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：64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

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传感器原理及应用课程设计设计名称

设计周数

周设计任务主要设计参数设计内容设计要求主要参照资料学生提交归档文件注：课程设计达成后，学生提交的归档文件应依照：封面—任务书—说明书—图纸的序次进行装订上交（大张图纸不用装订）。可依照实质内容需要续表，但应保持原格式不变。一、设计方案设计中采用了两个方案，详尽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组成的,其体积大,使用不够方便,而且在改变桥路电源或热电偶种类时需要重新调整电路的元件值。主要包括温度收集电路、信号放大电路、A/D变换电路、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。冷端AD590冷端补偿电路模块模数转热端热电偶变换和放大电路模块换LED显示模块图1：分立元气件冷端补偿

单片机模块方案二：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温度变换芯片拥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变换成补偿电压，另一方面又经过模数变换器将热电势和补偿电压变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，即为实质温度数据。主要包括温度收集电路、MAX6675温度变换电路、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，变换为简单测量的电压值，经过放大器放大信号后送给A/D变换器把模拟电压转为数字信号，再传给单片机AT89S51，单片机再依照公式换算把测量得的温度传感器的电阻值变换为温度值，并将数据送出到数码管进行显示。综合比较以上两种方案，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变换芯片不但能很好的解决冷端温度补偿及温度数值化问题，并除掉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。二、传感器的选择:物体的冷热水平能够经过温度来衡量，从分子水平看，又能够表示物体分子运动状态，温度越高，分子运动越强烈。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能够分。温度的测量在工业、农业生产中必不能够少，在工业生产中甚至需要时刻观察温度的变化。所以经过对温度的测量和测温设备的研究拥有非比平时的意义。在社会生产力的不断提高低，对温度测量系统收集的温度数据方法要求越来越高，已经浸透到社会方方面面。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，员工不能够长时间停留观察设备运转正常或由于其他原因不能够在现场。这是找到最正确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解析与办理；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办理方式，工作辛苦，精确度不高。而且在实质操作中，由于大棚的诸多环境限制因素，例如占地面积广、测量点分别而且数目多，所以这种测量方式已经被裁汰。当前的科技水平下，为了获取更大的效益促使我们必定找到一种精确、简略易行的温度收集测量方法。在科学技术的不断发展下，现代社会对各种参数：正确度和精美度的要求有一个几何增加。在以此基础上，如何快速、正确获取这些参数需要依赖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今世三大信息收集技术，而这之中传感器技术遥遥当先其他两种技术，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能够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。常用的热电阻资料有铂、铜、镍、铁等，它拥有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能牢固、优秀的线性输出特点等，常用的热电阻如PT100、PT1000等。近来几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，这些芯片的显着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，其实质均为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近来几年也比较流行的I2C总线，这些自己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变换电路，过程比较繁琐，集成度低，而且各个电路存在误差，这些误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，本次测温电路采用K型热电偶，配合MAX6675达成测温系统。热电偶是工业中常用的温度测温元件，拥有以下特点：①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；②热响应时间快：热电偶对温度变化反应矫捷；③测量范围大：热电偶从-40+1600℃均可连续测温；④性能可靠，机械强度好；⑤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变换、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型热电偶模数变换器

