MAX6675的温度传感器报告

1、MAX6675的温度传感器报告实验项目：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：全文结束001864学生姓名：李康泽全文结束年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：封面说明 书一温度，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

2、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第1页共1页 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

3、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

4、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 料有铝、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MAX65第1页共1页76、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

5、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

6、；测量范围大：热电偶从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50帖片封装。引第1页共1页脚排列如图4所示，引脚功能如下表所列。图4：脚乂6675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5S

7、CK串行时钟输入6CS片选端，CS为低 时、启动串行接口75。串行数据输出8比口空引脚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，MA

8、X6675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人1，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 噪声放大器人1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，它需要对第1页共1页 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 日

9、 /, 电压可由线性公式Vout= （41日/）X（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

10、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、1口尸陶瓷旁路电容。（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第1页共1页 偶导线；仅在低温和小变化

11、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 ，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

12、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6刈脚；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

13、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闪速第1页共1页 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 ，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，片内振荡器及时钟电路。同时，人18K51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RCPU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

14、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 口既可以做为普通上。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。其串行有四种工作方式

15、：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。第1页共1页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

16、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+1023、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

17、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第1页共1页4、2、放大电路放大器的输入信号Vin=Vout= (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+)= S-10 Vout4、3、电压跟随器根据电路图可得：Vin =255#define uint unsigned int /用 uint 代替 n

18、signed int, 2 字节 0-26653sbit SO=P1-0； /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=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0

19、 x82,0 xF8,0 x80,0 x90； 共阳 LED 段码表 uchar code tab_210=0 x40,0 x79,0 x24,0 x30,0 x19,0 x12,0 x02,0 x78,0 x00,0 x10； 含小数点共阳段码0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 uchar code tab_34 = 0 x01,0 x02,0 x04,0 x08； 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_()第1页

20、共1页 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|0 x01; else Temp_2=Temp_2|0 x00;_nop_(); SCK=0;_nop_(); Temp_2=Temp_2&0 x7FF8; 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; te

21、mp=temp*10;if(wendu0;j-); 延时 P3=0 x00; P0=tab_1shi; P3=tab_31; 显示位数字 for(j=300;j0;j- -);P3=0 x00; P0=tab_2ge; P3=tab_32; 显示个位数字 for(j=300;j0;j-); P3=0 x00; 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)第1页共1页 wendu=Read_AD()； /热电偶数据读取，返回温度 Display_temp()；

22、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

23、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：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，使用合适第1页共1页 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。9、总结体会本文主要采用K型热电偶、K型热电偶专用数字