基于MAX6675和K型热电偶的高精度智能测温系统

基于 MAX6675和 K型热电偶的高精度智能测温系统

程毅

浙江大唐乌沙山发电有限责任公司

背景

温度是一个很古老的概念，它起源于人们想用数值来表达冷、热感觉的愿望。伽利略最早用他设计的一种标有刻度的仪器进行实验来指示温度。四个世纪后的今天，我们发现：虽然温度测量技术己经高度发展，但仍被继续研究。温度是一个基本物理量，是主要的热工参数之一。通常将随时间而变化比较快的温度称为动态温度。近年来，人们对动态温度的认识越来越深，并对其测量给予了高度的重视。动态温度测量比较复杂，只有通过反复测试，尽量模拟出传感器使用中经常发生的条件，才能获得传感器动态性能。

现状

温度是七个基本物理量之一，它是工业生产中一个重要的操作参数，很多工业产品的质量和产量都直接与温度这一参数有关，如果温度测量不准或控制不好，将会使产品质量差，甚至报废，给工业生产带来极大的损失。有人作过这样的统计，温度这一参数的测量约占工业测量总数的５０％左右。在国民经济其它各部门中，温度测量也是极为重要的。温度测量在工农业生产、国防、科研、医疗卫生及日常生活中都有着非常重要的意义。温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器通常由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号传递给其它信号处理器电路进行信号处理转换成温度值显示出来。因此，人们对温度传感器的发展、开发应用极为重视，生产和销售温度传感器的公司遍布全球。

解决问题

测试温度，使误差不是很大，并且超过150℃时候报警。根据测温系统的性能指标要求，对硬件和软件功能合理的分配，侧重系统整体功能的合理实现，软硬件平台的稳定运行。

系统任务分析

以STC89C52单片机为核心的可编程温度控制器。使用具有冷端补偿的单片K型热电偶放大器与数字转换器MAX6675，由于MAX6675将热电偶测温应用时复杂的线性化、冷端补偿及数字化输出等问题集中在一个芯片上解决，简化了将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域时复杂的软硬件设计，而且大大减少了温度控制过程中的不稳定因数，提高了测量的准确性。可进行多时段温度控制，控制温度可高达 1000℃，当温度超过150℃时发出警报，每次开机无需重新设定各项参数，具有掉电保护和自动报警功能，使程序执行更为有效、更加完善，所以该温度控制器具有很强的实用性。

方案论证

在试验室条件下, 利用热电偶检定炉进行了对比试验, 试验结果显示。试验中, 每间隔半小时左右对 0～ 1200℃的范围内的温度数据进行测量与采样,每个采样点采样 10次,然后,将10次采样数据的运用去极值平均值滤波器算法计算出最终的采样结果,并将实际采样结果与 K 型热电偶的标准热电势曲线进行对比,得到的试验结果。经对比分析, 测量误差最大值为0.018mV, 对应的温度误差为0.45℃,并且，每次超过150℃都报警了，满足绝大多数工控领域对测温精度的要求。

温度检测的设计

硬件设计：在普通金属热电偶中，K型镍铬-镍硅的电势温度关系线性度最好，价格便宜，可在氧化及中性气氛中使用。MAX6675是K型热电偶串行模数转换器，内部具有信号调节放大器，可将模拟信号转换成12位对应的数 字量，且自带冷端补偿。MAX6675采用SO-8封装，体积小，可靠性好。其中 T+、T-分别接热电偶的正极和负极，Vcc和GND分别接电源和地，SKC是串行时钟输入，CS是片选端子，低电平有效，串行数据从SO端子输出，N.C.悬空不用。MAX6675对热电偶非线性进行了内部修正，其内部集成有冷端补偿电路；带有简单的3位串行SPI接口，可将温度信号转换成为12位数字量，温度分辨率达0.25℃。冷端补偿的温度范围-20℃~80℃，可测量 0℃~1023.75℃的温度，可以满足绝大多数工业应用的场合。将热电偶的正负极分别与 MAX6675的T+、T-端相连，其中负极接地。将与串行 输出信号相关的端子接在单片机的P0口。P3口接数码管 的数据端，而数码管的片选端则接P1口的高四位，P1口 的低两位接测量通道选择按钮，当按钮按下，系统检测到低电平信号，选择相应的通道采集数据。其中，为片选输入信号，在对某一路温度进行检测时，应该先使通路对应的片选端置低电平。然后使 SKC端从高电平跳变为低电平，从SO端子读入温度数据。在这三个端子处，分别有三个上拉电阻。

软件设计:软件的设计主要包括三部分，主程序，数据采集和 处理，数码管的显示。系统在运行时，先扫描按键，看 选择的是哪一路通道温度数据进行采集和显示。然后调 用该通道芯片初始化程序，进行数据采集；数据采集完 毕后，将转换后的温度显示在数码管上。其中，主要 部分是数据采集部分的程序。若将1号通道CS端置低电 平，SK端为高电平，则该通道MAX6675芯片准备进行 数据采集。在此芯片工作时，SK端每置一次零，在其 下降沿，单片机可通过串行口读入一位数据，直至读完 十六位二进制数据。程序流程图如图4所示。所读入的 数据共包含十二位温度信息，热电偶断线检测位，标志 位和三态各一位。最高位无效。将二进制数据处理成十 进制温度，返回主程序再调用显示程序。

冷端温度计算修正法精确但比较繁琐，并且要求以冷端温度恒定不变为前提，因此既麻烦也不经济。近年来，出现了多种新型半导体冷端温度补偿集成电路，它们结合微处理器可以很方便解决冷端温度的补偿问题。图3.14给出了MAXIM公司生产的具有冷端温度补偿的单片型K热电偶放大与数字转换器MAX6675的内部结构与引脚排列。MAX6675内部除具有信号放大调理、12bitA/D转换器、1个SPI串行口外，还拥有1个温度检测二极管，它可将在-20℃～+85℃范围内的冷端温度转换为温度补偿电压。该电压和经线性化与放大后的温差热电势相加并送入A/D转换器进行模数转换，完成热端真实温度测量。在热电偶冷端温度和芯片温度一致情况下，可获得最佳补偿效果，因此使用MAX6675时应尽量避免在其附近放置发热器件。

补偿器中，R₁、R₂、R₃为温度系数较小的锰铜固定电阻，R₁=R₂=R₃；R_t是用铜丝绕制的热电阻，其阻值随环境温度变化而变化，选择适当的R_t阻值，使得电桥输出的不平衡电势U_AB= E(T₀，0)，则热电偶热电势E(T,T₀)与不平衡电势U_AB叠加后送入测量装置的电压为E_X= E(T,T₀)+ U_AB= E(T,T₀)+ E(T₀，0)= E(T,0)，从而U_AB实现了对冷端温度变化的补偿，测出并指示正确的温度值。

冷端补偿电桥在工业中已有定型产品(WBC系列)可供选择，但它们只能与相应型号的热电偶及在所规定的温度范围内配套使用，并且必须注意连接热电偶时的极性，否则如果极性接错，不仅不能起到补偿作用，反而会增大测量误差。

工业测温现场，由于被测点与指示仪表之间较远距离以及热电偶长度的限制，冷端温度常常直接受到被测介质和周围环境的影响，不仅很难保持在0℃，而且经常处于波动状态，因此前边介绍的恒定冷端温度补偿方法已不再适用。为解决这一问题，可以先采用补偿导线将冷端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，然后再应用前述方法把冷端温度修正到0℃。

管
脚图

参考文献

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