热电偶高温测量与大屏幕显示目 录论文摘要及关键词 …………………………………1一、概述 ………………………………………………2二、测温系统的要求、功能及组成框图 …………2三、热电偶的测量原理及特性 …………………3 四、电源模块的介绍 …………………………5五、输入通道的介绍 …………………………6（一） 输入通道组成 ………………6（二） 具有冷端补偿的单片K型热电偶放大器与肿黄鱉AX6675介绍 ……………6 （三） 键盘与单片机的连接 ……………10六、输出通道的介绍 ……………………………………11（一） 输出通道组成 ……………………11（二） 数码管的类型及连接方式 ………………11（三） 显示驱动芯片MAX7219介绍 ……………13（四） 键盘与单片机的连接 …………16 七、AT89C51 单片机及引脚说明 18 八、系统硬件设计原理图 ……………………20 （一） I/0 口分配表 …………………………20 （二） 系统原理图 ………………21 九、元器件清单 ……………………21 十、系统软件设计 ……………………22 （一） 内部RAM分配 ……………………22 （二） 程序构成 …………………23 （三） 部分程序流程图 23 十一、参考文献 179
论 文 摘 要
本设计采用热电偶作为测温元件，有键盘可预置温度的上下限，用单片机作为主控电路对温度信号进行加工。在正常温度范围内正常显示温度值，一旦超过温度的上限或下限立即报警以提醒操作者引起注意；而且为保证精度在温度超过1020 0C时单片机会控制继电器自动断开热电偶与后级电路的连接。本设计的另一个特点是应用大尺寸LED数码管显示温度值。
关键词：单片机 K型热电偶 高温测量 MAX6675 冷端补偿 MAX7219 大屏幕显示 三端集成稳压器 超限报警 温度预置
Abstracts The design used as a thermocouple temperature measurement devices, the keyboard can be preset temperature of the upper and lower limits, using SCM as a temperature control circuit for signal processing. In normal temperature range of normal temperature display, once the temperature exceeds the upper or lower limit to report to alert the operator to draw attention, but also to ensure the accuracy of the temperature of over 1020 0C, SCM will automatically disconnect the control relay and after the thermocouple Circuit-level connections. Another feature of this design is the application of large-size LED digital display of temperature. Key words: MCU K-type thermocouple cold-temperature measurements MAX6675 compensation MAX7219 Large-screen display three-gauge Integration Regulators preset temperature alarm
大屏幕显示技术一，概述
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密功相关，因此温度的测量是生产自动化的重要任务。对于不同的生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式、燃料、控制方案也不尽相同。例如在冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制，推断控制，模糊控制等，所以温度是十分关键的影响因素，温度的测量也显得尤为重要。
其中热电偶由于测量精度高、测量范围广，构造简单等优点得到了广泛应用。本设计就是主要利用热电偶和单片机AT89C51构成的温度测量系统。
二，测温系统的要求、功能及组成框图
（一）设计要求利用热电偶和单片机设计一个高温测量系统，能够测量10000C以下的温度，并且用大尺寸的LED数码管显示出温度的值。测温系统含自我保护功能，自检功能，超限报警功能；直接市电输入等。
（二）系统的功能 能测量并显示00C～10200C范围的温度，它默认的上限是10200C，测量精度0.20C。具有开机自检功能；有上下限温度预置，超上限或下限报警功能；有自我保护功能：为保护系统精度当温度超过默认上限即10200C时能自动切断传感器与后级电路的连接，直至复位。
（三）系统的原理框图如图1:图1.系统的原理框图
K型热电偶是一种温度传感器，它把温度信号转变为与为对之应的微弱（mv级别）的电压信号；MAX6675把这种弱的模拟信号经过放大、数字化输出转化为相应的数字量。通过键盘能输入温度的上下限。单片机是最重要的部分，它承前启后:把从前端传来的代表温度值的数字量经过处理，根据其值选择正常输出，报警输出或者超过上限直接把前级电路断开。MAX7219具有数据锁存作用，能通过软件设置LED的亮度，选择位消隐。由于是大屏幕显示，需要的功率较大所以在MAX7219的后端加了一个大功率达林顿管ULN2003。大屏幕LED是共阴型的。在具体的设计中还增加了蜂鸣器，它的作用是超限报警或异常报警；有继电器，当温度超过系统设计中的默认最高限10200C时把热电偶与MAX6675断开，因为此时再送入的值已经处理不了了，不能再确保测量的精度。
