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1、数字式温度计设计摘要本课题以AT89S51单片机系统为核心，对单点的温度进行实时检测。采用型热电偶对温度进行检测；采用型热电偶数字转换器MAX6675把温度信号调解转换为电压信号与AT89S51单片机接口设置LED八段数码管实时显示温度值。本设计包括单片机最小系统、型热电偶、型热电偶数字转换器、温度显示模块、按键命令输入、报警装置六个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。关键词：单片机；型热电偶；数字转换器MAX6675；温度检测目录第一章 方案论证21.1温度检测模块21.2温度显示模块21.3命令输入模块2第二章 硬件设计32.1元件介绍32.1.1 MAX6675简介32.1.
2、2 K型热电偶42.2 温度信号处理52.3 与单片机的通讯52.4 键盘电路的设计62.5 LED显示电路的设计72.6 报警电路82.7单片机最小系统8第三章 程序设计93.1 主程序流程93.2键值处理流程10结 论11致 谢11参考文献12附录113附录214第一章 方案论证本方案以AT89S51单片机系统为核心，对单点的温度进行实时测量检测。并采用型热电偶作为温度传感器，温度采集模数转换用型热电偶数字转换器MAX6675，命令输入采用1*4独立按键，用三个数码管并行显示实时温度，再加蜂鸣器做声音报警。温度检测整体系统整体框图如下：1.1温度检测模块本系统采用型热电偶作为温度传感器，温
3、度采集模数转换用型热电偶数字转换器MAX6675，型热电偶具有精度高，测温范围广，使用方便等优点。MAX6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速、准确。本系统测温范围为099，精度为0.25。1.2温度显示模块温度显示模块采用3位数码管并行显示，数码管并行显示优点是占用I/O端口少，硬件电路简单。1.3命令输入模块本系统有四个按键，分别是“SUB”、“ADD”、“设置”、“确认”四个键位,按键输入端口为P2.4P2.7，按键的中断入口为INTO，触发方式为低电平触发。第二章
4、 硬件设计2.1元件介绍2.1.1 MAX6675简介（1） 主要功能MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成型热电偶变换器，测温范围01024，主要功能特点如下： 直接将热电偶信号转换为数字信号 具有冷端补偿功能 简单的SPI串行接口与单片机通讯 12位A/D转换器、0.25分辨率 单一+5V的电源电压 热电偶断线检测 工作温度范围-20+85（2） 引脚功能MAX6675采用SO-8封装形式，有8个引脚，MAX6675的引脚如下图所示。 （GND）接地 （T-）接热电偶负极 （T+）接热电偶正极 （VCC）电源端 （SCK）串行时钟输入端 （）片选端，使能启动串行数据通讯 （
5、SO）串行数据输出端 （NC）未用。在VCC和GND之间接0.1F电容（3）工作原理MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为(41V/)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。U1=(41V/)(T-T0)上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。再将温度电压值转换为
6、相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。U2=(41V/)T0在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。MAX6675内部原理图如下：2.1.2 K型热电偶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，记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0到1300范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。 K型热
7、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。其优点是： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。2.2 温度信号处理该温度测量仪的型热电偶温度采集电路如图所示。微控制器采用ATMEL公司的AT89S51。MAX6675的端接单片机的P0.6脚，低电平停止转换，MAX6675准备将数据输出；SCK引脚接单片机的P0.
