传感器 2016-09-29 15:45
中国电工网讯:
    摘要介绍了基于k型热电偶的数字式温控仪硬件电路组成及软件流程。该数字式温控仪具有硬件电路结构简单、精度和智能化程度高、人机界面友好等特点。
 
    0概述
 
    在工业过程控制与生产制造领域普遍使用具有较高测温精度及测温范围的热电偶做测温元件。在工业标准热电偶中,k型(镍铬-镍硅)热电偶由于具有价格低廉、输出热电势值较大、热电势与温度的线性关系好、化学稳定性好、复制性好、可在1000℃下长期使用等特点,因而是工业生产制造部门应用较广泛的热电偶元件。
 
    随着计算机测控技术在工业生产制造领域的普遍应用,温度参数的微机化测量与控制已成为必然趋势。但是传统的模拟小信号输出热电偶传感器在与计算机测控系统接口时需要经过信号放大调理、非线性校正、冷端补偿、模数转换、数字输出接口等一系列复杂的模拟与数字电路硬件设计过程及建表、查表、插值运算等复杂的软件编制过程不仅电路复杂,成本增加,而且系统可靠性也大为降低。
 
    本设计则利用maxim公司新近推出的、具有冷端补偿的单片k型热电偶数字转换器max6675,无需扩展任何外围元件,即可完成k型热电偶输入到数字信号输出的功能。同时采用单片机串行扩展技术,设计了硬件电路结构简单、具有较高测温分辨率及友好中文人机界面的温控仪。
 
    1温控仪硬件电路设计
 
    数字式温控仪的硬件电路框图如图1所示。
 
 
    1.1k型热电偶数字转换器
 
    本设计使用了max6675单片k型热电偶数字转换器,以完成将热电偶输出的mv级热电势转换为可与单片机连接的数字信号的任务。该器件将热电偶数字转换所需的热电偶放大器、冷端补偿、a/d转换及数字量输出的spi串行接口全部集成在一个芯片内而无需使用任何的外围元件。max6675的主要特性为:简单的spi串行口温度值输出;0℃~1024℃的测温范围;12位0.25℃的分辨率;片内冷端补偿;高阻抗差动输入;具有热电偶断线检测功能;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采用标准的spi串行总线与单片机接口,且max6675只能作为从设备。max6675so端输出温度数据的格式如表1所示,max6675spi接口时序如图2所示。
 
    max6675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,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位为热电偶断线检测位,该位平时为低,当检测到热电偶断线时变为高。热电偶检测电路完全由max6675实现。为使热电偶断线检测电路能够可靠工作,t必须接地,并使接地点尽可能接近gnd脚;第1位为低以提供max6675器件身份码,第0位为三态。
 
    1.2人机界面
 
    对于一个智能化的测量仪器而言,如能拥有一个友好中文人机界面则将大大增强仪器的可操作性。本系统使用了显示信息丰富、功耗低、无辐射的液晶图文显示模块。由于普通图形点阵液晶显示器件存在着硬件接口电路复杂、显示汉字编程繁复、显示字库占用rom容量大等缺点,故这里采用了内含中文字库的液晶图形显示模块lcm12864zk。该模块的显示点阵数为128×64,可分为4行显示,每行可8个汉字或16个ascii字符。lcm12864zk与单片机的接口方式具有8位/4位并行和2/3线串行模式。利用其二线串行模式与单片机连接时,仅占用单片机的两根口线,简化了与单片机的接口电路设计,并减少了硬件资源的占用。为便于实现设定控温温度值、调用不同的控温算法、定时采集温度值及定时保存温度值、翻阅历史测温记录等功能,控温仪设有4个操作按键,分别是“选择”、“确认”、“增加”和“减少”。其中选择键用于选择不同的操作项目;确认键用于确定相应操作;“增加”和“减少”用于输入数值。仪器所执行的每一种具体操作及当前所处的状态,液晶屏都会给出相应的提示,温控仪中文操作界面极大地提高了仪器的可操作性。
 