三，热电偶的测量原理及特性
热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属或合金构成，一段用作正端，另段用作负端。表1列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。每种热电偶在其规定的温度范围内具有其独特的热电特性。
表1. 常用的热电偶类型类型 正端金属/合金 负端金属/合金 温度范围(°C)T 铜 镍铜合金 -200至+350J 铁 镍铜合金 0至+750K 镍铬合金 镍基热电偶合金 -200至+1250E 镍铬合金 镍铜合金 -200至+900
两种不同类型的金属或半导体接(焊接)在一起后形成两个结点，如图2a所示，环路电压是两个结点温差的函数。这种现象称为Seebeck效应（赛贝克效应，用于解释热能转换为电能的过程）。图2a所示，测量电压VOUT是检测端(热端)结电压与参考端(冷端)结电压之差。因为VH和VC是由两个结点的温度差产生的，VOUT也是温度差的函数。定标因数α对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。
图2b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的节点。图中每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。VOUT仍然是热端与冷端温度之差的函数，与Seebeck系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，冷端温度必须是已知的。图2b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和 冷端温度为0°C (冰水混合物)时是一种最简单的情况，如果TC = 0°C, 则VOUT = VH。这种情况下，热端测量电压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表。所有数据均基于0°C冷端温度。利用冰水混合物作为参考点，通过查找适当表格中的VH 就可以确定热端温度。
在热电偶应用初期，冰水混合物被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。如果冷端温度不是0°C，那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端温度。考虑到非零冷端温度的电压，必需对热电偶输出电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。
热电偶在温度测量中存在着一些缺陷，例如，线性特性较差。虽然它与RTD、温度传感器IC相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。除此之外，RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度，可理想地用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。 四，电源模块的介绍 图3. +5V电源原理图
（一） 电源电路中各电容的作用正常工作时稳压器的输入和输出电压差为2～3V。C1的作用：虽然全波整流的纹波系数相对半波整流而言有很大的改善，但仍与实际要求相差较大，需采用滤波电路进一步减小纹波.滤波通常采用电容的能量存储作用来实现的。由于市电频率较低（50Hz），所以C1一般取值较大，约为1000µF以上。设变压器的次级输出电压为√2*U2*SIN(wt),由于是全波整流，因此不管是在正半周期还是在负半周期，电源电压U2一方面向后级电路供电，一方面向C1进行充电，出于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以很快充满电荷，使电容两端电压Uc1基本上接近U2m，因此U2 ＜Uc1,VD1～VD4管均截止，电容C1通过负载放电，出于放电时间常数τ＝RLC（RL较大），因此放电速度很慢，UC1下降很少。同时U2仍按√2*U2*SIN(wt)的规律上升，一旦U2＞Uc，VD1、VD2导通，U2对C1充电。然后U2又按√2*U2*SIN(wt)的规律下降，当U2＜Uc时，二极管均截止，故C通过RL放电。同理，负半周期时也会出现相同的结果。如此在U2的不断作用下，电容上的电压不断进行充放电，周而复始，从而得到一近似锯齿波的电压UL=Uc，使负载电压的电压大为减少。
C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入高频干扰；C4是电解电容，减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。VD5是保护二极管，当输入端短路时，给输出电容C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be击穿而损坏。
（二） 7805三端集成稳压器介绍集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳
压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。常用的集成稳压器有：金属圆形封装、金属菱形封装、塑料封装、带散热板塑封、扁平式封装、双列直插式封装等。在电子制用中应用较多的是三端固定输出稳压器。
78XX系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为1.5A。它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。78XX系列集成稳压器为三端器件：1脚为输入端，2脚为接地端，3脚为输出端，使用十分方便。
