MAX6675在K型熱電偶溫度測量中的應用

摘要:針對工業(yè)測溫控溫存在的需求，介紹一種基于熱電偶測溫控制系統，系統包括溫度數據采集及控制器兩部分。溫度數據采集由K型熱電偶、K型熱電偶串行模數轉換器MAX6675組成，控制器由單片機進(jìn)行數據處理,固態(tài)繼電器進(jìn)行通斷控制。本文闡述了MAX6675與單片機組成的測溫控溫系統的硬件組成和軟件的設計思路。實(shí)踐表明:該系統結構簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現容易、操作方便，運行可靠、成本較低，特別適合小型企業(yè)簡(jiǎn)單測溫控制，具有很好的應用推廣價(jià)值。
0引言
　　熱電偶是常用的測溫元件，價(jià)格便宜，使用方便。但現場(chǎng)應用中熱電偶冷端溫度不好確定，測量數據存在非線(xiàn)性,輸出熱電勢信號微小，需要放大及模數轉換才能在微型計算機控制系統中應用。MAXIM公司于2002開(kāi)發(fā)出的K型熱電偶變換器集成電路MAX6675則帶有冷端補償、信號放大、將模擬電壓經(jīng)模數轉換器轉換成12位數字信號輸出的功能，解決了熱電偶在實(shí)際測量中的需求，使溫度測量?jì)x表或溫度測量、控制系統變得十分簡(jiǎn)單。
1系統的硬件構成
1.1熱電偶
　　本系統傳感器采用K型熱電偶。K型熱電偶具有結構簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、測溫范圍寬的特點(diǎn)。根據熱電偶測溫原理，只有當熱電偶的冷端溫度保持不變時(shí)，熱電偶才是被測溫度的單值函數。熱電偶在溫度測量中產(chǎn)生的熱電勢是按冷端溫度為0℃來(lái)分度的，在實(shí)際應用時(shí)，由于熱電偶的熱端與冷端離得較近，冷端暴露在空中，容易受到環(huán)境溫度的影響，因此冷端溫度很難保持恒定，需要另加冷端補償"。并且熱電偶輸出的熱電勢是μV級的小電壓模擬信號，需要將這個(gè)信號放大。
1.2MAX6675
　　由于K型熱電偶測溫時(shí)存在非線(xiàn)性誤差，采用硬件或軟件修正都較為麻煩，本系統采用熱電偶專(zhuān)用A/D轉換芯片MAX6675,對熱電偶的溫度信號進(jìn)行非線(xiàn)性修正、溫度補償、信號放大，大大簡(jiǎn)化了硬件配置。
　　MAX6675的特點(diǎn):MAX6675是熱電偶專(zhuān)用模數轉換器，主要特點(diǎn)有:(1)內部集成冷端補償電路;(2)線(xiàn)性校正;(3)熱電偶斷線(xiàn)檢測;(4)12位數字量串行輸出，0.25℃分辨率;(5)低功耗;(6)工作溫度-20℃~+85℃;(7)工作電壓為3.0~5.5V。
MAX6675引腳功能:MAX6675引腳排列如圖1所示。
 
