MAX6675的温度测控系统报告文档格式.docx

1、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吉合使用，电路集成度高，简洁很多，减小误差。因此，本次电路设 计选用K型热电偶。3、系统设计本设计系统主要包括温度信号采集单元、信号调理单元、单片机数据处理单 元、显示单元。其中温度信号的数据调理单元采用 MAX675集成芯片，它包括信号调节放大

2、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 字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。系统的整体结构框图如下图所示：信号采集单元= 信号调理单元= 80C51M片机匸A LED显示单元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，经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,单片机再根据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。4、硬件介绍4.1、K 型热电偶4.1.1K 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

3、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 0C到1300C范围 的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。 K型热电偶通常由感温元件、安装 固定装置和接线盒等主要部件组成。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型热电偶丝直径一般为1.24.0mm 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 性惰性气氛中广泛为用户所采用。4.1.2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。 如果将热电偶的热 端加热，使得冷、热两端的温度不同，则在该热电偶回路中就会产生热电势

4、，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同的导体相互接触时 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 密度分别为NA和NB并且NNB，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，这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，最后达到动态平衡状

5、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有关， 当两种导体的材料一定， 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。4.2 、 MAX66754.2.1 MAX6675 概况热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、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， 因此在应用时必须进行线性化处理。2

6、冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为 0C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。因此，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。 如果能将上述的功能集 成到一个集成电路芯片中 , 即采用单芯片来完成信号放大、 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。422 MAX6675性能及结构Maxim公司新近推出的M

7、AX667是一复杂的单片热电偶数字转换器,内部具 有信号调节放大器、12位的模拟数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、 数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。MAX6675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0.25 C；内含热电偶断线检测电路。冷端补偿的温度范围 -20 C 80C，它的温度分辨能力为0. 25 C,可以测量0C1023.75 C的温度，工作 电压为3. 05. 5V。MAX6675勺主要特性如下：1简单的SPI串行口温度值输出；20C+1024C的测温范围；312位0.25 C的分辨率；4片内冷

8、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-20C+85C；102000V的ESD言号。该器件采用8引脚SO帖片封装。引脚排列如图1所示，引脚功能如下表所 列。图1 MAX6675引脚排列MAX6647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4.2.3 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

9、进行冷端补偿时，虽能部分改善测量精度，但 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， 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 2所示。 2 MftX6675内部结构框图（1）温度变换MAX667内部具有将热电偶信号转换为与 ADC俞入通道兼容电压的信号调节 放大器，T+

10、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，再经过A2电压跟随器缓冲后，送至 ADC勺输入端。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0C实际参考值之间的差值。对于K型热电偶，电压变化率为41山C, 电压可由线性公式Vout= （41 1 C）X（t R-t amB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，t AMB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

11、偶热节点温度可在 0C +1023.75 C范围变化。冷端即安装MAX6675勺电路板周围温度，比温度在-20 C +85C范围内变化。当冷端温度波动时，MAX66750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寸装的热传导性、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。（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勺电源引脚附近接入1只0.1 i F陶瓷旁路电容。（5）测量精度的提高热电偶系

12、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。（6）SPI串行接口MAX667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，M

13、AX6675SPI接口时序如 图4所示。MAX667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 MAX6675K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 GND脚；第1位为低以提供MAX6675 器件身份码，第0位为三态。f

14、S空标1忌逬12 度读愉人设备 身份状為|IS1211LU9MSBLSB图3 MAX6675 S0输出数据嗣榕式n n rm n_nL_rL_n rrjrmLjrLrirLn so D15 D3 D2 DI DO4 MAX6S75 SP接口时序4.3、89C51单片机单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理 能力的中央处理器CPU随机存储器RAM只读存储器ROM多种I/O 口和中断 系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算 机系统，因而被称为单片机微型计算机，检查简称单片机。89C51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

15、性能CMOS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旨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89C51是一种高效微控制器。引脚功能：3.1 电源 : VCC - 芯片电源，接 +5V/3.3V/2.7V ； VSS - 接地端；3.2时钟:XTAL1、XTAL2 -晶体振荡电路反相输入端和输出端。3.3控制线 : 控制线共有 4 根（1） ALE/PROG地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲1ALE功能：用来锁存P0 口送出的低8位地址2PROG