,即一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、

AD变换器及

SPI

串口的热电偶放大器与数字变换器。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。所以，本次电路设计采用K型热电偶。三、硬件介绍、K型热电偶型热电偶大要K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶平时和显示仪表，记录仪表和电子调治器配套使用。K型热电偶能够直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽平易体介质以及固体的表面温度。K型热电偶平时由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。型热电偶是当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～。K型热电偶拥有线性度好，热电动势较大，矫捷度高，牢固性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格低价等优点，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。若是将热电偶的热端加热，使得冷、热两端的温度不相同，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相同的导体相互接触时产生的一种热电势。当两种不相同的导体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而且NA>NB，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获取电子而显负电。所以，在A、B两导体的接触面上便形成一个由A到B的静电场，这个电场将阻拦扩散运动的连续进行，同时加速电子向相反方向运动，使从B到A的电子数增加，最后达到动向平衡状态。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相关，当两种导体的资料必然，接触电势仅与其接点温度相关。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，接触面地方产生的电动势就越大，即接触电势越大。MAX6675MAX6675大要热电偶作为一种主要的测温元件，拥有结构简单、制造简单、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率域时，却存在着以下几方面的问题。①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，所以在应用时必定进行线性化办理。②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，而在实质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。③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。所以,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变换、查表线性化、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。若是能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中,即采用单芯片来达成信号放大、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。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变换器,内部拥有信号调治放大器、12位的模拟数字化热电偶变换器、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；可将温度信号变换成12位数字量，温度分辨率达℃；内含热电偶断线检测电路。冷端补偿的温度范围-20℃～80℃，它的温度分辨能力为0.25℃，能够测量0℃～℃的温度，工作电压为3.0～5.5V。MAX6675的主要特点以下：①简单的SPI串行口温度值输出；②0℃～+1024℃的测温范围；③12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低功耗特点；⑨工作温度范围-20℃～+85℃；⑩2000V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，引脚功能以下表所列。图4：MAX6675引脚排列MAX66475引脚功能以下表所示：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8.空引脚MAX6675的工作原理与功能依照热电偶测温原理，热电偶的输出热电势不但与测量端的温度相关，而且与冷端的温度相关，使用硬件电路进行冷端补偿时，虽能部分改进测量精度，但图5：MAX6675工作原理由于热电偶使用环境的不相同及硬件电路自己的限制性，收效其实不显然；而使用软件补偿，平时是使用微办理机表格法或线性电路等方法来减小热电偶自己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。温度变换MAX6675内部拥有将热电偶信号变换为与ADC输入通道兼容电压的信号调治放大器，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搅乱源隔断。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大，再经过A2电压随从器缓冲后，送至ADC的输入端。在将温度电压值变换为相等价的温度值以前，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℃实质参照值之间的差值。对于K型热电偶,电压变化率为41μ/℃,电压可由线性公式Vout=（41μ/℃）×（tR-tAMB）来近似热电偶的特点。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。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℃～+℃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。当冷端温度颠簸时，MAX6675还可以精确检测热端的温度变化。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、安装技术和通风收效。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。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的电源引脚周边接入1只μF陶瓷旁路电容。测量精度的提高热电偶系统的测量精度可经过以下预防措施来提高：①尽量采用不能够从测量地域散热的大截面导线；②如必定用小截面导线，则只能应用在测量地域，而且在无温度变化率地域用扩展导线；③防备受能拉紧导线的机械挤压和振动；④当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；⑤在温度额定值范围内使用热电偶导线；⑥防备急剧温度变化；⑦在严劣环境中，使用合适的保护套以保证热电偶导线；⑧仅在低平易小变化率地域使用扩展导线；⑨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。MAX6675SO端输出温度数据的格式如图

3所示，MAX6675SPI接口时序如图4所示。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程以下：MCU使CS变低并供应时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。CS变低将停止任何变换过程；CS变高将启动一个新的变换过程。一个完满串行接口读操作需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序次排列的变换温度值；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满由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必定接地，并使能地点尽可能凑近GND脚；第1位为低以供应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，采用美国ATMEL公司生产的AT89C51型单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失储藏器制造技术制造，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和闪烁储藏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供应予下标准功能：4k字节的flash闪速储藏器，能够屡次擦除100次，128字节内部RAM，4个8位并行I/O口，两个16位准时/计数器，一个向量两级中断结构，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、悠闲方式停止CPU工作，但赞同RAM，准时/技术器，串行通信口及中断系统连续工作。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P0~P3，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。P0~P3的端口寄存器属于特别功能寄存器系列。这四个端口除了能够按字节寻址外还可以够位寻址。其中P0口为漏极开路作为输出使用时应外加上拉电阻，P3口既能够做为一般I/O口使用，还可以够作为特定的功能引脚。诚然51单片机只有一个串口接口，但其I/O口既能够用字节寻址也能够位寻址，这样在实质应用中，我们就可以经过模拟不相同总线的时序特点来实现各种数据的传输。AT89C51单片机内部有一个功能富强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（准时器控制波特率）。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准时器来控制，而且每当串行口接收或发送1B达成，均可发出中断央求。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，能够显示0~9等10个数字和小数点，使用特别广泛。图10：（a）管脚排列（b）共阳结构设计中采用的是7SEG-MPX4-CA，以以下图示：1234为位选，ABCDEFGDP为段码。图11：ABCDEFGDP为段码四、硬件电路、温度收集变换电路模块温度收集电路模块包括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℃～+℃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。当冷端温度颠簸时，MAX6675还可以精确检测热端的温度变化。MAX6675是经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经过内部的温度检测二极管变换为温度补偿电压，为了产生实质热电偶温度测量值，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中变换，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可获取最正确的测量精度。所以在实质测温应用时，应尽量防备在MAX6675周边放置发热器件或元件，由于这样会造成冷端误差。图12：温度收集变换电路模块、放大电路放大器的输入信号Vin=Vout=（V+-V-）。依照电路图能够获取方程：VA+=300V-/(300+30)