　　各引腳功能如下:T-:熱電偶負極(使用時(shí)接地);T+:熱電偶正極;SCK:串行時(shí)鐘輸入;`cS:片選信號;SO:串行數據輸出;VCC:電源正極;GND:接地;NC:懸空不用2。MAX6675數字量輸出。MAX6675輸出的數據為D0~D15共16位。其中D14~D3對應于K型熱電偶熱電勢的數字轉換量，為12位數據,其最小值為0,對應0C,最大值4095，對應1023.75C，理論上溫度值與數字量的對應關(guān)系為:溫度值=1023.75x轉換后的數字量/4095。
1.3單片機
　　系統控制器采用單片機，通過(guò)單片機對MAX6675信號的進(jìn)行數字濾波、標度轉換，得到實(shí)時(shí)溫度等數據，對按鍵信號進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，對實(shí)時(shí)溫度、預置溫度等信息，為電熱爐的通斷提供控制的依據。由于可能在較為惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作，單片機系統應有很強的抗干擾能力。本系統選用STC89系列單片機中的STC89C58RD+作為系統核心控制芯片，該芯片價(jià)格便宜，具有超強抗干擾、高抗靜電、超低功耗等功能，能滿(mǎn)足系統控制要求。
1.4固態(tài)繼電器
　　本系統只考慮通斷電熱爐控制溫度，采用交流固態(tài)繼電器控制電熱爐交流電源通斷。固態(tài)繼電器是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件，他利用電子元器件的電、磁和光特性來(lái)完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管、功率場(chǎng)效應管、單向可控硅和雙向可控硅等器件的開(kāi)關(guān)特性，來(lái)達到無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花地接通和斷開(kāi)被控電路。
1.5硬件組成方案
　　熱電偶測溫控制系統采用工業(yè)常用K型熱電偶對某爐溫進(jìn)行數據采集，用熱電偶數字轉換器MAX6675對K型熱電偶采集的模擬量進(jìn)行模擬量放大、A/D轉換，然后把.數字量送入單片機，通過(guò)單片機編程達到溫度實(shí)時(shí)顯示及控制。硬件方案如圖2所示。
 
　　在實(shí)際應用中可能存在溫度測量、轉換有誤差的問(wèn)題，應注意提高M(jìn)AX6675精度值的措施，如芯片大面積接地技術(shù)、大藏面導線(xiàn)、陶瓷旁路電容降噪等措施。
2溫度標定與算法.
2.1溫度與數值的對應關(guān)系
　　雖然MAX6675芯片對溫度數據做了初步非線(xiàn)性處理，但實(shí)際測量時(shí)仍會(huì )有偏差，為了得出溫度與數字量關(guān)系的算法，需進(jìn)行了多次采集實(shí)驗，--組實(shí)驗數據如表1所示。
 
2.2溫度與數值的對應算法
　　通過(guò)對原始數據處理得出的溫度曲線(xiàn)，必須進(jìn)行參數的調整，才能得到數字量轉化為溫度的算法。參數調整方法多種多樣，較為簡(jiǎn)單的是分段核正。設溫度為T(mén),數值為n,兩者關(guān)系可用二元一次方程表示。通過(guò)Matlab計算可得:
n<166，T=0.27*n-4.86;
165<n<206,T=0.25*n-1.50;
205<n<248，T=0.24*n+0.95;
247<n<289，T=0.24*n-0.49;
288<n<335，T=0.22*n-7.17;
334<n，T=0.26*n-5.90。
　　將這個(gè)公式運用到單片機算法程序中，即可得出溫度與數值的關(guān)系，在控制程序中引用這些數據就可以達到控制目的。
3結論
　　在現代化工業(yè)生產(chǎn)中，對各類(lèi)加熱爐、熱處理爐、反應爐等溫度進(jìn)行的控制方式，多為先對溫度進(jìn)行采集，而后進(jìn)行檢測，根據檢測的結果再進(jìn)行處理，是分步驟進(jìn)行的。對溫度的采集部分，主要由熱電偶傳感器完成，熱電偶傳感器對溫度的采集很大程度解決了工業(yè)中的問(wèn)題。對溫度信息的模數轉換，由一體化的MAX6675來(lái)完成。對溫度數字信號處理，則是由單片機完成，單片機的種類(lèi)較多，性能不一，這里主要介紹使用51系列單片機，51系列單片機由于其接.口不多，導致復雜度較低，比較容易理解。將此三個(gè)模塊整合以達到一體化進(jìn)行溫度的采集、檢測與控制，在需要簡(jiǎn)易測溫、控溫的工業(yè)領(lǐng)域具有很好的使用前景。