发布时间 : 星期日 文章工业锅炉过热蒸汽温度控制系统设计(大学本科毕业设计)更新完毕开始阅读7fcd10380622192e453610661ed9ad51f01d54a8
山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计
3.3传感器选择及外围电路设计
系统输入通道的作用是将锅炉过热蒸汽的温度(非电量)通过传感器电路转化为电量(电压或电流)输出，再送入单片机已进行下一步的处理。首先面临的问题是传感器的选择。在1.2章节我们讨论了各种温度传感器的特点，结合蒸汽温度控制系统的要求，我们选用热电偶作为本设计输入通道的一次器件。
热电偶属于接触式温度测量仪表，是工业生产中最常用的温度检测仪表之一。其特点为测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触所以不受中间介质的影响。
设计要求的蒸汽温度范围为450℃，因此可以选用常用的K型热电偶。K型热电阻的测温范围为-200-1300℃，对应输出电压为-5.891-52.410mV，将热电偶应用在基于单片机的嵌入式测量控制系统时，需要考虑以下几个方面的问题：
(1)非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理；
(2)冷端补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0℃时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的,故需进行冷端补偿；
(3)数字化输出：与单片机数字系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求。因此，需进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性化、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。[6]
若将上述问题一一考虑到，则设计出的电路不免会略显复杂且调试麻烦。经查阅和参考相关设计，我们最终选择MAXIM公司生产的K型热电偶
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串行模数转换器MAX6675作为热电偶的输入处理芯片。MAX6675不但可将模拟信号转换成12位对应的数字量，而且内部集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换电路以及SPI串口。其温度分辨能力达0.25℃,完全可以满足本设计的需要。MAX6675采用SO-8封装,体积小,可靠性好。其管脚图如图3.4所示。
图3.4 MAX6675 管脚图 MAX6675的主要特性如下： (1)简单的SPI串行口温度值输出； (2)0℃~+1024℃的测温范围； (3)12位0.25℃的分辨率； (4)片内冷端补偿； (5)高阻抗差动输入； (6)热电偶断线检测； (7)单一+5V的电源电压； (8)低功耗特性；
(9)工作温度范围-20℃~+85℃； (9)2000V的ESD保护。
MAX6675的内部结构如图3.5所示。该器件是一复杂的单片热电偶数字转换器，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
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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) 式(3.1)
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。
图3.5 MAX6675内部结构图 热电偶的功能是检测冷热两端温度的差值，热电偶热节点温度可以在0℃~+1023.75℃范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，此温度在-20℃~+85℃范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。此外，MAX6675还具有热补偿、噪声补偿以提高测温的精度。
*1JP421Header 2VCCGNDT-T+VCCC70.1uF*12345678N.C.SOSO/C/S/CSSCKSCK 图3.6 输入电路图 19
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根据MAX6675的接线要求，最终设计的输入电路图如图3.6所示，热电偶通过插针用螺丝安装在电路板上，即图示端口；电源端通过一个0.1uF的电容接地以滤除上电干扰；用单片机的普通I/O口来模拟SPI接口。
3.4人机交互模块
输入输出模块是测量控制仪器仪表的重要组成部分，在开发阶段，其为开发人员编程与测试带来极大的方便；在应用阶段，为用户设置系统工作参数，温度控制值、运行状态及温度校准等功能提供必要的输入输出接口；并且在工业生产的网络化与信息技术快速发展的今天，实现工业生产过程中现场参数的实时显示和网络通信是技术发展的必然。在设计中人机交互模块包括三个方面的内容，一是键盘电路，一是LED显示电路，一是声光指示电路。下面详细介绍各个模块的功能实现。
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键盘电路 图3.7 键盘电路，键盘是人工干预系统工作的主要手段，输入数据、查询及控制系统的工作状态都要用到键盘。单片机系统所用的键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线路来实现键盘编码，每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还具有去抖动功能，这种键盘使用方便，但硬件较为复杂，PC机所用的键盘就属于这种。非编码键
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