电阻炉温度控制系统设计
图2-2 DIP封装的AT89S51引脚图
2.2.2 主控模块设计
主控模块电路由AT89S51微控制器、外部时钟电路、复位电路组成[3]。 1.时钟电路设计
微控制器系统中的各个部件是在一个统一的时钟脉冲控制下有序地进行工作，时钟电路是微控制器系统最基本、最重要的电路。
本系统时钟电路设计采用内部时钟方式。AT89S51微控制器内部有一个高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端，如果在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接上晶体振荡器(晶振)或陶瓷振荡器就构成了稳定的自激振荡电路，该振荡器电路的输出可直接送入内部时序电路。
内部时钟方式即是由微控制器内部的高增益反相放大器和外部跨接的晶振、微调电容构成时钟电路产生时钟的方法。外接晶振时，C1、C2的值通常选择为30pF左右；C1、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz～12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与微控制器引脚XTALl 和XTAL2靠近。由于内部时钟方式外部电路接线简单，微控制器应用系统中应用较多。内部时钟方式产生的时钟信号的频率就是晶振的固有频率，常用fsoc来表示。本系统采用的晶体振荡器频率为12MHz，即 fsoc=12×106Hz。 （2）复位电路设计
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四川理工学院本科毕业（设计）论文
大规模集成电路在上电时一般都需要进行一次复位操作，以便使芯片内的一些部件处于一个确定的初始状态，复位是一种很重要的操作。器件本身一般不具有自动上电复位能力，需要借助外部复位电路提供的复位信号才能进行复位操作。
AT89S51微控制器的第9脚（RST）为复位引脚，系统上电后，时钟电路开始工作，只要RST引脚上出现大于两个机器周期时间的高电平即可引起微控制器执行复位操作。微控制器复位后，PC=0000H，CPU从程序存储器的0000H开始取指执行。本系统中采用上电复位和手动复位键复位相结合的方式。
上电瞬间，由于电容两端电压不能突变，RST引脚端电压VR为VCC，随着对电容的充电，RST引脚的电压呈指数规律下降，经时间t后，VR降为3.6V，随着对电容充电的进行，VR最后将接近0 V。为了确保微控制器复位，t必须大于两个机器周期的时间，机器周期取决于微控制器系统采用的晶振频率，R1不能取得太小。R2的阻值一般很小，只有几十欧姆，当按下复位按键后，电容迅速通过R2放电，放电结束时的VR为（R1×Vcc）/（R1+R2），由于R1远大于R2，VR 非常接近VCC，使RST引脚为高电平，松开复位按键后，过程与上电复位相同。这里取R1=10 kΩ，R2=200Ω,C=10μF。
时钟电路和复位电路如图2-3所示。
U1VCC C1R1S4 RSTR2200 C210uF10K 30pF C3 30pF12MHz1234567891011121314151617181920P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4AT89S51P1.5P1.6P1.7RSTP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSD8031(40)VCCP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7EA/VPPALEPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A84039383736353433323130292827262524232221 图2-3 时钟电路和复位电路
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电阻炉温度控制系统设计
2.3 输入通道设计
系统输入通道的作用是将电阻炉的温度(非电量)通过传感器电路转化为电量(电压或电流)输出，本系统就是将温度转化为电压的输出。由于此时的电量电压)还是微控制器所不能识别的模拟量，所以还需要进行A/D转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给微控制器判断和控制。输入通道由传感器、转换电路等组成。
2.3.1 K型热电偶温度传感器
温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围、测量精度也各不相同。因此在不同的应用场合，应选择不同的温度传感器。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[4]。因此选用K型热电偶作为本温度控制系统的温度传感器[4]。
K型热电偶的材料主要采用的是镍铬-镍硅合金构成，正极(KP)的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极(KN)的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，它是一种能测量较高温度的性价比很高的热电偶。由于镍铬-镍硅合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。因此这种K型热电偶可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛。
热电偶传感器是利用塞贝克（Seeback）效应（第一热电效应）来检测温度的。塞贝克效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。热电偶产生的热电势（温差电势）是由两种导体的接触电势（珀尔帖电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）组成的[5]。
热电偶回路总接触电势为：
EAB?T??EAB?T0??k?T?T0?lnNAeNB- 12 -
(2-1)
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热电偶回路温差电势为： EAB?T,T0??
???T0TA??B?dT(2-2)
对于匀质导体A、B组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电势之和，为：
EAB?T,T0??EAB?T??EAB?T0?????A??B?dTT0T(2-3)
式中 E—电动势；
T—接触处绝对温度；
k—波尔兹曼常数，为1.38?10?16； e—电子电荷数；
NA、NB—金属A、B的自由电子密度； ?A、?B—A、B导体的汤姆逊系数。
K型热电偶分度表如表4-1所示。
表2-1 K型热电偶分度表
温度℃ 0 100 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 热电动势mV 0.000 0.397 0.798 1.203 1.611 2.022 2.436 2.850 3.266 3.681 4.095 4.508 4.919 5.327 5.733 6.137 6.539 6.939 7.338 7.737 8.137 8.537 8.938 9.341 9.745 10.151 10.560 10.969 11.381 11.793 300 12.207 12.623 13.039 13.456 13.874 14.292 14.712 15.132 15.552 15.974 400 16.395 16.818 17.241 17.664 18.088 18.513 18.938 19.363 19.788 20.214 500 20.640 21.066 21.493 21.919 22.346 22.772 23.198 23.624 24.050 24.476 600 24.902 25.327 25.751 26.176 26.599 27.022 27.445 27.867 28.288 28.709 700 29.128 29.547 29.965 30.383 30.799 31.214 31.214 32.042 32.455 32.866 800 33.277 33.686 34.095 34.502 34.909 35.314 35.718 36.121 36.524 36.925 900 37.325 37.724 38.122 38.915 38.915 39.310 39.703 40.096 40.488 40.879 1000 41.269 41.657 42.045 42.432 42.817 43.202 43.585 43.968 44.349 44.729 1100 45.108 45.486 45.863 46.238 46.612 46.985 47.356 47.726 48.095 48.462 1200 48.828 49.192 49.555 49.916 50.276 50.633 50.990 51.344 51.697 52.049 1300 52.398 52.747 53.093 53.439 53.782 54.125 54.466 54.807 — — 2.3.2 数字转换器MAX6675
MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成Ｋ型热电偶变换器，测温范围0℃～1024℃。该器件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
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电阻炉温度控制系统设计
控制器、1个 SPI兼容接口和 1个相关的逻辑控制。主要功能特性如下:[6]
· 简单的 SPI串行口温度值输出； · 0℃～+1024℃的测温范围；
· 12位A/D转换器、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保护。
MAX6675采用8引脚SO贴片封装，引脚排列如图 2-4所示。
图2-4 MAX6675引脚排列
各引脚功能如表2-2所示。
表2-2 MAX6675引脚功能
引脚 1 2 3 4 5 6 7 8 名称 GND T- T+ VCC SCK CS 功能 接地端 K 型热电偶负极 K 型热电偶正极 正电源端 串行时钟输入 片选端，CS为低时、启动串行接口 串行数据输出 空引脚 SO NC T-接K型热电偶的冷端，并从外部接地。T+接热电偶的热端。VCC接电源电
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