学习子情境3热电偶传感器与单片机的接口课件Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望1.3.1 逻辑运算与循环类指令逻辑运算与循环类指令1.3.2 控制转移类指令控制转移类指令1.3.3 位操作类指令位操作类指令1.3.4 伪指令伪指令1.3.5 热电阻传感器热电阻传感器1.3.6 热电偶传感器热电偶传感器1.3.7 半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器1.3.8 基于热电偶的温度控制系统基于热电偶的温度控制系统1.3.1 逻辑运算与循环类指令n 逻辑运算指令逻辑运算指令可以完成与、或、异或、清可以完成与、或、异或、清0和取和取反操作，当以累加器反操作，当以累加器A为目的操作数时，对为目的操作数时，对P标志有标志有影响；影响；n 累加器清累加器清0操作对操作对P标志有影响。标志有影响。 n 循环指令循环指令是对累加器是对累加器A的循环移位操作，包括的循环移位操作，包括左、右方向以及带与不带进位位等移位方式，移位左、右方向以及带与不带进位位等移位方式，移位操作时，带进位的循环移位对操作时，带进位的循环移位对CY和和P标志有影响；标志有影响；1.3.2 控制转移类指令n 通常情况下，程序的执行是顺序进行的，但也可通常情况下，程序的执行是顺序进行的，但也可以根据需要改变程序的执行顺序，这种情况称作程以根据需要改变程序的执行顺序，这种情况称作程序转移。序转移。n 控制程序的转移要利用转移指令。控制程序的转移要利用转移指令。51单片机的单片机的转移指令有转移指令有无条件转移、条件转移及子程序调用与无条件转移、条件转移及子程序调用与返回等返回等。1.3.3 位操作指令n 位操作又称布尔操作，它是以位为单位进行的位操作又称布尔操作，它是以位为单位进行的各种操作。位操作指令中的位地址有各种操作。位操作指令中的位地址有4 种表示形式：种表示形式：直接地址方式（如，直接地址方式（如，0D5H）；）；点操作符方式（如，点操作符方式（如，0D0H.5、PSW.5等）；等）；位名称方式（如，位名称方式（如，F0）；）；伪指令定义方式（如，伪指令定义方式（如，MYFLAG BIT F0）。）。以上几种形式表示的都是以上几种形式表示的都是PSW中的位中的位5。n 与字节操作指令中累加器与字节操作指令中累加器ACC用字符用字符“A”表表示类似的是，在位操作指令中，位累加器要用字符示类似的是，在位操作指令中，位累加器要用字符“C”表示（注：在位操作指令中表示（注：在位操作指令中CY与具体的直接与具体的直接位地址位地址D7H对应）。对应）。 1.3.4 伪指令n 伪指令是汇编程序能够识别并对汇编过程进行伪指令是汇编程序能够识别并对汇编过程进行某种控制的汇编命令。它不是单片机执行的指令，某种控制的汇编命令。它不是单片机执行的指令，所以没有对应的可执行目标码，汇编后产生的目所以没有对应的可执行目标码，汇编后产生的目标程序中不会再出现伪指令。标程序中不会再出现伪指令。一、起始地址设定伪指令一、起始地址设定伪指令 ORG格式为：格式为： ORG 表达式表达式 该指令的该指令的功能功能是向汇编程序说明下面紧接的程是向汇编程序说明下面紧接的程序段或数据段存放的起始地址。表达式通常为序段或数据段存放的起始地址。表达式通常为16进制地址，也可以是已定义的标号地址。进制地址，也可以是已定义的标号地址。 二、汇编结束伪指令二、汇编结束伪指令 END格式为：格式为： END该指令的功能是结束汇编。该指令的功能是结束汇编。汇编程序遇到汇编程序遇到END伪指令后即结束汇编。处于伪指令后即结束汇编。处于END之后的程序，汇编程序将不处理。之后的程序，汇编程序将不处理。三、字节数据定义伪指令三、字节数据定义伪指令 DB 标号：标号： DB 字节数据表字节数据表 功能功能是从标号指定的地址开始，在是从标号指定的地址开始，在ROM中定义中定义字节数据。该伪指令将字节数据表中的数据根据从字节数据。该伪指令将字节数据表中的数据根据从左到右的顺序依次存放在指定的存储单元中。一个左到右的顺序依次存放在指定的存储单元中。一个数据占一个存储单元。数据占一个存储单元。四、字数据定义伪指令四、字数据定义伪指令 DW 标号：标号： DW 字数据表字数据表 功能是从标号指定的地址单元开始，在程序存储功能是从标号指定的地址单元开始，在程序存储器中定义字数据。该伪指令将字或字表中的数据根器中定义字数据。该伪指令将字或字表中的数据根据从左到右的顺序依次存放在指定的存储单元中。据从左到右的顺序依次存放在指定的存储单元中。应特别注意：应特别注意：16位的二进制数，高位的二进制数，高8位存放在低地址位存放在低地址单元，低单元，低8位存放在高地址单元。位存放在高地址单元。五、空间定义伪指令五、空间定义伪指令 DS 标号：标号： DS 表达式表达式 功能功能是从标号指定的地址单元开始，在程序存储是从标号指定的地址单元开始，在程序存储器中保留由表达式所指定的个数的存储单元作为备器中保留由表达式所指定的个数的存储单元作为备用的空间，并都填以零值。例如：用的空间，并都填以零值。例如：六、赋值伪指令六、赋值伪指令 EQU 符号名符号名 EQU 表达式表达式 功能是将表达式的值或特定的某个汇编符号定义功能是将表达式的值或特定的某个汇编符号定义为一个指定的符号名。