MAX6675在K型熱電偶溫度測量中的應用

摘要:針對工業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，控制器由單片機進行數據處理,固態繼電器進行通斷控制。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。實踐表明:該系統結構簡單，軟件實現容易、操作方便，運行可靠、成本較低，特別適合小型企業簡單測溫控制，具有很好的應用推廣價值。
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"。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0C,最大值4095，對應1023.75C，理論上溫度值與數字量的對應關系為: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、大藏面導線、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，--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。