8、5脚，为传输数据提供时钟。无数据传输时，SCK应置为低电平；SO引脚接单片机的P0.4脚，用于传输数据。在单片机的上述3个引脚各接一个4.7K的上拉电阻（由于该电阻在原理图中采用排阻连接在报警电路，在下图中没有直观表现），保证数据的可靠传送。2.3 与单片机的通讯MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：单片机使置为低电平，并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。变低将停止任何转换过程，变高将启动一个新的转换过程。将变低在SO端输出第一个数据，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，MAX6675
9、 SO端输出温度数据的格式如图所示。S0输出位串行接口协议串行接口时序2.4 键盘电路的设计本设计采用1*4独立按键。按键中断入口为INT0，按键输入端口为P2.4P2.7,其原理图如下。按键为低电平触发，即一个按键按下后相应的两个与门输出低电平，从而中断入口为低电平，响应中断，再根据不同的键值入口判断相应的按键操作。温度上下限设置步骤为，按下SET键设置下限（ADD为加一，SUB为减一）按下SURE键确认下限设置上限按下SURE确认键设置完成。2.5 LED显示电路的设计在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉
10、、配置灵活，与单片机接口简单易行。本设计为动态扫描显示方式，电路如下图所示。显示器由3个共阳（common anode）LED数码管组成。它们是段选信号P1.0P1.7和位选信号T1、WR、WD。LED数码管显示原理图2.6 报警电路报警电路原理图说明：超限报警装置采用简单三极管放大5V驱动，当温度超过所设置上下限时，调用相关的报警子程序，蜂鸣器发声报警。图中RP1为8*4.7k的排阻。2.7单片机最小系统利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接12MHz晶振元件，内部振荡电路便产生自激振荡。复位电路采用上电复位。第三章 程序设计3.1 主程序流程程序主要由主程序和子程序两部分构
11、成。 主程序主要实现系统的初始化，键值处理，获取温度数据，显示数据。 系统的初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、中断寄存器等），通信的初始化（串口的初始化，通信缓冲区的初始化），LED显示的初始化，输出端口的初始化。 键值处理包括对系统四个键的判断与处理。显示数据包括数据转换和显示屏的刷新（包括刷温度显示屏和按键信息显示屏）。 子程序主要由温度数据处理程序和键值处理程序等。其程序流程图如下3.2键值处理流程键盘处理流程是通过对键盘端口的分析确定有无按键按下，再根据按下的按键进入中断，根据不同的键值信息来执行相应的动作。在本系统中，包括“SUB”、“ADD”、“设置”、“确认”四个键位，其流程
12、图如下。结 论本次设计中，是以温度采集及检测为总目标，以AT89S51单片机最小应用系统为总控制中心，辅助设计有温度模块、3个LED数码管动态并行显示器等。最终实现了温度的检测与显示，并且可以通过按键设置温度上下限和超限报警。与在设计过程中，遇到了许多问题，如设计初始阶段，思绪混乱，经过认真思考和老师的指导，才使自己思路明确，抓住重点，不懂就问，在很短的时间内系统有序的完成。温度检测是工业过程控制中一个重要参数，了解到温度检测的重要性，使自己在设计过程中，更加有兴趣和动力，在软件设计方面，遇到了一些实际问题，不过，在老师的指导和同学的帮助下都能一一解决，使自己学到了许多新的知识。单片机应用过程
13、是一个非常严谨，复杂，科学，周密和细致，及技术性和综合性都相当高的过程，它要求你必须具备相当扎实的专业基础和理论知识，较强的实践专业操作技能。能以细致和科学的头脑去考察、分析和解决问题。同时在设计中必须要有足够的耐心，持之以恒的毅力，坚强的意志以及实是求是，一丝不苟的精神，才能开发出理想的设计出来。致 谢我的课程设计是在南老师和叶老师的悉心指导下完成的。从本设计的资料收集和方案论证到方案设计、修改和最后的完成，得到了老师和同学的指导和帮助，特别是老师的指导工作，才使本设计顺利完成。在此表示衷心感谢！两位老师学识渊博，治学严谨，在工作中兢兢业业，辅导学生时循循善诱、极其认真耐心，让我深刻地体会到
14、真正的为人师表的风范。在本次课程设计中我不仅锻炼了自己的动手能加深了对单片机的了解，更重要的是学习了应该怎样做事做人。我所取得的进步和老师的谆谆教导和悉心指导是分不开的，在这里我真诚地感谢老师！毕业设计中我还得到了同学们的热情帮助，在这里一并表示感谢！再一次对老师表达我的深深的谢意！参考文献1 胡汉才. 单片机原理及其接口技术M. 北京：清华大学出版社，1996.2 沙占友，王彦朋，孟志永. 单片机外围电路设计M. 电子工业出版社，2003.3 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础M. 北京：北京高等教育出社，2001.4 黄继昌，张海贵，郭继忠. 实用单元电路及其应用M. 人民邮电出社，2002.5 谢宜仁. 单片机实用技术问答M.人民邮电出版社，20036 张福学. 传感器应用及其电路精选M北京：北京电子工业出版社，1991.7 余载泉，李玉和. PROTEL实战演练J. 2000.8 何立民. 单片机应用系统设计M. 北京：北京航空航天大学出版社，1994.9 何立民. 单片机高级教材M. 北京：航空航天大学出版社，2000.10 康光华. 电子技术基础（模拟部分）M. 北京：高等教育出版社，2000.11 胡宴如. 电子技术基础（模拟部分）M. 北京：中国电力出版社，2001.12 马净，李晓光，宁伟. 常用温度传感器的原理及发展J.中国仪器仪表，2004.附录1电路原理图