16、功能：片内有EPROI的芯片，在EPRO编程期间，此引脚输入编 程脉冲。（2） PSEN外ROM读选通信号，寻址外部程序存储器时选通外部 EPROI的读控 制端（OE低有效。（3） RST/VPD:复位/备用电源。1RST（ Reset）功能：复位信号输入端。2VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。（4） EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROI程电源。1EA功能：内外ROM选择端。80C51 单片机ROM寻址范围为64KB 其中4KB在片内，60KB在片外（80C31 芯片无内ROM全部在片外）。当EA保持高电平时，先访问内ROMI但当PC（程序计数器）值超过4KB（0FFFH）

17、时，将自动转向执行外ROM中的程序。当EA保持低电平时，则只访问外 ROM不管芯片内有否内 ROM对80C31 芯片，片内无ROM因此EA必须接地。2Vpp功能：片内有EPROI的芯片，在EPRO编程期间，施加编程电源Vppo3.4I/O 线80C51共有4个8位并行I/O端口： P0 P1、P2、P3 口，共32个引脚。P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线） 。P3.0 RXD:串行口输入端；P3.1 TXD:串行口输出端；P3.2 INTO:外部中断0请求输入端；P3.3 INT1外部中断1请求输入端；P3.4 TO :定时/计数器0外部信号输入端;P3.5

18、T1 :定时/计数器1外部信号输入端;P3.6 WR外RAM写选通信号输出端；P3.7 RD：外RAM卖选通信号输出端。4.4、4位共阳极LEDLED组合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Gs a b口 r n rn c1 2 3 4 59 8 7 6 u wulTLj- e d c DP（a）管脚排列 （b）共阳结构设计中采用的是7SEG-MPX4-C，如下图示:1234为位选，ABCDEFG D为段码。A X.卄 X1y1彳 *r L r/SfA丿X OJ1 IABCDEFG DP 12345、硬件电

19、路5.1、K型热电偶采集信号电路对于K型热电偶，它的电压变化率为41山C ,电压可由线性公式Vout= （ 41C）X（ t R-t AMB来近似热电偶的特性。上式中,Vout为热电偶输出电压（mV , t R是测量点温度，t AMB是周围温度。并且Vut = （V- V-）。5.2、放大电路放大器的输入信号Vn二VOut二（V+ - V ）。根据电路图可以得到方程:VA+=300V/（300+30）VA-= VA+（V Vo）（ R1 R4） = （VA - Vo）R4 联立方程可得： Vo =-10（V+ - V-）= S-10 V out5.3、电压跟随器根据电路图可得：Vin = -V

20、 out5.4、A/D转换电路MAX667内部有自带12位AD转换器,在数字控制器的作用下，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=V in （mV）/q（mV）6、整体电路设计乍2 EiE 诂e s. 匚N再s Ehl违 dgE 口命昱g一送s r養s1 es.a LIXZd 口舀d 替ss s茂5 窖通5 -B s转E 営旨d LiB 口 iT合5-UJmEUJ豈 d管导Is#n NO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 reg51.hfloat wendu;uchar qian=0,ba

21、i=0,shi=0,ge=0,xiao=0; /初始化 LED uint temp;uchar code tab_110=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90; /共阳 LED 段码表uchar i;unsigned long Temp_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;/16 位数据读取/向左移一位for（i=0;i16;i+） Temp_2=1;if（SO=1）Temp_2=Temp_2|0x01;elseTemp_2=Tem

22、p_2|0x00;/上升沿脉冲SCK=1;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void Display_temp（）/温度显示子函数800 摄氏度uint temp=wendu; temp=temp*10; if（wendu0;j-）;P0=tab_1shi;P3=tab_31;/最高读取温度设定为/取百位数字/取十位数字/取个位数字P3.1-P3.4 口输出位码/显示百位数字/延时/显示十位数字P0=tab_2ge;P3=tab_32; /显示个位数字P0=tab_1x

23、iao;P3=tab_33; /显示小数位void main（ ） / 主程序while（1）wendu=Read_AD（）; / 热电偶数据读取，返回温度Display_temp（）; / 温度显示&仿真结果在proteus中画好电路，检验没有错误后，将单片机的程序指疋到编译好的 hex文件，然后开始仿真，从 200C到500C随机选取几组温度值，记录 LED显 示的数值。F13.1JWJIFilLUiP27M1S .-KTAL2PS3EN ALE MQMS -Pftijcjfyu WiKrrMlj. TAX TC1-.r TEXT* .-C1HJ-眾订田HIP-Fl XI :CRV3TALE *FftAWZM 刊 JMMftP0 5WM pa亍冋,武2.1阳 P224H0 璋却初 M *1*12U5iiP3IWXDP3.1 皿DF3amF3 3*jfr-：； rJI 町（；匡 玛;丽F