MAX6675的温度传感器报告.docx
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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
实验地址：
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
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
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依照：
封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸没必要装订）。
2.可依如实际内容需要续表，但应维持原格式不变。
一、设计方案
设计中采纳了两个方案，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组成的,其体积大,利用不够方便,而且在改变桥路电源或热电偶类型时需要从头调整电路的元件值。
要紧包括温度搜集电路、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
采纳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灵敏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。
要紧包括温度搜集电路、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，通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，单片机再依照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。
综合对照以上两种方案，方案一电路复杂，且测量不精准照成误差较大，方案二采纳集成温度转换芯片不仅能专门好的解决冷端温度补偿及温度数值化问题，并排除由热电偶非线性而造成的测量误差,且精准度高，可实现电路的优化设计。
故最后采纳方案二。
二、传感器的选择:
物体的冷热水平能够通过温度来衡量，从分子水平看，又能够表示物体分子运动状态，温度越高，分子运动越猛烈。
物体温度改变后显示出的一些特点只能够由温度间接测量。
最大体的环境方式——温度，对周边环境会产生重要阻碍、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，在工业生产中乃至需要时刻观看温度的转变。
因此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低，对温度测量系统搜集的温度数据方式要求愈来愈高，已经渗透到社会方方面面。
温度的测量要紧应用于工业、农业这两大领域。
在这两大领域中，不管是机械的正常运转仍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，员工不可长时刻停留观看设备运行正常或因为其他缘故不能在现场。
这是找到最正确的方式搜集数据的迫切需要，将数据发送到一个比较好操作的操纵室，便于工作人员对数据的分析与处置；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置方式，工作辛苦，精准度不高。
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、测量点分散而且数量多，因此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咱们必需找到一种精准、简便易行的温度搜集测量方式。
在科学技术的不断进展下，现代社会对各类参数：
准确度和周密度的要求有一个几何增加。
在以此基础上，如何快速、准确获取这些参数需要依托现代信息的进展水平。
传感器技术、通信技术、运算机结构技术并称今世三大信息搜集技术，而这当中传感器技术遥遥领先其他两种技术，专门是传感器技术中关于温度的测量。
因此研究温度的搜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。
关于本课题而言，基于测温线的温度测量系统能够较为简练方便的测量出温度。
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。
经常使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、物理性能稳固、良好的线性输出特性等，经常使用的热电阻如Pt100、Pt1000等。
最近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MAX657六、MAX6577，ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著优势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的数字接口那么为最近几年也比较流行的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。
采纳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，进程比较繁琐，集成度低，而且各个电路存在误差，这些误差通过量级电路后形成较大误差，严峻阻碍测量温度值。
为了电路简练方便集成度高，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。
热电偶是工业中经常使用的温度测温元件，具有如下特点：
①测量精度高：
热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的阻碍；
②热响应时刻快：
热电偶对温度转变反映灵敏；
③测量范围大：
热电偶从-40+1600℃都可持续测温；
④性能靠得住，机械强度好；
⑤利用寿命长，安装方便；
可是，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结合利用，电路集成度高，简练很多，减小误差。
因此，本次电路设计选用K型热电偶。
三、硬件介绍
、K型热电偶
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，记录仪表和电子调剂器配套利用。
K型热电偶能够直接测量各类生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质和固体的表面温度。
K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等要紧部件组成。
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型热电偶丝直径一样为～。
K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳固性和均匀性较好，抗氧化性能强，价钱廉价等优势，能用于氧化性惰性气氛中普遍为用户所采纳。
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份组成。
若是将热电偶的热端加热，使得冷、热两头的温度不同，那么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份组成。
接触电势：
它是两种电子密度不同的导体彼此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的电子密度别离为NA和NB而且NA>NB，那么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取得电子而显负电。
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，那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，最后达到动态平稳状态。
现在A、B之间也形成一电位差，那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，当两种导体的材料必然，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。
、MAX6675
MAX6675概况
热电偶作为一种要紧的测温元件，具有结构简单、制造容易、利用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。
可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。
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，因此在应历时必需进行线性化处置。
②冷补偿：
热电偶输出的热电势为冷端维持为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转变的，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纳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知足那个要求。
因此,假设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。
若是能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中,即采纳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,那么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转换器,内部具有信号调剂放大器、12位的模拟数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字操纵器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑操纵。