五，输入通道的介绍（一） 输入通道组成 输入通道由K型热电偶，具有冷端补偿的单片K型热电偶放大器与数字转换器MAX6675及键盘等组成。
（二） 具有冷端补偿的单片K型热电偶放大器与数字转换器MAX6675介绍将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，存在着以下几方面的问题。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：与嵌入式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法直接满足这个要求。因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性线、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。Maxim公司新近推出的MAX6675即是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。
1， 性能特点MAX6675的主要特性如下：①简单的SPI串行口温度值输出； ②0℃～+1024℃的测温范围；③12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℃； ⑩2000V的ESD信号。
该器件采用8引脚SO帖片封装。引脚排列如图5所示，引脚功能如表2所列。
表2 MAX6675引脚功能引脚 名称 功 能1 GND 接地端2 T- K型热电偶负极3 T+ K型热电偶正极4 VCC 正电源端5 SCK 串行时钟输入6 CS 片选端，CS为低时启动串行接口7 SO 串行数据输出8 N.C. 空引脚
2， 工作原理MAX6675的内部结构如图6所示。该器件是一复杂的单片热电偶数字转换器，内部具有信号调节放大器、12位的模拟/数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。2.1 温度变换 MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，MAX6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压和送到ADC中转换，以计算热电偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675可获得最佳的测量精度。因此在实际测温应用时，应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。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 )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。2.2 冷端补偿热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0℃～+1023.75℃范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，比温度在-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。2.3 热补偿在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误大小依赖于MAX6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高MAX6675温度测量精度。2.4 噪声补偿MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声影响，可在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1μF陶瓷旁路电容。 2.5 SPI串行接口MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与MCU接口，且MAX6675只能作为从设备。MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图7所示，MAX6675 SPI接口时序如图8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；CS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位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使能地点尽可能接近GND脚；第1位为低以提供MAX6675器件身份码，第0位为三态。3 .MAX6675冷端温度补偿和测量原理MAX6675的内部结构如图6所示。该器件是1个复杂的单片热电偶数字转换器，内部具有信号调节放大器、12位的模拟/数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。内部电路主要包括8部分:
热电偶高温测量与大屏幕显示技术①低噪声电压放大器A1; ②电压跟随器A2;③冷端温度补偿二极管; ④基准电压源;⑤数字控制器; ⑥ 12位ADC;⑦ SPI串行接口(SCK,SO,/CS); ⑧ 模拟开关(S1-S5)。
其工作原理如下:K型热电偶产生的热电势(e)经过A1、A2得到放大后的热电势信号U1，再经过S4送至ADC。有公式U1 = αT * △T =αT *（T – T0） (1)式中: αT:为K型热电偶的电压温度系数，αT=41uV/0C;T和TO分别为被测热端温度，冷端环境温度。与此同时，冷端温度补偿二极管将TO转换成补偿电压U2，有公式U2 = αT * T0 (2)从通过S5送至ADC。在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量，再将U1与U2相加并除以αT，即获得输出电压Uo的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。