为一个指定的符号名。 七、位地址符号定义伪指令七、位地址符号定义伪指令 BIT 符号名符号名 BIT 位地址表达式位地址表达式 功能是将位地址赋给指定的符号名。其中，位地址功能是将位地址赋给指定的符号名。其中，位地址表达式可以是绝对地址，也可以是符号地址。表达式可以是绝对地址，也可以是符号地址。1.3.5 热电阻传感器n热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。n热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量。1 1、铂热电阻和铜电阻、铂热电阻和铜电阻、铂热电阻和铜电阻、铂热电阻和铜电阻 铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出输入特性接近线性。n铂电阻的电阻值与温度之间的关系：A、B、C常数铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。n铜电阻的电阻值与温度之间的关系： 式中 A、B、C常量 当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作2 2、热电阻传感器的应用、热电阻传感器的应用、热电阻传感器的应用、热电阻传感器的应用-热电阻温度计热电阻温度计热电阻温度计热电阻温度计 通常工业上用于测温是采用铂电阻和铜电阻作为敏感元件，测量电路用得较多的是电桥电路。为了克服环境温度的影响常采用图所示的三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，如果，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。 1.3.6 热电偶传感器1 1、热电效应、热电效应、热电效应、热电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合回路，当两串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。此现象称为热电效应。ABTT0k k玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，e e电子电荷量，电子电荷量，T T接触处的温度，接触处的温度，NANA，NBNB分别为导体分别为导体A A和和B B的自由电子密度。的自由电子密度。2 2、热电偶测温基本定律、热电偶测温基本定律、热电偶测温基本定律、热电偶测温基本定律1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)2)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。电动势。TT0V3)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如果他们所组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后的热电动势可用下两极配对后的热电动势可用下式求得：式求得：ABTT0=ACTT0CBTT04)4)中间温度定律中间温度定律 热电偶在两接点温度热电偶在两接点温度T、T0时的热电动势等于该热电偶在时的热电动势等于该热电偶在接点温度为接点温度为T、Tn和和Tn、T0时的相应热电动势的代数和。中间时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示温度定律可以用下式表示：3 3、热电偶的材料、结构和种类、热电偶的材料、结构和种类、热电偶的材料、结构和种类、热电偶的材料、结构和种类n 根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶。以作为热电极组成热电偶。在实际应用中，用作热电极的材料在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件：应具备如下几方面的条件：(1)(1)温度测量范围广温度测量范围广 (2)(2)性能稳定性能稳定 (3)(3)物理化学性能好物理化学性能好n 普通工业装配式热电偶通常由热电偶丝、绝缘管、保护套普通工业装配式热电偶通常由热电偶丝、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成。管和接线盒等几个主要部分组成。 工业热电偶结构示意图1接线盒2保险套管3绝缘套管4热电偶丝1234n 标准型热电偶标准型热电偶主要有：铂铑主要有：铂铑30-铂铑铂铑6热电偶，分度号热电偶，分度号“B”； 铂铑铂铑10-铂热电偶，分度号铂热电偶，分度号“S”；镍铬；镍铬-镍硅热电偶镍硅热电偶 ，分度号，分度号“K”；镍铬；镍铬-康铜热电偶康铜热电偶 ，分度号，分度号“E”；铁；铁-康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号“J”；铜；铜-康铜康铜热电偶，分度号热电偶，分度号“T”。 非标准型热电偶非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。