基于单片机的热电偶冷端温度补偿设计
摘要：热电偶的冷端温度控制系统以AT89C51单片机为中心控制器件，主要由温度传感模块，A/D转换放大模块，单片机编程模块，显示模块等部分组成。温度信号由热电偶采集，经MAX6675进行冷端补偿并放大，然后送入单片机内。显示部分由“人机交互界面”的1602液晶显示，增加可读性。该系统具备较高的测量精度，能较好的完成设计要求。
Thermocouple cold end temperature control system based on AT89C51 single chip microcomputer as the central control device, mainly by the temperature sensing module, A / D conversion amplification module, MCU programming module, display module and other components. The temperature signal acquisition by thermocouple cold end compensation, by MAX6675 and
amplification, and then into the single chip computer. The display section by\interface\has higher accuracy, and better able to complete the design requirements.
目 录
1.引言…………………………………………………………………………………
设计任务及要求…………………………………………………………………
设计方案………………………………………………………………………… 2.1各模块的电路的方案选择及论证………………………………………… 2.1.1温度采集及控制模块…………………………………………………… 2.1.2 主机控制模块…………………………………………………………
2. 1. 3显示模块????????????????????????…………
2.2系统各模块的最终案…………………………………………………………… 3.功能模块设计和参数计算………………………………………………………… 3.1温度采集及控制部分…………………………………………………… 3.2 单片机控制部分 ……………………………………………………
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3.3 数字显示部分 ………………………………………………… 4.软件设计 …………………………………………………………………
4.1主程序……………………………………………………………… 4.2 液晶显示模块……………………………………………………… 5.系统测试及结果分析…………………………………………………………
5.1实用仪器及型号 ……………………………………………………… 5.2.2温度数据采集测试记录 …………………………………………… 6.总结 ……………………………………………………………………………… 参考文献……………………………………………………………………………
1. 引言
热电偶在热处理炉温控制，航空发动机排气温度点检等100~1300摄氏度高温度测量领域有着广泛的应用，测量精度意义重大。K型热电偶是工业生产中被广泛应用的廉价高温传感器。但由于：①产生的信号很微弱(仅约40μV／℃)，需要精密放大器对其进行放大；②按0℃分度，冷端在非0℃情况下需进行温度补偿；③输出的信号为模拟信号，欲与单片机等数字电路接口时须进行A／D转换。因此，以往的热电偶测温电路比较复杂、成本高、精度低，而且容易遭受干扰。MAXIM公司新近开发出一种K型热电偶信号转换器(IC)MAX6675，该转换器集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体，直接输出温度的数字信号，使温度测量的前端电路变得十分简单。
1.设计任务及要求
设计一个热电偶冷端自动补偿温度控制系统，冷端在非0℃情况下需进行温
度补偿。采集的热电势经MAX667送入单片机，然后在显示器上显示现场的温度。
2.系统设计方案
该系统以AT89C51单片机为中心控制器件，主要由温度传感模块，A/D转换放大模块，单片机编程模块，显示模块，控制模块等部分组成，如图2.1
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K型 热电偶 MAX6775 AT89C51 LCD显示 串行通信
图2.1 系统基本模块方框图
2.1各模块电路的方案选择及论证 2.1.1温度采集及控制模块
方案一：k型热电偶与MAX6775结合进行冷端温度补偿及温度的采集。电路简单、可靠性高、抗干扰性强 。
方案二：采用热敏电阻。选用此类元件的优点价格便宜，但由于热敏电阻的非线性特性会带来较大的误差。
方案三：使用带有A/D（模数转换）单片集成的DS18B20传感器。DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的即单总线器件，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据。具有线路简单，性能稳定体积小的特点。但DS18B20的程序较复杂，且时序时间较苛刻，不便于书写程序。
比较以上方案，结合设计精度要求最小区分度为1℃，所以选择方案一。
2.1.2主机控制模块
方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA功能强大，可实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，可以减少体积，提高稳定性，并且可用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展，但成本较高。由于本设计对数据的处理速度本不高，FPGA的高速处理优势得不到充分体现，且引脚较多,
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方案二：采用模拟放大器组成的PID控制系统。对于温度控制系统是足够的。但要附加显示，温度设置等功能，附加电路较多，且反应速度慢。
方案三：采用AT89C51单片机作为控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑功能。本身带有定时/计数器，可以用来定时、计数，并且具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
基于以上分析，拟定方案三，由AT89C51作为主机控制部分。
2.1.3显示模块
方案一：采用三个LED八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。数码管具有低能耗，低损耗，寿命长，耐老化，对外界环境要求低。但LED八度数码管引脚排列不规则，动态显示时要加驱动电路，硬件电路复杂。
方案二：采用可以显示字幕的1602液晶显示屏。1602液晶显示屏（LCD）具有功耗低、轻薄短小无辐射危险，平面显示及影像稳定，不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强。同时，编程容易，且具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式，增加可读性，降低功耗。
2.2系统各模块的最终方案
根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案：
1．采用AT89C51单片机作为控制器，分别对温度采集、LCD显示。
2．温度测量模块采用R\\热电偶与MAX6775相结合可实现冷端温度补偿高分辨率测量
3．显示用液晶显示屏显示实时温度值。
3．功能模块设计和参数计算 3.1温度采集与控制部分
系统的信号采样和转换电路主要由热电偶与MAX6775组成。
（1）MAX6675内部电路构成、性能
MAX6675的内部由精密运算放大器、基准电源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC电路构成，完成热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和A／D转换功能。MAX6675采用8脚SO形式封装，图1为引脚排列图，T+接K型热电偶的正极(镍铬合金)，T-接K型热电偶的负极(镍硅合金或镍铝合金)；片选信号端CS为高电平时启动温度转换，低电平时允许数据输出；SCK为时钟输入端；SO为数据输出端，温度转换后的12位数据由该脚以SPI方式输出。
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。
（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 )N.C. 空引脚
（2）温度变化
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节放大器，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，同时使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，被送至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。对于K型热电偶，电压变化率为
41μV/℃，电压可由线性公式Vout=(41μV/℃)×(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
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