①VA-=VA+②（V—Vo）（R1R4）（VA-—Vo）R4③联立方程可得：Vo=-10(V+-V-)=S-10Vout、电压随从器依照电路图可得：Vin=-Vout、A/D变换电路MAX6675内部有自带12位AD变换器,在数字控制器的作用下,A/D变换器将模拟信号变换为数字量输出。AD量化单位：q=5V/4096变换结果：D=Vin(mV)/q(mV)五、整体电路设计图13：整体电路设计六、软件设计：软件包括四个函数：主函数、读取AD变换数值函数、显示函数、延时函数。#include""#include""//_nop_( );延时函数用#defineucharunsignedchar//用uchar代替unsignedchar，1字节0-255#defineuintunsignedint//用uint代替nsignedint，2字节0-26653sbitSO=P1^0;//口与SO相连sbitSCK=P1^1;//口与SCK相连sbitCS=P1^2;//口与CS相连uintj;floatwendu;uintRead_AD( );//AD变换数据数据读取，并返回值voidDisplay_temp( );//温度显示ucharqian=0,bai=0,shi=0,ge=0,xiao=0;//初始化LEDuinttemp;ucharcodetab_1[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//共阳LED段码表ucharcodetab_2[10]={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"ucharcodetab_3[4]={0x01,0x02,0x04,0x08};//位码uintRead_AD( )//AD变换数据读取子函数，并返回值

"9"{uchari;unsignedlongTemp_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;i<16;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;}elseTemp_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}voidDisplay_temp( )//温度显示子函数{uinttemp=wendu;temp=temp*10;if(wendu<=500)//最高读取温度设定为800摄氏度{bai=wendu/1000;//取百位数字wendu=wendu%1000;shi=wendu/100;//取十位数字wendu=wendu%100;ge=wendu/10;//取个位数字wendu=wendu%10;xiao=wendu;动向扫描显示各位数字，口输出位码P3=0x00;P0=tab_1[bai];P3=tab_3[0];for(j=300;j>0;j--);

//

//

显示百位数字延时P3=0x00;P0=tab_1[shi];P3=tab_3[1];

//

显示十位数字for(j=300;j>0;j--);P3=0x00;P0=tab_2[ge];P3=tab_3[2];

//

显示个位数字for(j=300;j>0;j--);P3=0x00;P0=tab_1[xiao];P3=tab_3[3];

//

显示小数位for(j=300;j>0;j--);}}voidmain( )

//

主程序{for(j=300;j>0;j--);while(1){wendu=Read_AD( );//Display_temp( );//}

热电偶数据读取，返回温度温度显示}七、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，尔后开始仿真，从200℃到500℃随机采用几组温度值，记录LED显示的数值。实质温度值与测量温度值以下表示：温度值233281354420487测量值232282355420487八、误差解析在系统设计过程中难免会有误差，虽不能够绝对地除掉，但我们能够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，但是该系统存在必然的热响应时间，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必然的误差，此后在放大、AD变换、和数字量化的变换过程中也会由于热噪声或其他的搅乱源带来变换的误差，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