4．测温应用MAX6675与单片机的连接。
（三） 键盘与单片机的连接
如上图所示S1～S4分别经一个上拉电阻和一个按钮后与单片机连接。S5接到外部中断0（/INT0）当S5按下时系统会产生中断(外部中断0)，就可以通过S1～S4去设置系统的上下限了。S1和S2分别是上下限设置键：S1按下后通过按下S3改变当前位数值大小，通过按下S4设置个位至万位上的数值。S2与S1同理，只是设置温度的下限罢了。
六，输出通道的介绍
（一） 输出通道组成输出通道由MAX7219，ULN2003，大尺寸LED数码管，及蜂鸣器，继电器等构成。
（二） 数码管的类型及连接方式led(light emitting diode)显示是项目开发中经常遇到的一种显示方法，其具有亮度高、全视角、使用寿命长、驱动简单等突出特点，因而在一些高端和大型的器材和设备上使用较为广泛。常用到的led主要是指下列几种：
1， 7-段数码led，分共阴和共阳两种，原理图见11和12；2，常用nxm led点阵：如8x8 led 点阵模块、5x7 led点阵模块等，其他分为共阴和共阳两种；
所谓共阴极，即是将所有led的阴极连接到一起，而共阳极则相反，所有的阳极被连接到了一起。但不管哪种结构，其显示设计的原理基本相同，唯一的是其驱动的电路的设计有所差异，一般共阴极采用推（push）电流的方式来驱动，而共阳极结构则采用拉（pull）电流的方式来驱动。根据led显示的硬件设计方法的不同，led显示驱动分为静态法和动态法两大类：
2．1 静态显示驱动法：
所谓静态显示驱动法，即是指每一个led灯分别对应一个独立的I/O驱动口；其点亮和关闭由该I/O来对其进行控制，互不干扰，见图13（注：对于I/O驱动能力弱的mcu，必须增加外部的驱动芯片或驱动三极管等器件）。此种设计一般应用在对单个led的驱动或led数量较少，且所选的mcu I/O比较充裕的情况下。比如一些项目的led指示灯、产品的设计中只有一个7－段led码需要显示等。
由于每一个led均由独立的I/O口来控制，因此此种显示驱动的软件设计比较简单明了，无需特别的处理，在需要点亮和关闭时设置相应的I/O输出口的电平即可（即“0”或“1”，具体须根据驱动电路的设计来决定）。优点：电路设计简单，编程简单，而且led的亮度控制容易，只需在驱动端增加相应的电流调节电阻即可方便地实现亮度的调节（对于存在独立驱动的设计，还可以通过调整驱动电压来达到亮度的调节）。 缺点：由于每一个led灯需要一个io口，因此对io口的需求较大，不易实现大数量的led驱动和显示，扩展性能差。 2.2 动态的显示驱动法：与静态显示方法不同，动态led显示的设计方法是将不同led模块的所有的led的驱动端一对一地连接到一起，见图14，而将其公共极（阴极或阳极）分别由不同的io口来驱动（主要针对7－段码和led点阵模块）。在此，我们称其公共极为扫描线或地址线（因此种连接方法类似于存储器的内部连接，每个led点相当与memory中的一个bit），不同的led模块（类似于memory中的一个byte）用不同的扫描线地址线来进行选定。由于所有的led模块公用了驱动端，因此led的驱动不再像静态法一样为每个led所独享，因此其驱动的设计方法也与静态法完全不同，需要采用分时扫描（也称动态扫描）方法来实现对所有led的显示驱动，其原理如下（以图14为例）：①. 将a0设置为高电平，也即允许第一组led显示，同时将a2，a3，a4设置为低电平，也即关闭该阴极所对应的led组的显示； ②. 在p0口输出a0组对应的显示数据（也称为pattern），如字符点阵数据，7－段码对应的数字的数据等，该数据可以通过rom表的形式来预先定义； ③. 保持一定的时间t，该时间即为所设定定时器的中断时间； ④. 将a0口设置为低电平，关闭a0组led的显示； ⑤. 将a1设置为高电平，其他几个设置为低电平，开启a1组对应的led的显示； ⑥. 在p0口输出a1组对应的显示数据（也称为pattern，意义同上）； ⑦. 重复以上步骤，直到所有组被扫描一遍，然后又从a0组开始下一个循环，如此周而复始，实现所有led的动态显示。 在本设计中用到的显示方式是共阴极动态扫描方式。MAX7219是串行（SPI）接口，它与单片机的连接非常方便，控制数码管的显示也很方便。
大屏幕显示技术(三) 八位串行接口LED 显示器驱动芯片MAX7219介绍
MAX7219 是一种高性能的八位串行接口L ED 显示器驱动芯片, 采用共阴极动态扫描方式。其峰值段电流可达40mA ,最高串行时钟速率为10MHz , 典型扫描速率为1300Hz(V = +5V , 八位扫描)。作为MCS-51 系列单片机串行接口, 仅占用了3 根I/O 口线, 除峰值段电流设定电阻RSET外, 无需外接其他任何元件, 即可驱动八位共阴LED 显示器。与其他八位L ED 显示器驱动芯片(如ICM7218 )相比,综合性能指标高得多。尤其是, 当工作于关闭(SHUTDOWN )方式时, 不仅单片机仍可对其传送数据和修改控制方式,而且芯片耗电仅为150μA ,故该LED 显示器可用于电池供电的便携式仪表中。1 、MAX7219 的内部结构MAXIM 公司提供了两个级别(商业及和工业级)、五种型号的MAX7219 芯片。其中,商业级24 脚窄型塑封DIP 型号为MAX7219CN G (0～70 ℃, 4V～6V电源, Pmax = 0. 87W )。其引脚排列和内部结构分别如图15 和图16 所示。从图16可知, MAX7219 内含一个16bit移位寄存器(以串行方式接收待显示位的数据或控制寄存器的控制字及相应寄存器的地址码)、地址译码寄存和与显示数据、控制方式有关的13 个寄存器, 它们是: 8 个带旁路通道的B 码译码编程器ROM (与8 ×8 双端口RAM 相连)、译码方式控制寄存器(决定显示数据是采用8 个ROM 中已编程的BCD 码译码还是采用非编码方式—SRAM中数据经旁路通道直接送相应位的各段)、亮度控制寄存器、扫描位数寄存器、关闭控制寄存器和显示器测试寄存器。片内实际并无NO2OP 寄存器,当移入16bit ,移位寄存器中的D8～D11 位为0000 时, 本级芯片只作一次空操作, 相当于MCS51 中的 NOP 指令。片内段电流基准源根据RSET的值, 提供大约100 倍于ISET 端电流的段电流。扫描位数寄存器的编程设定值
