基于K型熱電偶的多路溫控系統(tǒng)的研究

[摘要]對多種高溫測量與控制系統(tǒng)進行了比較研究,設計了一種基于K型熱電偶的多路溫度采集與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由以S3C2440ARM9芯片為核心的上位機和以C8051F020單片機為核心的下位機構(gòu)成。上位機用于人機界面交互并通過Modbus串行通信協(xié)議控制下位機工作。下位機根據(jù)上位機發(fā)送的指令執(zhí)行相應的溫度采集動作并根據(jù)上位機發(fā)送的預設溫度曲線參數(shù)設置相應的PID參數(shù)控制發(fā)熱模塊加熱。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)測溫范圍大測溫精度高系統(tǒng)穩(wěn)定性好能很好的滿足各種工業(yè)溫控需要。
1引言
　　在電子裝配、冶金、機械制造、化工等工業(yè)領域高溫(如1000℃)測量是一個經(jīng)常性的課題溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的工藝參數(shù)之一。溫度測控系統(tǒng)的質(zhì)量經(jīng)常成為解決問題的關鍵因素。溫度測量方式一般分為接觸式和非接觸式兩類。非接觸式測溫通過熱輻射原理測量溫度受物體的發(fā)射率、測量距離煙塵和水氣等外界因素的影響其測量誤差較大。接觸式測溫系統(tǒng)相對比較簡單.運行相對可靠.且測量精度較高。在高溫測量領域接觸式測量比較常用的測溫元件有基于力學原理的玻璃液體溫度計、雙金屬溫度計、壓力式溫度計和基于電學原理的熱電阻和熱電偶等'2。比較而言采用熱電阻和熱電偶的溫控系統(tǒng)測控電路簡單測溫范圍大能長時間的自動運行。采用廉價的K型(鎳鉻鎳硅)熱電偶的溫控系統(tǒng)相比采用其它型號熱電偶或熱電阻的溫控系統(tǒng)而言成本更低適用范圍更廣。設計-套帶有友好的人機界面的、溫控效果好、價格便宜.方便攜帶、具有很好的移植性的溫控系統(tǒng)很有必要。選用K型熱電偶比較了溫度轉(zhuǎn)換芯片MAX6675和AD595的測溫效果,設計了一套帶LCD驅(qū)動顯示的溫控系統(tǒng),實驗證明系統(tǒng)在32位的實時嵌入式窗口操作系統(tǒng)windowsCE5.0下能高效穩(wěn)定的運行。
2系統(tǒng)設計
2.1k型熱電偶測溫的原理
　　兩種不同的導體組成的閉合回路就構(gòu)成了熱電偶,兩種不同材質(zhì)導體接觸時會產(chǎn)生接觸電動勢同一導體當其兩端溫度不同時會產(chǎn)生溫差電動勢兩者珈即為電偶回路總熱電動勢"。電偶回路總熱電動勢EAB(T,Tr)可用式(1)表示。
 
　　式中T,To-熱端和冷端溫度SAB---賽貝克系數(shù)其大小取決于熱電極材料的相對特性。
　　對K型熱電偶當溫度變化1℃時電壓變化為41μV。因
　　此K型熱電偶的電壓-溫度對應關系如式(2)所示。由公式可知,T。確定時能測得EAB(T,T0)則可求得T。通常將工作端置于被測溫度場中,自由端通過補償導線連入測控電路。為了簡化測量電路選用集成了測量T0溫度功能的溫度轉(zhuǎn)換芯片即集成了熱電偶的冷端補償電路的溫度轉(zhuǎn)換芯片。
2.2系統(tǒng)構(gòu)成
　　設計的系統(tǒng)上位機采用的是一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式微處理器S3C2440,該處理器主要面向手持式設
　　備以及高性價比、低功耗方面的應用。人機界面采用帶觸摸屏的8英寸LCD。下位機的核心采用的是集成混合信號系統(tǒng)級MCU芯片C8051F020。該單片機運行速度高(可達25MIPS)具有64個數(shù)字I0引腳片內(nèi)集成有ADC硬件支持PWM功能和兩路串口。溫控系統(tǒng)采用閉環(huán)控制。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
　　8路K型熱電偶放置于測溫點,K型熱電偶產(chǎn)生的電壓信號傳遞給測溫電路進行處理。測溫電路中的溫度轉(zhuǎn)換芯片將溫度值(對基于Max6675測溫方案)或放大后的電壓值(對基于AD595的測溫方案)傳遞給單片機進行處理單片機在PID算法的控制下發(fā)出PWM信號控制固態(tài)繼電器進而驅(qū)動發(fā)熱芯加熱。S3C2440通過串行Modbus協(xié)議發(fā)送相應的測溫、加熱指令給單片機定時讀回各測溫點的溫度值并圖形化顯示于LCD上。
3溫控電路的設計與比較
3.1模擬多路開關的選擇
　　如果每一路測溫電路都采用各自的輸入回路,獨立的溫度轉(zhuǎn)換芯片、采放大濾波電路,不僅會使系統(tǒng)體積龐大急劇增加成本而且由于模擬器件阻容元件參數(shù)都具有一定的離散性這使得系統(tǒng)的校準具有很大困難。因此系統(tǒng)并不是將K型熱電偶的冷端直接連接到溫度轉(zhuǎn)換芯片的輸入端。而是先將K型熱電偶的冷端連接到一模擬多路選擇開關然后將模擬多路開關的公共輸出端和接地端連接到溫度轉(zhuǎn)換芯片的輸入端。由于K型熱電偶的賽貝克系數(shù)只有41μ/℃為了保證測量精度模擬多路開關的的選擇非常關鍵。對本系統(tǒng)而言主要需要考慮如下幾個指標通道數(shù)N漏電流Is導通電阻Ron。由多路開關所引起的電壓誤差Ud由公式(3)決定根據(jù)系統(tǒng)精度的需要選擇了-款某公司生產(chǎn)的8通道的低泄漏(0.01nA)低導通電阻(4.50)的模擬多路開關Max47818。Ud≈NxIsxRon(3)
3.2基于Max6675測溫電路設計
　　目前比較常用的兩種K型熱電偶的測溫芯片是Max6675和AD595。Max6675價格比較便宜帶有冷端溫度補償線性校正、熱電偶斷線檢測等功能。芯片手冊注明其測溫范圍為(0~1023.75)C溫度分辨能力為0.125℃在(0~700)℃范圍內(nèi)溫度測試誤差不大于8LSB.冷端補償范圍為(-20~+85)℃工作電壓(+3.0-+5.5)VH。其能將K型熱電偶上的電壓信號直接轉(zhuǎn)換成12位的溫度量并通過SPI總線輸出。當輸出的12位數(shù)據(jù)都為0時表示溫度為0℃當輸出全為1時表示溫度為(+1023.75)℃。
 
