的环境下使用时， T型热电偶变化不大，测量误差比较小，测温精度也比较好。2、根据使用环境来选择(1)当被测温度处于强氧化弱还原气体气氛时，可考虑S型、B型、K型三种热电偶；（2）当被测温度处于氧化性较弱，而还原性气体气氛较弱时，可考虑J型和T型两种热电偶；（3）当被测温度对其所在的气体气氛有非常非常好的保护作用时，这种情况下，对于可以考虑的热电偶类型，一般来说不会有太严格的要求;3.根据可持续使用时间选择(1)就热电偶的使用而言，其持续时间和响应时间不能同时得到保证。可持续使用时间越长，其响应时间越长；(2)有一个热电偶，其热容量比较大，所以它需要的响应时间会比较长。当

29、我们需要测量的温度变化比较大时，这个热电偶控制温度。会很糟糕。(3)如果非要选择响应时间快、可持续使用时间有一定延长的热电偶，一般来说热电偶一般都是铠装热电偶。就K型热电偶而言，据我所知，它经常与一些用来显示记录效果的仪器配合使用。 K型热电偶可以测量的温度范围是0摄氏度到1300摄氏度1 。测量对象不仅可以是气态介质，也可以是固态和液态蒸汽。现在最常用的低成本金属热电偶就是对应的K型，它的用途几乎可以表示为其他热电偶用途的叠加。 1.24.0mm是常用的K型热电偶线径10 。正极(KP)的组成比为：Ni的比例为92 /104 ，Cr的比例为12/104 ；负极（KN）的组成比为：Ni的比例为

30、99 /102 ，Si的比例为3/102 ；可在-200摄氏度的低温环境到1300摄氏度的高温环境下使用。当我们对K型热电偶进行操作时，我们会发现它不仅具有很好的线性关系11 ，而且被测电动势也不弱，而且一旦被测物质平均每单位发生变化，就会极大地影响响应。体积等特性，使用时一般不会不稳定。此外，它还有很多可取之处，例如使用中一般不会出现不均匀的情况。 K型热电偶一般用于氧化惰性气体，在没有任何保护措施的情况下不能用于还原或还原氧化气体（高温条件）。不推荐使用 K 型热电偶进行温度测量。经过上面对热电偶的一些表述，可以知道K型热电偶已经完全满足了本设计需要完成的测温功能。因此，本设计拟选择K型热

31、电偶作为温度采集装置。3.3 芯片MAX6675介绍3.3.1芯片MAX6675的结构图我这次的设计使用了集成的MAX6675芯片，它是使用Serial Peripheral接口总线7 （Serial Peripheral Interface SPI）作为串行传输的一套专用的冷端补偿和模拟电压转换数字。超级实用的芯片。由于其高可靠性和稳定性，MAX6675已被广泛应用于许多不同的场合和不同的领域。如图所示为结构图。图3-3-1芯片结构图3.3.2芯片特性芯片可以摘要如下4(1) 串行数据传输 (SPI)(2)温度测量范围在零摄氏度到一千二十四摄氏度之间(3) 12字节分辨率0.25摄氏度(4)

32、差分放大器的输入阻抗比较高(5)芯片已经具备冷端补偿功能(6)可检测热电偶是否断开(7) 仅需 +5V 电压供应(8) 两千伏静电放电（Electro-Static discharge，简称ESD）保护4(9)工作环境温度在-20摄氏度到-85摄氏度之间4(10) 耗电量比较小芯片引脚图如图3-3-2，引脚功能表如表3-3-1图3-3-2芯片引脚表3-3-1芯片引脚功能别针姓名功能1接地接地端口2T-K型热电偶负极3T+K型热电偶正极接口4VCC+5V电源输入端口5SCK串行时钟输入端口6CS片选端口，低电平有效，使能串行接口7所以串行数据输出端口8数控开着3.3.3芯片工程芯片将第二脚和第三

33、脚接收到的微弱电压信号通过该部分的低噪声运放放大，然后利用该部分的电压跟随器缓冲数据，然后将电压数据致到模拟和数字化仪进行数字化。在数据发出之前，还需要对数据进行补偿。对于K型热电偶，电压变化率为每摄氏度41微伏，电压输出公式可近似为下式：( 3-3-1)式中：表示测量点的温度，表示周围环境温度。最后，通过串行数据输出端口SO与单片机连接进行数据传输4 。3.3.4芯片温度补偿当热电偶冷端温度发生变化时，芯片仍能准确测量温度。芯片在对测量温度进行补偿时，通过该部分的温度检测二极管将周围的温度转换成需要的补偿电压，加到已经测量的电压上，再通过模数转换器将电压值数字化的一部分。 4 ，从而可以得到

