基于K型熱電偶的電廠(chǎng)爐溫監測系統設計

　　溫度測量是一門(mén)應用極其廣泛的技術(shù)，無(wú)論是能源動(dòng)力工程中，還是大規模集成電路、生物技術(shù)、航天科技等新興技術(shù)領(lǐng)域中，或者是與我們日常生活相關(guān)的領(lǐng)域中，發(fā)揮著(zhù)非常重要的作用。
　　中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國。大部分的發(fā)電廠(chǎng)鍋爐、工業(yè)鍋爐是以煤炭作為主要燃料的，然而傳統的燒煤方式比較落后，許多鍋爐都采用老式的控制方式，這樣就造成了控制加煤炭量的不準確，造成煤炭的浪費,還會(huì )造成嚴重的空氣污染，因此研究鍋爐溫度的監測與控制，具有非常重要的現實(shí)意義。
1系統總體設計方案
　　電廠(chǎng)爐溫監測系統以STC89C52單片機作為系統總控制器，,使用K型熱電偶作為溫度傳感器,運用1602液晶顯示屏顯示,整個(gè)系統力求結構簡(jiǎn)單功能完善。
　　該系統首先運用傳感器-K型熱電偶把物理信號變成電信號,然后把電信號送入具有信號放大、A/D轉換、冷端補償功能的MAX6675芯片中，芯片再把經(jīng)過(guò)處理的信號變成16位數字量傳送到單片機的I/O口中進(jìn)行顯示,完成系統的顯示工作。系統的控制工作也是由單片機控制,如果鍋爐內溫度低于設定溫度，單片機就會(huì )輸出低電平，經(jīng)過(guò)三極管驅動(dòng)繼電器閉合實(shí)現電阻絲對鍋爐加熱,從而實(shí)現對鍋爐溫度的控制。圖1為該系統的總框圖。

2系統硬件組成
　　熱電偶溫度監測系統主要由4個(gè)部分組成，分別是:信號采集模塊、MAX6675模數轉換模塊、單片機控制及外圍電路、液晶顯示部分。
2.1熱電偶工作原理
　　熱電偶是一種感溫元件,它把溫度信號轉換成熱電動(dòng)勢信號,通過(guò)電氣儀表轉換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是2種不同成分的均質(zhì)導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時(shí),回路中就會(huì )有電流通過(guò),此時(shí)兩端之間就存在熱電動(dòng)勢,這就是所謂的塞貝克效應。2種不同成分的均質(zhì)導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端,溫度較低的一端為自由端,自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據熱電動(dòng)勢與溫度的函數關(guān)系,制成熱電偶分度表;分度表是自由端溫度在0C時(shí)的條件下得到不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第3種金屬材料時(shí),只要該材料2個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢將保持不變，即不受第3種金屬接入回路中的影響。因此,在熱電偶測溫時(shí)，，可接入測量?jì)x表,測得熱電動(dòng)勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。
2.2熱電偶冷端補償方案確定
　　熱電偶測量端為熱端，通過(guò)導線(xiàn)與測量電路連接的端稱(chēng)為熱端，熱電偶在測量溫度時(shí)要求熱電偶的冷端溫度保持不變,其測出來(lái)的熱電動(dòng)勢才會(huì )準確,杯會(huì )影響測量效果,所以要對熱電偶的冷端進(jìn)行溫度補償。
　　冷端補償的方法有分立元器件冷端補償方案和集成電路溫度補償方案。案-的分立元器件冷端補償方案,溫度補償器件體積大,使用不方便。方案二采用熱電偶冷端補償專(zhuān)用芯片MAX6675,MAX6675溫度轉換芯片具有冷端溫度補償以及對溫度進(jìn)行數字化測量2種主要功能，利用內置溫度敏感二極管將環(huán)境溫度轉換成補償電壓，然后通過(guò)模數轉換把補償后的熱電動(dòng)勢轉換為代表溫度的數字量，然后直接從串行接口輸出測量結果。由于第2種方案實(shí)現簡(jiǎn)單,芯片體積小,測量準確,所以本系.統采用第2種方案進(jìn)行熱電偶的冷端補償。
2.3MAX6675信號處理電路與單片機的接口實(shí)現
　　MAX6675采用標準的SPI串行外設總線(xiàn)與單片機接口,因此它只能作為從設備即串行接口芯片。SPI總線(xiàn)系統是一種同步串行外設接口，它可以使單片機與各種外圍設備以串行方式進(jìn)行通信以交換數據。串行外部時(shí)鐘由p3.5提供,它是單片機的串行輸出口TXD,對應于SCK的串行時(shí)鐘輸入,片選信號由p3.6提供,對應于CS,最后由SO口讀取測量結果。圖2為MAX6675與STC89C52連接圖。

2.4報警電路
　　圖3為系統的報警電路圖。

　　在單片機應用系統中，一般的工作狀態(tài)可以通過(guò)指燈或者數碼顯示來(lái)指示,供操作人員參考,了解系統的工作狀態(tài),但是對于某些緊急狀態(tài),比如系統檢測到的錯誤狀態(tài)等,為了使操作人員不忽視系統出現的錯誤，及時(shí)采取措施,還需要某些更容易弓|起別人注意的信號。通常有3種方法來(lái)提示別人系統出現了錯誤。第一種是閃光警示,可以提醒人們注意;第二種是鳴音報警,發(fā)出特定的聲響,作用于人的聽(tīng)覺(jué)器官，易于引起別人的察覺(jué);第三種是語(yǔ)音報警,它不僅能在系統出現錯誤時(shí)發(fā)出語(yǔ)音警報,而且還會(huì )提示出系統發(fā)生錯誤的類(lèi)型。
　　該系統采用的是蜂鳴器報警，蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器,采用直流電壓供電,作發(fā)生器件,廣泛應用于電子產(chǎn)品中。在單片機的開(kāi)發(fā)應用中，蜂鳴器大多用來(lái)提示或者報警,比如按鍵按下、開(kāi)始工作、工作結束故障發(fā)生等。常見(jiàn)的蜂鳴器有2個(gè)端子,較長(cháng)的是正極,較短的是負極。蜂鳴器的工作電流一般比較大,但單片機的I/O口無(wú)法直接驅動(dòng),需要利用放大電路來(lái)驅動(dòng),一般使用三極管放大電流。在本系統中如果單片機P2.0口輸出低電平時(shí)，三極管導通,發(fā)射極的5V電壓就會(huì )驅動(dòng)發(fā)光二極管和蜂鳴器工作。本系統采用的報警方式為一旦系統達到報警要求,發(fā)光二極管閃亮,蜂鳴器鳴叫報敬。
3結束語(yǔ)
　　本系統選用STC89C52單片機為核心控制器，以K型熱電偶為傳感器進(jìn)行信號采集,以MAX6675芯片進(jìn)行采集信號的處理包括信號放大，模擬信號到數字信號的轉換,以及冷端補償功能,采集到的信號直接送給單片機.進(jìn)行溫度的顯示，并由單片機控制選擇是否報警。加熱部分由單片機控制繼電器的通斷，從而控制電路是否給鍋爐加熱,當單片機輸出高電平，繼電器導通，加熱器工作給鍋爐加熱。此項研究的主要結果是顯示被測量鍋爐的溫度，并且計算出系統的平衡熱量。