控制多路扫描开关对相应各位进行动态扫描。片内还提供了完整的段、位驱动器, 只要段电流不超过40mA ,一个芯片可直接驱动八位L ED 显示器, 无需外接其他元件或芯片。从而, 大大简化了电路设计和元件数目,缩小了印制板空间,提高了系统可靠性,也降低了系统功耗。
2 、引脚说明MAX7219 的引脚可分为电源、串行输入/ 输出和段/ 位驱动三类,具体说明见表3 。
表3 MAX7219管脚说明引 脚 符 号 功能说明19 V+ 电源端(4～ 6V ,典型值5V ±10% )4.,9 GND 地18 ISET 经电阻RSET与V + 相连,以设定段电流峰值。1 DIN 串行数据输入端(在CL K上升沿,数据装入内部16bit移位寄存器)13 CLK 串行时钟输入端。在CL K上升沿,数据移入内部移位寄存器;在CL K下降沿,数据移出DOU T端。24 DOUT 串行数据输出端。移入D IN 端的串行数据在16. 5个时钟周期后,在DOU T端有效。2,3,5∽8,10,11 DIG 0 ∽DIG 7 八位位驱动线,从显示器吸收电流。14∽17,20∽23 SEG A ∽SEG G, DP 七段和小数点驱动线,为显示器提供段电流。
3 、片内寄存器的数据格式MAX7219 片内寄存器的数据格式如表4 所列。
4 、典型应用电路
图17. AT89C51 和MAX7219 的连接方式
（三） 大功率达林顿管ULN2003介绍
ULN2000是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A电路是美国Texas Instruments公司和Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路。
功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。在大型仪器仪表系统中，经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。ULN2003高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，由于这类器件功能强、应用范围语广。因此，许多公司都生产高压大电流达林顿晶体管阵列产品，从而形成了各种系列产品，ULN2000、ULN2800系列就是美国Texas Instruments公司、美国Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列产品。美国Texas Instruments公司、美国Sprague公司生产的ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。以下介绍该电路的构成、性能特征、电参数以及典型应用。ULN2003A电路具有以下特点：△电流增益高（大于1000）； △带负载能力强（输出电流大于500mA）；△温度范围宽（-40～85℃）； △工作电压高（大于50V）。
ULN2003电路主要用于如下领域： △伺服电机； △步进电机； △电磁阀； △可控照明灯。
2 管脚排列ULN2003A电路的管脚排列如图19左所示，右为其原理和引脚功能图，各引出端的功能符号及说明如表5所列
表5 引出端功能符号引出端序号 符号 功能 引出端序号 符号 同意功能1 1B 输入 9 COM 公共端2 2B 输入 10 7C 输出3 3B 输入 11 6C 输出4 4B 输入 12 5C 输出5 5B 输入 13 4C 输出6 6B 输入 14 3C 输出7 7B 输入 15 2C 输出8 E 发射极 16 1C 输出
3 电参数: 表6所列为ULN2003A电路的极限参数。
表6 ULN2003A的极限参数项目 符号 数值 单位最大输入电压 Vi(max) 30 V集电极-发射极电压 Vo(max) 50 V最大基极输入电流 IB(MAX) 25 mA输出电流 Io 500 mA贮存温度 Ts -65～150 ℃结温 Tj 175 ℃引线耐焊接温度 TD 300 ℃
七，AT89C51单片机及其引脚说明
AT89C51单片机是51系列单片机的一个成员，内部自带4K字节可编程FLASH可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管
热电偶高温测量与大屏幕显示技术脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C51构成的单片机系统是具有结构简单、造价低廉、效率高的微控制系统，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。
AT89C51是一个有40个引脚的芯片，引脚配置如图3所示。与8031相比，AT89C51自带4K的ROM和128B的RAM，因此编写中小型系统就无需任何硬件进行扩展。
1．主要特性：•与MCS-51 兼容 •4K字节可编程闪烁存储器 •寿命：1000写/擦循环 •数据保留时间：10年•全静态工作：0Hz-24Hz •三级程序存储器锁定•128*8位内部RAM •32可编程I/O线•两个16位定时器/计数器 •5个中断源 •可编程串行通道 •低功耗的闲置和掉电模式•片内振荡器和时钟电路