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℃；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的要紧特性如下：
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低功耗特性；
⑨工作温度范围-20℃～+85℃；
⑩2000V的ESD信号。
该器件采纳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
1
GND
接地端
2
T-
K型热电偶负极
3
T+
K型热电偶正极
4
VCC
正电源端
5
SCK
串行时钟输入
6
CS
片选端，CS为低时、启动串行接口
7
SO
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仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，利用硬件电路进行冷端补偿时，虽能部份改善测量精度，但
图5：
MAX6675工作原理
由于热电偶利用环境的不同及硬件电路本身的局限性，成效并非明显；而利用软件补偿，一般是利用微处置机表格法或线性电路等方式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型热电偶的利用带来了极大方便，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剂放大器，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，再通过A2电压跟从器缓冲后，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。
关于K型热电偶,电压转变率为41µ/℃,电压可由线性公式Vout=（41µ/℃）×（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、冷两头温度的差值，热电偶热节点温度可在0℃～+℃范围转变。
冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，比温度在-20℃～+85℃范围内转变。
当冷端温度波动时，MAX6675仍能精准检测热端的温度转变。
（3）热补偿
在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误大小依托于MAX6675封装的热传导性、安装技术和通风成效。
为降低芯片自热引发的测量误差，可在布线时利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灵敏。
为降低电源噪声阻碍，可在MAX6675的电源引脚周围接入1只μF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方法来提高：
①尽可能采纳不能从测量区域散热的大截面导线；②如必需用小截面导线，那么只能应用在测量区域，而且在无温度转变率区域用扩展导线；③幸免受能拉紧导线的机械挤压和振动；④当热电偶距离较远时，应采纳双绞线作热电偶连线；⑤在温度额定值范围内利用热电偶导线；⑥幸免急剧温度转变；⑦在严劣环境中，利用适合的爱惜套以保证热电偶导线；⑧仅在低温和小转变率区域利用扩展导线；⑨维持热电偶电阻的事件记录和持续记录。
（6）SPI串行接口
MAX6675采纳标准的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进程如下：
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进程；CS变高将启动一个新的转换进程。
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位平常为低，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-必需接地，并使能地址尽可能接近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
、89C51单片机
MCU是整个系统的操纵核心，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。
该器件采纳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是一种高效微操纵器，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，能够反复擦除100次，128字节内部RAM，4个8位并行I/O口，两个16位按时/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，但许诺RAM，按时/技术器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保留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，别离为P0~P3，共有32根口线，端口的每一名均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。
P0~P3的端口寄放器属于特殊功能寄放器系列。
这四个端口除能够按字节寻址外还能够位寻址。
其中P0口为漏极开路作为输出利历时应外加上拉电阻，P3口既能够做为一般I/O口利用，还能够作为特定的功能引脚。
尽管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，如此在实际应用中，咱们就能够够通过模拟不同总线的时序特点来实现各类数据的传输。
AT89C51单片机内部有一个功能壮大的全双工的一部通信串口。
其串行口有四种工作方式：
别离为同步通信方式、8位异步收发、9位异步收发（特定波特率）、9位异步收发（按时器操纵波特率）。
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按时器来操纵，而且每当串行口接收或发送1B完毕，都可发出中断请求。
、4位共阳极LED
7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，利用超级普遍。
图10：
（a）管脚排列（b）共阳结构
设计中采纳的是7SEG-MPX4-CA，如以下图示：
1234为位选，ABCDEFGDP为段码。
图11：
ABCDEFGDP为段码
四、硬件电路
、温度搜集转换电路模块
温度搜集电路模块包括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、冷两头温度的差值，热电偶热节点温度可在0℃～+℃范围转变。
冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，此温度在-20℃～+85℃范围内转变。
当冷端温度波动时，MAX6675仍能精准检测热端的温度转变。
MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度转变的。
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可取得最正确的测量精度。
因此在实际测温应历时，应尽可能幸免在MAX6675周围放置发烧器件或元件，因为如此会造成冷端误差。
图12：
温度搜集转换电路模块
、放大电路
放大器的输入信号Vin=Vout=（V+-V-）。
依照电路图能够取得方程：
VA+=300V-/（300+30）①
VA-=VA+②
③
联立方程可得：
Vo=-10（V+-V-）=S-10Vout
、电压跟从器
依照电路图可得：
Vin=-Vout
、A/D转换电路
MAX6675内部有自带12位AD转换器,在数字操纵器的作用下,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）
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转换数值函数、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0-26653
sbitSO=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转换数据数据读取，并返回值
voidDisplay_temp（）;//温度显示
ucharqian=0,bai=0,shi=0,ge=0,xiao=0;//初始化LED
uinttemp;
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""9"ucharcodetab_3[4]={0x01,0x02,0x04,0x08};//位码
uintRead_AD（）//AD转换数据读取子函数，并返回值
{
uchari;
unsignedlongTemp_2;
Temp_2=0;
CS=1;
SCK=0;
_nop_（）;//那个_nop_（）等效与汇编里面的NOP指令，即空一个机械周期，
CS=0;
for（i=0;i<16;i++）//16位数据读取
{
Temp_2<<=1;//向左移一名
_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;
//动态扫描显示列位数字，口输出位码
P3=0x00;
P0=tab_1[bai];
P3=tab_3[0];//显示百位数字
for（j=300;j>0;j--）;//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（）;//热电偶数据读取，返回温度
Display_temp（）;//温度显示
}
}
七、仿真结果
在proteus中画好电路，查验没有错误后，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
233
281
354
420
487
测量值
232
282
355
420
487
八、误差分析
在系统设计进程中不免会有误
升级会员 