MAX6675在K型熱電偶溫度測量中的應(yīng)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(tǒng)，系統(tǒng)包括溫度數(shù)據(jù)采集及控制器兩部分。溫度數(shù)據(jù)采集由K型熱電偶、K型熱電偶串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX6675組成，控制器由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jī)組成的測溫控溫系統(tǒng)的硬件組成和軟件的設(shè)計思路。實(shí)踐表明:該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，軟件實(shí)現(xiàn)容易、操作方便，運(yùn)行可靠、成本較低，特別適合小型企業(yè)簡單測溫控制，具有很好的應(yīng)用推廣價值。
0引言
　　熱電偶是常用的測溫元件，價格便宜，使用方便。但現(xiàn)場應(yīng)用中熱電偶冷端溫度不好確定，測量數(shù)據(jù)存在非線性,輸出熱電勢信號微小，需要放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換才能在微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。MAXIM公司于2002開發(fā)出的K型熱電偶變換器集成電路MAX6675則帶有冷端補(bǔ)償、信號放大、將模擬電壓經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號輸出的功能，解決了熱電偶在實(shí)際測量中的需求，使溫度測量儀表或溫度測量、控制系統(tǒng)變得十分簡單。
1系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
1.1熱電偶
　　本系統(tǒng)傳感器采用K型熱電偶。K型熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、測溫范圍寬的特點(diǎn)。根據(jù)熱電偶測溫原理，只有當(dāng)熱電偶的冷端溫度保持不變時，熱電偶才是被測溫度的單值函數(shù)。熱電偶在溫度測量中產(chǎn)生的熱電勢是按冷端溫度為0℃來分度的，在實(shí)際應(yīng)用時，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(bǔ)償"。并且熱電偶輸出的熱電勢是μV級的小電壓模擬信號，需要將這個信號放大。
1.2MAX6675
　　由于K型熱電偶測溫時存在非線性誤差，采用硬件或軟件修正都較為麻煩，本系統(tǒng)采用熱電偶專用A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX6675,對熱電偶的溫度信號進(jìn)行非線性修正、溫度補(bǔ)償、信號放大，大大簡化了硬件配置。
　　MAX6675的特點(diǎn):MAX6675是熱電偶專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要特點(diǎn)有:(1)內(nèi)部集成冷端補(bǔ)償電路;(2)線性校正;(3)熱電偶斷線檢測;(4)12位數(shù)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(fù)極(使用時接地);T+:熱電偶正極;SCK:串行時鐘輸入;`cS:片選信號;SO:串行數(shù)據(jù)輸出;VCC:電源正極;GND:接地;NC:懸空不用2。MAX6675數(shù)字量輸出。MAX6675輸出的數(shù)據(jù)為D0~D15共16位。其中D14~D3對應(yīng)于K型熱電偶熱電勢的數(shù)字轉(zhuǎn)換量，為12位數(shù)據(jù),其最小值為0,對應(yīng)0C,最大值4095，對應(yīng)1023.75C，理論上溫度值與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系為:溫度值=1023.75x轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量/4095。
1.3單片機(jī)
　　系統(tǒng)控制器采用單片機(jī)，通過單片機(jī)對MAX6675信號的進(jìn)行數(shù)字濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換，得到實(shí)時溫度等數(shù)據(jù)，對按鍵信號進(jìn)行實(shí)時檢測，對實(shí)時溫度、預(yù)置溫度等信息，為電熱爐的通斷提供控制的依據(jù)。由于可能在較為惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作，單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。本系統(tǒng)選用STC89系列單片機(jī)中的STC89C58RD+作為系統(tǒng)核心控制芯片，該芯片價格便宜，具有超強(qiáng)抗干擾、高抗靜電、超低功耗等功能，能滿足系統(tǒng)控制要求。
1.4固態(tài)繼電器
　　本系統(tǒng)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)電子元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)元件，他利用電子元器件的電、磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管、功率場效應(yīng)管、單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達(dá)到無觸點(diǎn)、無火花地接通和斷開被控電路。
1.5硬件組成方案
　　熱電偶測溫控制系統(tǒng)采用工業(yè)常用K型熱電偶對某爐溫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，然后把.數(shù)字量送入單片機(jī)，通過單片機(jī)編程達(dá)到溫度實(shí)時顯示及控制。硬件方案如圖2所示。
 
　　在實(shí)際應(yīng)用中可能存在溫度測量、轉(zhuǎn)換有誤差的問題，應(yīng)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(dǎo)線、陶瓷旁路電容降噪等措施。
2溫度標(biāo)定與算法.
2.1溫度與數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系
　　雖然MAX6675芯片對溫度數(shù)據(jù)做了初步非線性處理，但實(shí)際測量時仍會有偏差，為了得出溫度與數(shù)字量關(guān)系的算法，需進(jìn)行了多次采集實(shí)驗(yàn)，--組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
 
2.2溫度與數(shù)值的對應(yīng)算法
　　通過對原始數(shù)據(jù)處理得出的溫度曲線，必須進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，才能得到數(shù)字量轉(zhuǎn)化為溫度的算法。參數(shù)調(diào)整方法多種多樣，較為簡單的是分段核正。設(shè)溫度為T,數(shù)值為n,兩者關(guān)系可用二元一次方程表示。通過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。
　　將這個公式運(yùn)用到單片機(jī)算法程序中，即可得出溫度與數(shù)值的關(guān)系，在控制程序中引用這些數(shù)據(jù)就可以達(dá)到控制目的。
3結(jié)論
　　在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)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(jù)檢測的結(jié)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)中的問題。對溫度信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換，由一體化的MAX6675來完成。對溫度數(shù)字信號處理，則是由單片機(jī)完成，單片機(jī)的種類較多，性能不一，這里主要介紹使用51系列單片機(jī)，51系列單片機(jī)由于其接.口不多，導(dǎo)致復(fù)雜度較低，比較容易理解。將此三個模塊整合以達(dá)到一體化進(jìn)行溫度的采集、檢測與控制，在需要簡易測溫、控溫的工業(yè)領(lǐng)域具有很好的使用前景。