AD595包括一个指示热电偶的一根或两根引线是否断开的热电偶故障报警器，其报警输出包括TTL驱动功能在内的灵活形式。本系统采用了热电偶故障报警功能，当热电偶断开时，LED亮，进行故障显示。该器件可以由单端电源供电，通过加入负电源，便能测量低于0℃的温度。本系统不需要测量零下温度，故不需要负电源。在封装引脚上提供了温度传感器电压和增益控制电阻，因此，电路可以通过附加电阻来对其它类型的热电偶进行重新校准。
图3-3 AD595原理图 图3-4 AD538原理图
由于AD595只能提供调理和电压增益，不能补偿热电偶的非线性，故仍需对热电偶进行线性化。线性化的方法很多。这里采用的是多项式线性化的方法，设温度为T，各项系数为a0，?，则热电偶的热电势E可表示为：E=a1T+a2T2+? +aNTN如果获得高次幂级数的函数。就可构成线性电路。幂次越高，精度也越高，但电路复杂。实际上只要取到2次幂就可以获得足够的精度。K型热电偶的热电势近似表达式为：
2 VOUT??0.776?24.9952 （mV） VIN?0.03473V3IN2如前所述，线性化电路的关键是求平方运算，而集成电路AD538（原理图如图3-4所示）是最适宜进行平方运算的芯片。它提供实时精确的乘法、除法和求幂运算，AD538的精度为
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0.25%，动态范围宽，片内设有高精度的+2V或+10V的基准电压源。三个输入管脚Vx, VY和Vz及一个输出管脚VO，可组成VO=VY ( Vz/Vx )m的函数关系。不用接元件就可构成平方运算的电路。
由传感器、多路开关、AD595, AD538及OP07组成的信号调理及放大电路由图3-5所示。经过处理以后，0-300℃的温度信号转换为0～5V的电压信号，输出的电压信号送到数据采集处理电路。AD595要求接热电偶的正极，故热电偶负极就接多路转换开关。电位器Ｗ用于微
调冷端补偿电压。AD595的7脚是负电源端，由于不测0℃以下的温度，不用负压供电，所以7脚可接地，12、13脚是热偶故障报警电路的输出端，13脚接地后，集电极开路的12脚接上拉电阻。热电偶正常工作时输出高电平；断偶故障时输出低电平，发光二极管亮，显示热电偶故障。
图3-5 信号处理及放大电路
3.5 单片机系统主板设计
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单片机系统由CPU、74HC573锁存器、AD574模数转换器、FM1808数据存储器、GAL16V8译码器、MAX813L看门狗芯片、串行通讯模块等组成，完成数据采集、处理、实时显示等功能，是整个系统的核心模块。系统原理图见附录一，以下对各部分分别予以介绍。 3.5.1 CPU的选择
单片机是整个系统的核心，对系统起监督、管理、控制作用，并进行复杂的信号处理，产生测试信号及控制整个检测过程。
从硬件角度来看，与MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列单片机机，比在片外加EPROM才能相当的8031单片机抗干扰性能强，与87C51、87C52单片机性能相当，但功耗小。程序修改直接用+5伏或+12伏电源擦除，更显方便、而且其工作电压放宽至2.7伏~6伏，因而受电压波动的影响更小，而且4K的程序存储器完全能满足单片机系统的软件要求，此外，AT89C51还支持由软件选择的2种掉电工作方式，非常适用于电池供电或其它要求低功耗的场合。鉴于以上的分析、比较，本系统选用ATMEL生产的AT89C51单片机作为主机。 3.5.1.1 AT89C51性能简介
AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS 8位单片机，采用了ATMEL的高密度非易失性的存储器工艺，它除了具有与MCS-51完全兼容的若干特性外，最为突出的优点就是片内集成了4K字节EEPROM，可用来存放应用程序，这个FLASH程序存储器除允许用一般的编程离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程，并且还提供了对程序进行三级加密保护的功能。AT89C51的另一个特点是工作速度更高，晶振频率可高达20MHz，一个机器周期仅500ns，比MCS-51快了一倍[5]。其特性如下：
(1) 4K字节可编程闪速程序存储器;1000次循环写/擦。 (2) 全静态工作：0Hz～20MHz。
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(3) 三级程序存储器锁定。
(4) 128 × 8位内部数据存储器，32条可编程I/O线。 (5) 两个十六位定时器/计数器，六个中断源。 (6) 可编程串行通道，低功耗闲置和掉电模式 。 3.5.1.2 AT89C51单片机主要接线简介
程序存储器为4K，在CPU内部，内部程序存储器能满足本系统，故不需外扩程序存储器。数据存储器为32K的存储器FM1808，地址为8000H～FFFFH。
A/D转换器采用精度高，速度快的AD574，并在转换前对信号作了采样保持处理。AD574启动地址为4000H，高八位地址为4002H，低八位地址为4003H。.
8279是一种通用可编程键盘/显示器接口芯片，其地址为7000H～7FFFH。
串行通信接口采用美信的RS-232驱动/接收器MAX232，用它把单片机输出的TTL电平转换为RS232标准电平。该芯片适用于电池供电系统。
AT89C51的主要管脚接线如下：
P0.0—P0.7：TTL输出，接地址锁存器74HC573的1D～8D、FM1808的数据/地址线。用于锁存数据存储器的地址及选择向FM1808写入数据的地址，被定义为数据/地址总线的低八位；接AD574的12位数据线，从AD574接收数据。
P1.0—P1.7： P1.0～P1.2接多路模拟开关CD4051，作为温度传感器的选通信号。 P2.0—P2.7： TTL输出，输出数据/地址总线的高八位；并产生控制信号送GAL16V8选通FM1808, AD574，8279。由于本系统不需要外部程序存储器，故31脚(内部和外部程序存储器选择线)接高电平。地址0000H～0FFFH空间为内部ROM。 3.5.2 CPU最小系统设计
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3.5.2.1 时钟电路设计
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟控制信号。MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种方式为外部时钟方式。
内部时钟方式：MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。
外部时钟方式：使用外部振荡脉冲信号。外部时钟源直接接至输入端XTAL2端，通过XTAL2端输入到片内的时钟发生器上。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，所以接一个4.7～10KΩ的上拉电阻。
VCC外部振荡器
FCC 89C51XTAL2
（a） 内部时钟方式 (b) 外部时钟方式
XTAL1 20