时间: 2023-12-26 01:55:38 | 作者: 陶瓷加热器
温度是工业环境中很重要的数据，本课题采用热电偶来测量800~1200℃的工业环境和温度，并通过串口形式发送到温度和时间的数据。
热电偶是根据热电效应制成的一种测温元件。它结构相对比较简单，坚固耐用，使用起来更便捷，精度高，测量范围宽，便于远距离、多点、集中测量和自动控制，是应用很广泛的一种温度计。通过19位ADC的MAX31856来对热电偶两端的电压进行数字转换，转换器温度分辨率达0.0078125°C，允许读取最高+1800°C、最低-210°C (取决于热电偶类型)的温度读数，热电偶电压测量精度达±0.15%。
热电偶（thermocouple）是在温度测量中常用的测温元件，它可以直接测量温度，并将温度信号转换成热电动势信号，通过仪器仪表能转换成被测介质的温度。
热电偶测温的基础原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度差时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势。两种不同成份的均质导体为热电极，温度比较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不一样的分度表，这个利用互联网很轻松就可以查到。
热电偶测温范围广，稳定性很高并且精度高。热电偶常常是与被测介质非间接接触，不会受到中间介质的影响。性能牢靠，并且机械强度好。常规使用的寿命长，装配也最简单方便。
热电偶的型号有主要有S型、R型、B型、N型、K型、E型、J型和T型几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶(即铂铑热电偶)，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。
热电偶的种类: 装配热电偶，铠装热电偶，端面热电偶，压簧固定热电偶，高温热电偶，铂铑热电偶，防腐热电偶，耐磨热电偶，高压热电偶，特殊热电偶，手持式热电偶，微型热电偶，贵金属热电偶 ,快速热电偶,钨铼热电偶，单芯铠装热电偶等等。
将MAX31856的CS、SCK、SDI、SDO分别与MSP430F249的P11、P33、P31、P32连接。将DRDY接到LED1的负极，将FAULT接到LED2的负极，用于分别示意两种情况的发生。其中，在T+、T-两端应该加上103、104的滤波电容滤除噪声，在数据高电平DVDD接104到地来滤除噪声。
当热电偶线与不同金属接触时，通常在连接处或在与PCB的焊接处“( 冷端”)形成额外的热电偶。为补偿这些额外的热电偶引起的误差，必须测量冷端温度。这是通过内部高精度温度传感器实现的，在-20°C至+85°C温度范围内，精度优于±0.7°C。通过将MAX31856安装在冷端附近，可测量冷端温度并用于补偿冷端效应。
MAX31856的位置，因为MAX31856包括内部冷端温度传感器，将其安装在温度尽量接近冷端的位置。如果热电偶引线直接焊接到PCB，MAX31856应尽量靠近热电偶引线连接，最大限度减小IC和热电偶连接之间的热梯度。如果热电偶引线端接在连接器上，将IC尽量靠近连接器安装，最大限度减小连接器和IC之间的热梯度。
DS1302需要一个32.768KHz的晶振来提高时钟频率，其电路图如图3-5所示。
软件开始有必要进行初始化，然后读时间和对温度然后通过串口发送数据来进行显示，之后进入低功耗休眠模式。低功耗模式下，定时器继续工作，当到达一段时间后，退出休眠模式。从而，能轻松实现周而复始地读取时间和温度，以及发送时间和温度数据并通过串口显示。软件设计流程图如图所示。
由于串口的收发内容的形式是ASCII码，因此要进行发送时，首先将要发送的内容转换成为字符串格式。对此，能够正常的使用stdio.h中的sprintf函数。其使用功能如下。
int sprintf(char *str, const char *format, …) 发送格式化输出到 str 所指向的字符串。但是，对于IAR平台而言，不支持对浮点数据的转换，所以在将浮点数转换成字符串时，可以将它分成整数和小数两个部分的整数进行转换。
将转换后的字符串依次送入发送寄存器UCA0TXBUF中，及实现了将时间和温度数据发送到串口显示的功能。