34、与热端温度对应的电压值。如果热电偶冷端的环境温度与热电偶的温度相同，它的测量精度就会达到很好的状态。经过以上描述，我们可以得出结论，为了尽可能避免测量时出现误差，一定要做好芯片周围的检查工作，一些会发热的元器件周围不要出现。另外，芯片对电源引起的耦合噪声非常敏感，因此在电源和芯片的接地引脚之间应连接一个电容值为0.1微法的陶瓷电容，以降低电源噪声。它是测量的。影响4 。3.3.5芯片温度测量芯片通过串口输出测得的温度数据。图为3-3-3芯片串口测得的温度输出格式。图形3-3-3芯片输出格式从图中可以看出，芯片输出格式的第1、15位是伪标志位。一般来说，它们用低电平信号0表示。第十四到第三位是要

35、读取的12个有效温度和电压数据位。第二位是烧断检测位。一般来说，它通常以低电平表示。如果变为 1 的高电平，则表示开始 Enter 断线检测操作4 。第一位是芯片的身份位。为0的低电平信号时，提供身份码，第0位表示三态4 。串口输出的具体过程是控制器先发出信号，使芯片的片选端变成低电平选通，这样就可以为SCK提供时钟信号，读取测得的温度和电压数据通过端口 SO 4输出。然后芯片的片选端再次变为高电平，数据转换过程不再转换，转换结束。十六个时钟周期可以形成一组串行数据，在时钟信号sck的最后一个下降沿读取十六位输出数据。芯片的串口时序图如下：图3-3-4芯片时序如图是芯片时序图，其中数据口的第3

36、到第14位为12位有效数据，最小值为0000H，对应零摄氏度的真实温度，最大值为FFFH，对应实际温度1023.75摄氏度。芯片部分校正后，可将温度与数字量一一对应，公式可表示为：( 3-3-2)式中，用T表示测得的温度值；用M表示十六进制数据转换为十进制所代表的数值。另外，我们在使用芯片的时候，还需要注意热电偶的负极接入口一定要接地，而且接地口要尽量靠近芯片的接地管脚4 .3.4 芯片介绍3.4.1芯片结构图如图3-4-1所示为芯片的部分结构图。图3-4-1芯片部分结构图3.4.2芯片引脚图芯片管脚示意图如图3-4-2，管脚功能表见表3-4-1图3-4-2芯片引脚表针3-4-1功能表表3-4

37、-2相关寄存器和控制字3.5 芯片介绍如图所示3-5-1，各引脚功能图如图3-5-2所示。芯片图3-5-1图3-5-2管脚功能图表3-5-1基本操作表3.6 系统硬件电路设计本次设计的系统硬件电路部分主要由热电偶和MAX6675温度处理电路、4X4矩阵键盘电路和LCD1602液晶显示电路组成。这种设计还可以通过调整时间来达到实时显示时间的目的）。(1) 热电偶采用K型分度值。热电偶的工作端接MAX6675芯片的第3脚4 ；热电偶的自由端连接到 MAX6675 芯片的第二个引脚4 。(2)MAX6675芯片与单片机的数据通信不是常用的并口，而是通过串口进行的。本系统采用AT89S51单片机控制具

38、有冷端补偿的MAX6675温度转换芯片。(3)本系统的设计不仅显示温度，还具有在显示温度的同时显示温度所测得的时间的特点。之所以能显示当前时间，是由DS1302芯片控制的。(4)除上述外，设计还可以通过键盘修改时间，使测得的温度与时间相对应，从而达到设计的初衷和最终目的。测得的温度最终可以通过 LCD 来表示。3.6.1电源电路设计图3-6-1电源电路设计这部分电源电路的设计在当代社会生活中已经有多种风格。其中，课程设计中用得最多的就是用整流桥加稳压芯片，再通过电容滤波得到DC5V的电源，供单片机正常工作。这种设计并非如此。电源电路部分，我使用USB接口提供DC5V供电。设计简单实用，省去了很

39、多复杂的步骤，而且价格也不贵。这是一个非常有用的设计。3.6.2热电偶和 MAX6675 电路设计本设计避免了使用模拟电路实现温度采集、补偿和转换的复杂设计思路，采用集成芯片MAX6675实现测温所需功能。具体连接方法如图3-6-2所示。图3-6-2热电偶与MAX6675连接电路从图中可以看出，热电偶与集成芯片MAX6675的连接非常简单。具体的连接方式在介绍芯片的时候已经提到过，这里不再赘述。接下来讲一下芯片与单片机的连接。从图中也可以看出，它和单片机之间只有三根线连接，这样就可以实现本设计的温度测量，接单片机的P1.3口。第 7 脚 SO 为串行数据输出脚，实现数据传输功能。在所有三个传输

