MAX6675在K型熱電偶溫度測量中的應用

 

引 言

        熱電偶是常用的測溫元件，價格便宜，使用方便。但現場應用中熱電偶冷端溫度不好確定，測量數據存在非線性，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 開發出的 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，解決了熱電偶在實際測量中的需求，使溫度測量儀表或溫度測量、控制系統變得十分簡單。

 

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單、價格便宜、測溫范圍寬的特點。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，熱電偶才是被測溫度的單值函數。熱電偶在溫度測量中產生的熱電勢是按冷端溫度為 0℃來分度的，在實際應用時，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 [1]。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。

 

1.2 MAX6675

        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，本系統采用熱電偶專用 A/D 轉換芯片 MAX6675，對熱電偶的溫度信號進行非線性修正、溫度補償、信號放大，大大簡化了硬件配置。MAX6675 的特點：MAX6675 是熱電偶專用模數轉換器，主要特點有：（1）內部集成冷端補償電路；（2）線性校正；（3）熱電偶斷線檢測；（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（使用時接地）；T+：熱電偶正極；SCK：串行時鐘輸入；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 0℃，最大值 4095，對應 1023.75℃，理論上溫度值與數字量的對應關系為：溫度值 =1023.75× 轉換后的數字量 /4095[3]。

 

1.3 單片機

        系統控制器采用單片機，通過單片機對 MAX6675 信號的進行數字濾波、標度轉換，得到實時溫度等數據，對按鍵信號進行實時檢測，對實時溫度、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環境下工作，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，該芯片價格便宜，具有超強抗干擾、高抗靜電、超低功耗等功能，能滿足系統控制要求。

 

1.4 固態繼電器

        本系統只考慮通斷電熱爐控制溫度，采用交流固態繼電器控制電熱爐交流電源通斷。固態繼電器是一種全部由固態電子元件組成的無觸點開關元件，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、功率場效應管、單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點、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采用工業常用 K 型熱電偶對某爐溫進行數據采集，用熱電偶數字轉換器 MAX6675 對 K 型熱電偶采集的模擬量進行模擬量放大、A/D 轉換，然后把數字量送入單片機，通過單片機編程達到溫度實時顯示及控制。硬件方案如圖 2 所示。

        在實際應用中可能存在溫度測量、轉換有誤差的問題，應注意提高 MAX6675 精度值的措施，如芯片大面積接地技術、大截面導線、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系

        雖然 MAX6675 芯片對溫度數據做了初步非線性處理，但實際測量時仍會有偏差，為了得出溫度與數字量關系的算法，需進行了多次采集實驗，一組實驗數據如表 1 所示。

2.2 溫度與數值的對應算法

        通過對原始數據處理得出的溫度曲線，必須進行參數的調整，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，較為簡單的是分段核正。設溫度為 T，數值為 n，兩者關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。

將這個公式運用到單片機算法程序中，即可得出溫度與數值的關系，在控制程序中引用這些數據就可以達到控制目的。

 

3 結 論

        在現代化工業生產中，對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐等溫度進行的控制方式，多為先對溫度進行采集，而后進行檢測，根據檢測的結果再進行處理，是分步驟進行的。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中的問題。對溫度信息的模數轉換，由一體化的 MAX6675 來完成。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。將此三個模塊整合以達到一體化進行溫度的采集、檢測與控制，在需要簡易測溫、控溫的工業領域具有很好的使用前景。