2．管脚说明AT89C51芯片的40个引脚功能为：VCC：电源电压。 GND：接地。RST：复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时所有I/O引脚复位至“1”。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡放大器的输出。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。 P0口：8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：8位双向I/O口。引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1” 后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。
P2口：带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P3口：引脚P3.0～P3.7为带内部上拉的双向I/0引脚。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。
表7 P3口特殊功能 P3口引脚 特殊功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0 (外部中断0)P3.3 /INT1 (外部中断1)P3.4 T0（定时器0外部输入）P3.5 T1（定时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
3．振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4．芯片擦除： 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 八，系统硬件设计原理图（一） I/O口分配表：
表8 单片机I/O口分配表I/O口 连接至 说明P0.0 按钮S1 温度值下限预置键P0.1 按钮S2 温度值上限预置键P0.2 按钮S3 温度值预置循环加1键P0.3 按钮S4 温度值预置循环左移键P1.0 SO MAX6675串行数据输出端P1.1 /CS MAX76675片选端P1.2 SCK MAX6675串行时钟输入端P1.3 LED2 故障或异常指示灯P1.4 蜂鸣器 报警P1.5 DIN MAX7219串行数据输入端P1.6 DOUT MAX7219串行数据输出端P1.7 CLK MAX7219串行时钟输入端P3.1 ULN2003 驱动小数点显示P3.2 按钮S5 温度值上下限设置键P3.7 LED1 单片机正常工作指示灯
（二） 系统原理图九，元器件清单 表8 系统元器件清单元器件名称 型号规格 数量 备注单片机 AT89C51 1 DIP-40封装单片K型热电偶放大与数字转换器 MAX6675 1 MAXIM公司生产的K型热电偶串行模数转换器SO - 8 封装红.绿色发光二极管 ￠3 3 绿色2个，红色1个LED显示驱动器 MAX7219 1 MAXIM公司生产的一种串行接口方式LED显示驱动器三端集成稳压器 LM7805 1 蜂鸣器 1 压电式蜂鸣器
热电偶高温测量与大屏幕显示技术晶振 12MHz 1 为单片机提供时钟4寸LED数码管 共阴极 5 温度值显示K型热电偶 表面型 10 温度测量传感器电解电容 10uF/16V 1 电解电容 1000uF/25V 1 电阻 0.5K 3 误差1%,炭膜,1/4W
1K 7 10K 1 470Ω 3 电容 0.33uF 1 贴片电容 0.1uF 1 22pF 2 IC芯片插座 40脚 1 双列直插
20脚 1 8脚 1
十，系统软件设计（一） RAM分配表 表9 单片机RAM分配表位 自 检 20H.0 0 ROM无故障 1 ROM有故障 20H.1 0 RAM无故障 1 RAM有故障 位消隐 20H.3 1 显示4位，万位消隐 20H.4 1 显示3位，万、千位消隐 20H.5 1 显示2位，万、千、百位消隐 停机 20H.6 1 停止显示 超 限 20H.2 1 10000C﹤t﹤10200C,默认上限 20H.7 1 10200C﹤t，绝对超上限 20H.0 1 温度超默认下限 20H.1 1 温度超默认上限
字节 16位 21H～22H 从MAX6675传来的16位数据存放地址 12位 23H～24H 表示温度值1的12位数据存放地址 25H～26H 表示温度值2的12位数据存放地址 27H～28H 表示温度值3的12位数据存放地址 29H～2AH 表示温度值4的12位数据存放地址 2BH～2CH 表示温度值5的12位数据存放地址 12位 2DH～2EH 中位值数据存放地址 BCD 30H～34H 待显示的5位非压缩BCD码存放地址区，个→万 BCD 40H～44H 温度下限预置存放地址区，个→万 BCD 45H～49H 温度上限预置存放地址区，个→万
（二）程序构成
1.主程序:MAIN2.ROM自检程序:TROM3.RAM自检程序:TRAM4.数码管初始化程序:TLEDI5.ROMRAM故障报警程序:ROMRAMBJ6.MAX7219写入程序：DINPUT7.数码管显示检测程序:TLEDD8.T0中断服务程序:T0INTSER9.MAX6675数据读取程序:DATAIN10.中值滤波程序:FDSORT11.超限检测程序:LOWHIGT12.16位二进制数数转BCD码程序:HEXBCD13.键盘程序(/INT0中断服务程序):KEYBOARD
大屏幕显示技术参考文献肖洪兵. 跟我学用单片机. 北京：北京航空航天大学出版社,2002.8
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