40、线上都添加了一个电容值为 1nF 的陶瓷电容器。这样做的目的是为了提高数据传输的稳定性，同时也可以防止周围的电磁干扰造成一定的干扰4 。并且在电源和地之间连接一个0.1uF的陶瓷电容，这样可以降低电源噪声对芯片测量精度的影响4 。3.6.3时钟和复位电路设计本次单片机时钟与复位电路的设计采用了应用最为广泛的经典电路。其中，时钟电路采用单片机的时钟连接方式，复位电路采用按键复位电路9 。具体连接方法如图3-6-3所示。图3-6-3MCU时钟和复位电路9振荡频率为 11.0592Hz 和两个相同的陶瓷电容器，电容值为 30PF。同理，按键复位电路也采用了一个经典电容值的10uF电解电容，通过复位脚

41、RST接到+5V电源，再用一个2K欧的电阻连接其中一个最重要和不可或缺的钥匙。它组合在一起实现复位操作。3.6.4实时电路设计这一次的出现是使用最广泛、非常经典的电路连接方式。具体连接方法如图所示3-6-4。图3-6-4时间显示连接电路从图中可以看出，时间的显示是由一个非常经典的芯片DS1302来完成的。它是一款应用广泛、高性能、低功耗、自带内存、工作电压范围宽、具有掉电保护功能的集成芯片。它可以精确计算当前时间，并且可以通过编程调整年、月、日、周、时、分、秒，完全达到了本次设计的目的。该芯片可以计算闰年，实现年份的准确显示。此外，该芯片还可以（在突发模式下）一次传输多个随机存取存储器（RAM

42、）数据或字节时钟信号6 。DS1302的X1和X2引脚之间连接的晶振为32.768kMZ晶振，DS1302的第5脚接单片机的P3.0脚，第6脚接P1.7单片机的引脚。 ,第七脚接单片机的P1.6脚，VCC2接DC+5V电源电压，VCC1接两节干电池。3.6.5键盘电路设计一、键盘的两大类：1.非编码键盘2.编码键盘2.根据网上查到的资料和我所学的教材，非编码键盘可以分为：1. 独立键盘2.矩阵键盘。因为这个设计需要的按键数是16个，所以拒绝独立键盘的主要原因是I/O口繁忙，换了矩阵键盘。这种设计使用了最经典的一种，矩阵键盘。 44矩阵键盘只需8条线（行连接线数与列连接线数之和）即可与单片机连接

43、。这种方式最突出的优点是占用I/O线少，所以广泛用于需要较多按钮的场合。图3-6-5键盘电路从图片中可以很明显的看出，这个设计不仅仅是键盘，还包括了两个常见的芯片74LS04和74LS30。这里先说明一下74LS04芯片，它是一个14脚非门（NOT）专用芯片，其中两个是第14脚供电和第7脚接地，其余十二个构成6个非门。图中，1脚代表NOT门的输入端，2脚为输出端与单片机外部中断0脚的连接。芯片74LS30是一个14脚8输入与非门，与74LS04芯片相同。第14脚接电源，第7脚接地，16、11、12脚为8个输入端。它们分别连接在控制器的P2端口和键盘的行列线之间。十六个按键代表从零到九的数字，两

44、个按键用于停止和恢复数据采样，三个按键用于调整时间，最后一个按键用于调用温度。当最后一个键被按下时，进入调用子程序，光标置于时间位置，计数器开始计数，每按下一个键，光标下移计数器值加一，当有六个键按下时，找到记录数据的地址，然后依次与记录数据进行比较。如果相同，则显示这部分数据，即期望值。键盘最常见的两种工作原理之一是扫描方式。另一种在我看来不是很流行的方法是线反转法。本文主要介绍本设计中使用的扫描方法来识别键盘过程。1. 没有按键。首先将所有列线设置为 0，读取的行线的状态为高（1）。如果不全为1，则有按键关闭，否则没有按键按下。2. 确认按钮。让一列先设为低电平（0），其余列设为高电平（1

