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1、学习子情境3 热电偶传感器与单片机的接口,学习情景一 变量式传感器与单片机的接口,1.3.1 逻辑运算与循环类指令 1.3.2 控制转移类指令 1.3.3 位操作类指令 1.3.4 伪指令 1.3.5 热电阻传感器 1.3.6 热电偶传感器 1.3.7 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,1.3.1 逻辑运算与循环类指令,逻辑运算指令可以完成与、或、异或、清0和取反操作，当以累加器A为目的操作数时，对P标志有影响；,累加器清0操作对P标志有影响。,循环指令是对累加器A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，移位操作时，带进位的循环移位对CY和P标志有
2、影响；,1.3.2 控制转移类指令,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，这种情况称作程序转移。,控制程序的转移要利用转移指令。51单片机的转移指令有无条件转移、条件转移及子程序调用与返回等。,1.3.3 位操作指令,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4 种表示形式：,直接地址方式（如，0D5H）； 点操作符方式（如，0D0H.5、PSW.5等）； 位名称方式（如，F0）； 伪指令定义方式（如，MYFLAG BIT F0）。 以上几种形式表示的都是PSW中的位5。,与字节操作指令中累加器ACC用字符“A”表示类似的是，在位
3、操作指令中，位累加器要用字符“C”表示（注：在位操作指令中CY与具体的直接位地址D7H对应）。,1.3.4 伪指令,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，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。,一、起始地址设定伪指令 ORG 格式为： ORG 表达式 该指令的功能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16进制地址，也可以是已定义的标号地址。,二、汇编结束伪指令 END 格式为： END 该指令的功能是结束汇编。 汇编程序遇到END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。
4、,三、字节数据定义伪指令 DB 标号： DB 字节数据表 功能是从标号指定的地址开始，在ROM中定义字节数据。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。一个数据占一个存储单元。,四、字数据定义伪指令 DW 标号： DW 字数据表 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：16位的二进制数，高8位存放在低地址单元，低8位存放在高地址单元。,五、空间定义伪指令 DS 标号： DS 表达式 功能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
5、作为备用的空间，并都填以零值。例如：,六、赋值伪指令 EQU 符号名 EQU 表达式 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。,七、位地址符号定义伪指令 BIT 符号名 BIT 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,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。 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、铂热电阻和铜电阻,铂易于提纯，在
6、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。,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。,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、热电阻传感器的应用-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
7、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、热电效应,将两种不同材料的导体A和B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，此现象称为热电效应。,2、热电偶测温基本定律,1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,T,T0,2)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。,T,T0,V,3)参考电极定律 两种导
8、体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,4)中间温度定律 热电偶在两接点温度T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0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：,3、热电偶的材料、结构和种类,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。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：,(1)温度测量范围广,(2)性能稳定,(3)物理化学性能好,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。,工业热电偶结构示意图 1接线盒
9、2保险套管 3绝缘套管 4热电偶丝,1,2,3,4,标准型热电偶主要有：铂铑30-铂铑6热电偶，分度号“B”； 铂铑10-铂热电偶，分度号“S”；镍铬-镍硅热电偶 ，分度号“K”；镍铬-康铜热电偶 ，分度号“E”；铁-康铜热电偶，分度号“J”；铜-康铜热电偶，分度号“T”。 非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。,4、热电偶传感器的冷端温度及其补偿,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T0保持不变的情况下，其热电势EAB(T,T0)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0oC的条件下测得的，因此使用时只有满足T0= 0oC
10、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，因此必须进行修正或补偿措施。,1) 恒温法,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) 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、R
11、2、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。,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、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用S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存，采用分段查表法获取各点温度。选用可控硅过零触
12、发自动控制盐浴炉温度，控制周期为2s。可按预设温度曲线进行加热，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、A/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电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。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。,优点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）
13、 (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。 缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。,类型： (1) PTC热敏电阻正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护， 发热源的定温控制，限流元件。 (2) CTR热敏电阻负温度系数,以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成 用途：温度开关。 (3) NTC热敏电阻很高的负电阻温度系数 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu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的热补偿线路,热敏
14、电阻典型特性,正温度系数(PTC) 负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR),主要参数： (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)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)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)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)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) 额定功率PE 在标准
15、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、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1所示。整个系统由5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。,（1）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，采用独立式键盘结构，K1用于系统运行状态和设置状态转换，K2、K3、K4分别用来设置温度
16、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74LSl64进行串并转换以驱动LED数码管工作。,图1 基于热电偶的温度控制系统结构图,（2）温度信号采集转换模块 温度信号采集和放大电路如图2所示。L1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AD转换模块。,图2 温度信号采集和放大电路,2、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3、图4、图5、图6和图7所示 。,图3 主流程图,图4 定时中断服务程序流程图,图5 温度转换子程序流程图,图6 温度测量子程序流程图,图7 设置键处理子程序流程图,