式中N--MAX6675輸出的讀數(shù)。
　　基于MAX6675溫度轉(zhuǎn)換芯片的測溫原理圖如圖2所示。
 
　　C8051F020集成了標準SPI總線接口,同時也可以通過普通I0口模擬SPI總線時序,與MAX6675進行通信。C8051F020的P3.2.P33、P3.4用于選擇模擬多路開關接通的通道。為測試該測溫電路的質(zhì)量需要進行標定。標定的原理是采用一塊標定用溫度表,該表能線性的輸出某一溫度下K型熱電偶回路對應所產(chǎn)生的電壓值該電壓通過補償導線輸入到一個溫度采集通道C8051F020通過串口將溫度值輸出。比較標定表設定的溫度值和C8051F020輸出的溫度值就可對測溫電路進行標定。實驗結(jié)果表明該測溫電路的溫度偏差較大達8℃數(shù)據(jù)跳動為(±1)℃。經(jīng)分析這主要是因為MAX6675芯片上存在缺陷所造成的其將芯片的溫度當做K型熱電偶冷端的溫度而芯片體積比較小由于電路板發(fā)熱、芯片自身發(fā)熱使得芯片的溫度比K型熱電偶冷端的實際溫度要高由此引入較大的誤差。進-步實驗發(fā)現(xiàn)當為　　　MAX6675芯片增散熱片實行風冷時其測量結(jié)果有所改善但溫度偏差依舊達5℃。因此基于MAX6675溫度轉(zhuǎn)換芯片的測溫電路其測量精度比較低只能用于一些測量溫度比較高但精度要求不是很嚴格的場合。
3.3基于AD595的測溫電路
　　AD595是某公司生產(chǎn)的一款熱電偶放大器,它集成了運算放大和熱電偶冷端補償功能。為了減少因芯片自身發(fā)熱引|起的測量誤差AD595采用了低能耗設計,一個無負載的AD595的總工作電流是160μA,帶負載工作時也只會參數(shù)額外的5mA的電流同時AD595使用了低熱阻抗的封裝。AD595能夠用一個單端電壓供電對供電電壓要求并不嚴格。如果用負電壓則可以測量0C以下的溫度。AD595通過激光微調(diào)來與K型熱電偶特性相匹配計算了冷端溫度并經(jīng)過校正放大后將熱電偶的電壓直接轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生-個10mVPC的輸出。K型熱電偶的賽貝克系數(shù)為41μV/°C,因此AD595的放大倍數(shù)為247.3(10mVPC除以41μV/C)。為了保證在259C時的輸出電壓為250mV,熱電偶的輸入電壓經(jīng)過了校正校正系數(shù)為11μV。熱電偶的輸入電壓VK與AD595的輸出電壓Vout如式(5)所示為Vout(VA+11μV)x247.3(5)
　　由K型熱電偶的特性可知K型熱電偶的輸出電壓并不完全正比于冷熱端溫度差但在一個小的溫度變化范圍內(nèi)(比如10C或209C可根據(jù)K型熱電偶的溫度電壓特性曲線分段選取)仍然可以線性化處理。這樣當獲得AD595的輸出電壓Vout后按公式(5)求出熱電偶的輸入電壓VK然后線性插值就可求得K型熱電偶的測試端溫度值。C8051F020內(nèi)部含有片內(nèi)12位SARADC(ADC0),-個9通道輸入多路選擇開關和可編程增益放大器。該ADC工作在100ksps的最大采樣速率時可提供真正的12位精度INL為(+1)LSB。基于AD595的測溫電路示意圖如圖3所示。
 