45、）。假设此时按键3被按下，当第一列设为低时，其余列为高，此时第一列的行线全部为高；当第二列设置为低时，其余列为高，发现第一行的行线仍然不高；直到第四列设置为低，其余列为高，会发现此时的行线变低，从而可以知道按键3被按下。简而言之，我认为扫描方法的工作原理是这样的：(1) 一列先设为低电平(0)，其余列设为高电平(1)。(2)依次查看每一行的电平，然后观察电平是否从1变为0。如果某一行的电平从1变为0，那么我们可以确定按下的键在这一行，在哪里此列相互连接。知道哪个键关闭后，就可以读取对应的键值，然后转入对应键的处理子程序，实现设置功能。键盘的工作方式可以是1.中断扫描方式2.程序扫描方式3.定时

46、扫描方式这里主要结合上图介绍本设计中使用的中断扫描方式。当没有按键按下时，芯片74LS30的输出电平为0，经过芯片74LS04的一个非门后，输出为1，此时控制器不会响应中断请求。但是，只要按下一个键，8输入与非门芯片74LS30的一个输入端就会变为低电平。此时芯片的输出为高电平，再经过芯片74LS04的非门，如果输出为0，则向外部中断0致中断请求，单片机响应该请求，则扫描识别按下的键盘，然后跳转到按键对应的键盘子程序地址执行相应的程序。基于以上，我们可以总结出实现这个方法的3个步骤：(1) 中断时扫描(2) 扫描方式确定按键(3)输入key对应的地址执行3.6.6显示电路设计关于显示电路的设计

47、，目前有数码管显示和液晶屏显示。这里主要介绍的是本次设计中使用的液晶显示屏。因为要达到实时显示和记录温度值的效果，但是用数码管的显示方式显然很难做到。即使能达到这样的效果，使用的数码管数量也是非常可观的。东西远不如显示屏。与数码管相比，显示屏的使用更加直观，省去了很多繁琐的步骤，所以本次设计所需的显示器采用液晶屏。电路。电路图3-6-6_本设计中所设计的电路的具体连接方式在图中可以清楚的看到。 LCD 显示器的 8 个数据引脚与控制器的 P0 口相连，进行数据传输。在本设计中，由于时间和温度都需要，而且数据只能从P0口传输，因此采用了分时复用的设计思想，巧妙地达到了预期的效果。4 系统软件流程

48、设计本系统的软件工作流程首先需要对所使用的芯片进行初始化，然后开始采集温度数据，然后使用MAX6675芯片对采集的温度数据进行AD转换、冷端补偿和部分校正。然后对转换后的16位数据进行处理，提取出12位有效温度数字量。最后将转换后的串口数据致给单片机，单片机将数据致给LCD1602，这样就可以在上面显示测量的温度。 ;定时器 1S 中断记录数据一次。同时，核心DS1302用于显示实时动态温度数据的实时时间。接下来，设计系统将采用时分复用的方式在LCD1602显示屏上显示时间。此外，用户还可以通过按键调整时间，保证时间的准确性，还可以通过矩阵键盘调出记录的数据进行观察。4.1 主程序流程图4.2

49、 中断子程序流程图4.3 按钮子程序流程图5 Proteus 模拟仿真示意图：结束语对我来说，这个毕业设计可以说是有着非常非常重要的意义。对于设计，我几乎可以说我把之前学过的知识从头到尾都看了一遍。本设计的主题涉及硬件和软件；微控制器和传感器。首先是温度采集部分。本来我的打算是用模拟电路来设计，但是在设计过程中发现热电偶需要冷端补偿。根据陆立平老师提供的资料和我在网上查到的相关资料，发现温度补偿电路的设计过于复杂，设计并不能有效保证这个功能的实现.后来在书里找到了芯片MAX6675，感觉自己所有的烦恼都被它解决了，整个人状态都很好，甚至开始有些自满。接下来是温度显示部分。一开始，因为对这个项目

50、要实现的功能没有完全理解，觉得实现温度显示就够了，所以选择使用数码管显示。在与老师的交流中，我发现自己设计的数码管显示模块根本忘记设计驱动电路，整个系统根本无法显示。老师说，不仅仅是数码管的驱动问题，数码管只能显示温度，无法实时检测记录温度。您可以考虑使用显示屏。最后在老师的建议下，开始看液晶显示器相关的模块问题，和同行商量后，决定用电路做显示模块。然后是键盘设计部分。按照我的想法，我本来想像网上很多设计一样使用3个独立的按键：一个用于停止采样和调用记录的温度，第二个用于乘法键。（1）如果不按第二个键，直接按第三个键，此时如果每按一次第三个键，显示会以当前时间为准，每回退1秒时间。记录的温度；（2）按下X5挡，即此时若未再次按下第三个按键，则显示温度以当前时间为准，记