4 4、热电偶传感器的冷端温度及其补偿、热电偶传感器的冷端温度及其补偿、热电偶传感器的冷端温度及其补偿、热电偶传感器的冷端温度及其补偿n 热电偶热电势的大小与热电极材料及两接点的温度有关。只有热电极热电偶热电势的大小与热电极材料及两接点的温度有关。只有热电极材料一定且冷端温度材料一定且冷端温度T0保持不变的情况下，其热电势保持不变的情况下，其热电势EAB(T,T0)才是其工才是其工作端温度的单值函数。热电偶的分度表是在冷端温度为作端温度的单值函数。热电偶的分度表是在冷端温度为0oC的条件下测得的条件下测得的，因此使用时只有满足的，因此使用时只有满足T0= 0oC的条件才能使用分度表。而在工程测温的条件才能使用分度表。而在工程测温中，冷端温度常随环境温度变化而变化从而引入误差，因此必须进行修中，冷端温度常随环境温度变化而变化从而引入误差，因此必须进行修正或补偿措施。正或补偿措施。1) 1) 恒温法恒温法mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0 把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。 把热电偶的冷端温度无法保证T0=0，则将冷端置于恒温装置中，使冷端温度保持为T0不变，则冷端误差为 根据上式，T0恒定时冷端误差为常数，只要在回路中加入相应的修正电压，既能实现补偿。2) 2) 冷端自动补偿冷端自动补偿利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在某一温度下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响。 mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3R 当环境温度变化时,冷端温度随之变化,热电偶的电势值随之变化EAB；与此同时，RCu电阻值也随环境温度变化使电桥失去平衡，有不平衡电压UAB输出。如果设计使二者数值相等，极性相反，则相加后相互抵消，因而起到冷端温度变化自动补偿的作用。5 5、热电偶传感器的应用、热电偶传感器的应用、热电偶传感器的应用、热电偶传感器的应用-盐浴炉温度控制系统盐浴炉温度控制系统盐浴炉温度控制系统盐浴炉温度控制系统 盐浴炉温度控制系统用盐浴炉温度控制系统用S S型热电偶检测温度信号，有冷端型热电偶检测温度信号，有冷端补偿，温度信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保补偿，温度信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采用分段查表法获取各点温度。选用可控硅过零触发自动存，采用分段查表法获取各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉温度，控制周期为控制盐浴炉温度，控制周期为2s2s。可按预设温度曲线进行加热，。可按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。并可实时显示加温曲线。 盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、采样保持、盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、采样保持、A/DA/D转换，再由单片机进行数据处理及线性化校正，以实现盐浴炉转换，再由单片机进行数据处理及线性化校正，以实现盐浴炉实际温度的检测和显示。其系统总体框图如下：实际温度的检测和显示。其系统总体框图如下：1.3.7 半导体热敏电阻传感器热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。 在温度传感器中应用最多的有热热电电偶偶、热热电电阻阻（如铂、铜电阻温度计等）和热热敏敏电电阻阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。 n优点：优点： (1) (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（热敏电阻的温度系数比金属大（4 49 9倍）倍） (2) (2) 电电阻阻率率大大，体体积积小小，热热惯惯性性小小，适适于于测测量量点点温温、表表面面温温度度及及快速变化的温度。快速变化的温度。 (3) (3) 结构简单、机械性能好。结构简单、机械性能好。 缺点缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。：线性度较差，复现性和互换性较差。n类型：类型： (1)(1) PTC PTC热敏电阻热敏电阻正温度系数正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用用途途：彩彩电电消消磁磁，各各种种电电器器设设备备的的过过热热保保护护， 发发热热源源的的定定温温控控制制，限流元件。限流元件。 (2) (2) CTRCTR热敏电阻热敏电阻负温度系数负温度系数 以以三三氧氧化化二二钒钒与与钡钡、硅硅等等氧氧化化物物，在在磷磷、硅硅氧氧化化物物的的弱弱还还原原气气氛氛中混合烧结而成中混合烧结而成 用途：温度开关。用途：温度开关。 (3) (3) NTCNTC热敏电阻热敏电阻很高的负电阻温度系数很高的负电阻温度系数 主要由主要由MnMn、CoCo、NiNi、FeFe、CuCu等过渡金属氧化物混合烧结而成等过渡金属氧化物混合烧结而成 用途：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路用途：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路的热补偿线路热敏电阻典型特性热敏电阻典型特性 n正温度系数(PTC)n负温度系数(NTC) n临界温度系数(CTR)n主要参数：主要参数： (1)(1)标 称 电 阻 值RH 在 环 境 温 度 为 250.2时 测 得 的 电 阻 值 ， 又 称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。 (2)(2)耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW /； (3)(3)热容量C 热敏电阻的温度变化1所需吸收或释放的热量，单位为J； (4)(4)能量灵敏度G （W） 使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。 (5)(5)时间常数 温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量T = 0.63 (TT0) 时所需的时间。 (6)(6) 额定功率PE 在标准压力（750mmHg）和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。 1.3.8 基于热电偶的温度控制系统1 1、热电偶传感器与单片机的硬件接口设计、热电偶传感器与单片机的硬件接口设计、热电偶传感器与单片机的硬件接口设计、热电偶传感器与单片机的硬件接口设计 基于热电偶的温度控制系统结构图，如图基于热电偶的温度控制系统结构图，如图1 1所示。整个系统由所示。整个系统由5 5个模块构成，个模块构成，它们是键盘模块、显示模块、温度信导采集转换模块、温度控制信号输出模块它们是键盘模块、显示模块、温度信导采集转换模块、温度控制信号输出模块和单片机模块。该系统能根据用户设置的温度数值，控制加热器和冷却器轮流和单片机模块。该系统能根据用户设置的温度数值，控制加热器和冷却器轮流工作。工作。（1 1）键盘、显示模块键盘、显示模块 键盘模块是用户设置系统工作温度和工作状态的输人设备，采用独立式键键盘模块是用户设置系统工作温度和工作状态的输人设备，采用独立式键盘结构，盘结构，K1K1用于系统运行状态和设置状态转换，用于系统运行状态和设置状态转换，K2K2、K3K3、K4K4分别用来设置温度分别用来设置温度的十位数、个位数和一位小数。显示模块用于显示用户设置的温度值和系统当的十位数、个位数和一位小数。显示模块用于显示用户设置的温度值和系统当前温度。该显示模块采用模拟串口传送，利用前温度。该显示模块采用模拟串口传送，利用74LSl6474LSl64进行串并转换以驱动进行串并转换以驱动LEDLED数码管工作。数码管工作。 图图1 基于热电偶的温度控制系统结构图基于热电偶的温度控制系统结构图 （2 2）温度信号采集转换模块温度信号采集转换模块 温度信号采集和放大电路如图温度信号采集和放大电路如图2 2所示。所示。L1L1为热电偶传感器，它将环境温度为热电偶传感器，它将环境温度高低变成电压信号，送到运算放大器，放大后的信号输出到高低变成电压信号，送到运算放大器，放大后的信号输出到A AD D转换模块。转换模块。 图图2 温度信号采集和放大电路温度信号采集和放大电路 2 2、热电偶传感器与单片机的软件接口设计、热电偶传感器与单片机的软件接口设计、热电偶传感器与单片机的软件接口设计、热电偶传感器与单片机的软件接口设计 系统的软件包括主程序，定时中断程序、温度测员转换程序、温度控制程系统的软件包括主程序，定时中断程序、温度测员转换程序、温度控制程系统的软件包括主程序，定时中断程序、温度测员转换程序、温度控制程系统的软件包括主程序，定时中断程序、温度测员转换程序、温度控制程序、键盘处理程序等。主程序、定时中断程序、温度测量转换程序、温度控制序、键盘处理程序等。主程序、定时中断程序、温度测量转换程序、温度控制序、键盘处理程序等。主程序、定时中断程序、温度测量转换程序、温度控制序、键盘处理程序等。主程序、定时中断程序、温度测量转换程序、温度控制程序和键盘处理程序的流程图分别如图程序和键盘处理程序的流程图分别如图程序和键盘处理程序的流程图分别如图程序和键盘处理程序的流程图分别如图3 3 3 3、图、图、图、图4 4 4 4、图、图、图、图5 5 5 5、图、图、图、图6 6 6 6和图和图和图和图7 7 7 7所示所示所示所示 。图图3 主流程图主流程图 图图4 定时中断服务程序流程图定时中断服务程序流程图 图图5 5 温度转换子程序流程图温度转换子程序流程图 图图6 温度测量子程序流程图温度测量子程序流程图 图图7 设置键处理子程序流程图设置键处理子程序流程图