对于数码管，它仅用于显示温度数据。将获得的温度数据通过数学方法得到每一位数码管要显示的数字，然后通过定时器中断循环实现数码管的动态显示。
MAX31856的数据传输是通过SPI协议进行的，其通信的时序参数要求见附录2。
对于MSP430F249的USCI中的SPI模块，在进行通信时无法按照MAX31856的SPI通信时序来进行。故此，使用4个普通IO口来模拟SPI通信。下面展示读写MAX31856寄存器的程序。
与MAX31856的通信通过16个包含转换、状态和配置数据的8位寄存器实现，全部设置均通过选择相应寄存器单元的对应地址完成，寄存器存储器映射所示为温度、状态和配置寄存器的地址。存取寄存器时，使用地址0Xh为读操作，地址8Xh为写操作。读写数据时，寄存器MSB在前。如果对只读寄存器执行写操作，不改变该寄存器的值。
对于MAX31856简单初始化而言，需要设置的寄存器有CR0、CR1、MASK这三个寄存器，其详细位说明见附录3。而读取温度时，仅需要读取寄存器LTCBH、LTCBM、LTCBL即可。
MAX31856将冷端温度数据储存在寄存器0Ah和0Bh。使能冷端温度检测时，这些寄存器为只读，其中包含实测冷端温度加冷端失调寄存器的数值。冷端温度检测使能时，读取寄存器操作将DRDY引脚复位为高电平。应通过多字节传输读取该寄存器的两个字节，以确保两个字节的数据来自同一次温度更新。禁止冷端温度检测时，这些寄存器为可读/写寄存器，其中包含最新的实测温度值。若需要，禁止内部冷端检测时，可将来自外部温度传感器的数据写入这些传感器。最大冷端温度箝位在128°C，最小温度箝位在-64°C。若需要，可向冷端失调寄存器(09h)写入温度偏移值。那么寄存器0Ah和0Bh中储存的值将等于实测值加失调值。失调寄存器的MSB为4°C，LSB为0.0625°C。失调值应用到实测冷端温度后得到的结果范围为-8°C至+7.9375°C。默认失调值为0°C (00h)。
热电偶线性化及编码到温度的转换由于所有热电偶都具有非线性，必须对冷端补偿后的原始值进行线性修正，并转换为温度值。为实现这一处理，利用LUT产生经过线性化和冷端补偿的温度值；每次转换后，将其作为19位数据储存在线性化热电偶温度寄存器(0Ch、0Dh和0Eh)中。应通过多字节传输读取全部三个字节，以确保所有数据来自于同一次数据更新。
综上，将MAX31856的CR0寄存器配置为0x80，即设置为连续转换模式；CR1寄存器配置为0x40，即16个采样数据平均，B型热电偶；MASK寄存器配置为0xff；然后按照每5秒读一次线性化热电偶温度寄存器，并将二进制数据转换成对应的温度，通过串口发送和显示在数码管上。
关于DS1302的通信时序，请见附录4。介绍完其通信时序后，当然少不了要对DS1302的相关控制寄存器的简要说明，其控制寄存器见4-2所示。
它一共有7个时间相关的寄存器，可读可写，读写地址不一样。寄存器地址从低到高分别对应的是秒、分、时、日、月、星期、年份的值。在设置时间和获取时间时，就是直接对这几个寄存器的值做相关操作的。不难发现，关于时间的寄存器的格式是BCD码的形式，因此在对时间进行读写时要进行数据转换操作。
对于8F/8E寄存器的最高位WP为写保护，在对寄存器进行写入操作前（包括设置时间操作），应该将WP清零。当写操作结束后，为了尽最大可能避免DS1302不被误写操作，应当将WP置高。
对于串口发送实时时钟相关程序，只需要按照一定的格式发送到串口,然后MSP430F249通过串口接收中断依次获取收到的数据，当达到规定的格式的长度时，将这一些数据（ASCII码）转为BCD码后重新写入到DS1302即可。例如串口发送“10:20:30”一共8个字符，（不需要换行，换行会产生错误），然后接收到数据后存入数组中，当数组存入8个数据后进行判断第3个和第5个字符是否j均为 ’ : ’ ，然后将这一些数据转为BCD码后设置时间。当然，为了能够更好的保证获取的时间数据不出错，可根据时间的范围要求进一步进行判断后才决定是不是使用接收到的时间进行设置，然后发送是否设置成功。具体代码如下：
对于热电偶测量的温度有几率存在一定误差，为了减小误差可以将采样的温度求平均值操作后输出。对于MAX31856而言，其内部可设置为1、2、4、8、16个采样点求均值的操作。对此，我们大家可以设置为16个采样点求均值操作。
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