　　8路k型熱電偶的輸出端分別接到兩片MAX4781多路開關的輸入引腳_上。多路開關的輸出腳連接到AD595的輸入弓腳。AD595采用+12V單路供電經(jīng)過AD595處理后的信號從AD595的第9腳輸出。AD595的輸出的電壓經(jīng)過兩級運算放大器濾波放大(放大系數(shù)為13)處理后輸出到單片機C8051F020第18腳AIN0.0,即C8051F020內(nèi)部12ADC的輸入弓|腳。單片機將采集到的電壓數(shù)據(jù)進行濾波處理后插值求得溫度值。由于溫度量是一個緩慢變化量,因此在數(shù)據(jù)采集的時候可以一次采集10組數(shù)據(jù)然后經(jīng)過將最大值與最小值的平均值作為某時刻該路K電偶的測溫結(jié)果實驗驗證該測溫電路的測溫精度能達到±1℃能滿足系統(tǒng)的測溫需要。
3.4加熱模塊設計
　　溫控系統(tǒng)的控制對象為兩個紅外加熱器和一個電阻絲加熱器。可以通過PWM方式調(diào)節(jié)加熱模塊的輸出功率。為減小外界對溫控系統(tǒng)的干擾,采用光耦將驅(qū)動電路和單片機的輸出口隔離。單片機輸出的PWM信號經(jīng)過一-級光耦隔離輸出到固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器的輸入控制端工作電壓為24V輸出端工作為220V交流電。一路的加熱電路如圖4所示。
 
　　光耦的第二個弓|腳連接到單片機的P3.4腳。加熱模塊與基于AD595的加熱模塊構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng),系統(tǒng)采用PID算法進行控制調(diào)節(jié)。
4軟件設計
　　系統(tǒng)中,下位機與下位機采用標準RS232串行接口連接為保證通信質(zhì)量采用了工業(yè)領域最流行的網(wǎng)絡應用協(xié)議Modbus。S3C2440與C8051F020都集成有標準的串口,這使得上位機與下位機通信比較簡單。.上位機軟件的開發(fā)環(huán)境是windowsce5.0,開發(fā)工具是eMebeddedVisualC++。上位機軟件主要需要實現(xiàn)加熱溫度曲線的設置與管理溫度參數(shù)的發(fā)送溫度狀態(tài)的監(jiān)控。要實現(xiàn)與下位機的通信，上位機還需要實現(xiàn)Modbus主站協(xié)議。整個上位機軟件結(jié)果如圖5所示。
 
　　在人機交互界面中用戶設定相應的溫度曲線參數(shù)或直接調(diào)用系統(tǒng)中已經(jīng)儲存的溫度曲線參數(shù)然后操作相應的加熱溫度采用、溫度顯示按鈕。根據(jù)用戶發(fā)出的命令相應的溫度參數(shù)設定或溫度監(jiān)控模塊會調(diào)用Modbus協(xié)議棧函數(shù)Modbus協(xié)議棧函數(shù)然后通過調(diào)用底層的串C驅(qū)動把Modbus命令通過RS232串口發(fā)送出去并接受下位機的相應的應答。Modbus處理完下位機的應答信號然后返回給溫度參數(shù)設定或溫度監(jiān)控模塊處理并最終顯示在用戶界面上。下位機需要實現(xiàn)Modbus從站協(xié)議與上位機通信。由于C8051F020單片機片上串口功能定時器功能都很完備這使得下位機軟件開發(fā)得以簡化。下位機的主流程圖和串口中斷流程如圖6所示。
 
　　另需一個定時中斷里面進行根據(jù)設定的參數(shù)和采得的溫度值進行PID調(diào)節(jié),根據(jù)PID算法的結(jié)果去調(diào)節(jié)相應的加熱通道的PWM波形,從而實現(xiàn)加熱系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
5結(jié)論
　　比較了兩種測溫電路的性能,分析測溫誤差產(chǎn)生的主要原因,并給出了一種AD595測溫電路數(shù)據(jù)處理的方法,最后將AD595的測溫電路應用于溫度控制系統(tǒng)中。最后實現(xiàn)的單片機加ARM的溫控系統(tǒng)溫度控制精度達(±1)℃能實時的將溫度值顯示于LCD.上,并能存儲于flash文件中。充分的利用了WindowsCE操作系統(tǒng)的實時性強、可靠性高和圖形設備接[功能強大的特點實現(xiàn)的采集控制界面方便用戶操作。系統(tǒng)成本比較低方便攜帶系統(tǒng)具有很強的移植性能很方便的移植滿足于不同的工業(yè)生產(chǎn)需要。