    1.3数据存储
 
    仪器仪表中通常的做法是用eeprom保存设置参数,而用sram加上后备电池来保存采集的数据。这种方法既使系统硬件结构复杂,又使得保存数据的可靠性降低。本系统仅使用一片铁电存储器fm24c256来保存设置参数和采集的温度值。铁电存储器是一种兼具ram和rom性能而被认为可能取代各类存储器的超级存储器,其主要优点是:可以跟随总线速度写入;几乎可以无限次的写入;超低功耗。fm24c256主要参数如下:存储容量32k×8byte;10亿次的读/写次数;数据保存期为10年;工业标准i2c总线接口,1mhz的总线频率。由于fm24c256采用i2c总线接口使得该器件与at89c52单片机的连接十分简单,仅需占用单片机的两根i/o口线,同时也使得保存数据的可靠性大为提高。
 
 
    1.4实时时钟日历
 
    为了便于实现温度值的定时采集及定时保存功能,因而扩展了基于i2c总线的实时日历时钟芯片sd2001。该芯片是个有内置晶振、充电电池的高精度、免调校实时时钟。由该芯片构成的时钟电路具有精度高、外围电路简单、接口电路简单的特点。利用该器件的中断输出引脚可得到以毫秒、秒或分钟为单位的任意时间输出。本系统即利用该器件的硬件定时功能实现了温度值的定时采集、定时保存功能。
 
    1.5通信接口
 
    随着计算机测控技术的不断发展,常常要求测控仪表可与上位计算机或plc等设备进行通信,以便于构成分布式测控系统,这样可以较好地解决基于单片机的测控仪表资源有限、功能简单的缺点。本温控仪设计了rs-485串行总线接口。rs-485与rs-232c相比具有传输速率高、通信距离远、平衡差动式驱动抗干扰能力强等特点。本温控仪使用差分平衡收发器max487将单片机uart口输出的ttl电平转换为rs-485标准电平。max487采用单一+5v电源供电,允许传输速率可达2.5mbps,传输距离较远可达1200m。max487在总线上较多可挂接128个收发器,即一条rs-485总线上较多可挂接128台温控仪,这样即可实现多点分布式测控温功能。
 
    2温控仪软件设计
 
    本温控仪的硬件电路结构特点是采用全串行扩展技术,即所有的外围电路功能部件与单片机的接口全部采用i2c总线、spi总线、二线串行总线来实现的。串行扩展技术的特点是电路硬件连接简单方便、抗干扰能力强、工作稳定可靠。但是简单的硬件连接是以时序复杂的软件编程为代价的。根据温控仪的上述硬件特点,这里采用mcs-51汇编语言来编写本系统软件。汇编语言除了可准确产生串行总线器件所需的各种时序外,还具有程序简洁、高效、执行速度快的特点。本系统软件采用模块化编程技术,软件主要包括系统监控程序和应用程序两部分。系统监控程序主要完成系统初始化、外围器件初始化、键盘监控、液晶屏管理、实时时钟管理、上位机通信管理等工作;应用程序主要完成启动温度转换、温度值读取、温度数据转换、标度变换、温度值显示、保存温度值、调用控温算法进行控温及与上位机交换数据等工作。
 
    本设计由于使用了数字转换器max6675,使得原来复杂的热电偶控制、转换、建表、查表、线性插值等软件设计得以简化。单片机仅需通过spi串行总线将热电偶测量并经过冷端补偿及非线性校正后的实际温度值读回即可,温控仪的主程序流程图如图3所示。
 
 
    3结束语
 
    本温控仪由于采用了新型的单片k型数字式热电偶转换器,使得在工业过程控制及工业生产制造领域获得广泛应用的微机化k型热电偶温控仪的设计,无论是硬件电路还是软件编程都得以简化,且仪器还具有较高的测控温精度及较高的工作可靠性。同时友好的中文人机界面使得仪器具有较好的可操作性,因而本温控仪具有较高的实用价值。
 
    参考文献
 
    1孟臣,李敏.高性能铁电存储器fm24c256及其在单片机中的应用.电子技术,2003(1):38~41
 
    2李敏,孟臣.串行中文图形液晶显示模块在单片机系统中的应用.电子产品世界,2002(11)
 
    第一作者:李敏,女,1970年生,浙江大学硕士研究生毕业,讲师;主要从事单片机及计算机测控方面的教学与研究。
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