MAX6675在K型热电偶温度测量中的应用

摘要:针对工业测温控温存在的需求，介绍一种基于热电偶测温控制系统，系统包括温度数据采集及控制器两部分。温度數据采集由K型热电偶、K型热电偶串行模数转换器MAX6675组成，控制器由单片机进行数据处理,固态继电器进行通断控制。本文阐述了MAX6675与单片机组成的测温控温系统的硬件组成和软件的设计思路。实践表明:该系统结构简单，软件实现容易、操作方便，运行可靠、成本较低，特别适合小型企业简单测温控制，具有很好的应用推广价值。
0引言
　　热电偶是常用的测温元件，价格便宜，使用方便。但现场应用中热电偶冷端温度不好确定，测量数据存在非线性,输出热电势信号微小，需要放大及模数转换才能在微型计算机控制系统中应用。MAXIM公司于2002开发出的K型热电偶变换器集成电路MAX6675则带有冷端补偿、信号放大、将模拟电压经模数转换器转换成12位数字信号输出的功能，解决了热电偶在实际测量中的需求，使温度测量仪表或温度测量、控制系统变得十分简单。
1系统的硬件构成
1.1热电偶
　　本系统传感器采用K型热电偶。K型热电偶具有结构简单、价格便宜、测温范围宽的特点。根据热电偶测温原理，只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电偶才是被测温度的单值函数。热电偶在温度测量中产生的热电势是按冷端温度为0℃来分度的，在实际应用时，由于热电偶的热端与冷端离得较近，冷端暴露在空中，容易受到环境温度的影响，因此冷端温度很难保持恒定，需要另加冷端补偿"。并且热电偶输出的热电势是μV级的小电压模拟信号，需要将这个信号放大。
1.2MAX6675
　　由于K型热电偶测温时存在非线性误差，采用硬件或软件修正都较为麻烦，本系统采用热电偶专用A/D转换芯片MAX6675,对热电偶的温度信号进行非线性修正、温度补偿、信号放大，大大简化了硬件配置。
　　MAX6675的特点:MAX6675是热电偶专用模数转换器，主要特点有:(1)内部集成冷端补偿电路;(2)线性校正;(3)热电偶断线检测;(4)12位数字量串行输出，0.25℃分辨率;(5)低功耗;(6)工作温度-20℃~+85℃;(7)工作电压为3.0~5.5V。
MAX6675引脚功能:MAX6675引脚排列如图1所示。
 
　　各引脚功能如下:T-:热电偶负极(使用时接地);T+:热电偶正极;SCK:串行时钟输入;`cS:片选信号;SO:串行数据输出;VCC:电源正极;GND:接地;NC:悬空不用2。MAX6675数字量输出。MAX6675输出的数据为D0~D15共16位。其中D14~D3对应于K型热电偶热电势的数字转换量，为12位数据,其最小值为0,对应0C,最大值4095，对应1023.75C，理论上温度值与数字量的对应关系为:温度值=1023.75x转换后的数字量/4095。
1.3单片机
　　系统控制器采用单片机，通过单片机对MAX6675信号的进行数字滤波、标度转换，得到实时温度等数据，对按键信号进行实时检测，对实时温度、预置温度等信息，为电热炉的通断提供控制的依据。由于可能在较为恶劣的工业环境下工作，单片机系统应有很强的抗干扰能力。本系统选用STC89系列单片机中的STC89C58RD+作为系统核心控制芯片，该芯片价格便宜，具有超强抗干扰、高抗静电、超低功耗等功能，能满足系统控制要求。
1.4固态继电器
　　本系统只考虑通断电热炉控制温度，采用交流固态继电器控制电热炉交流电源通断。固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管、功率场效应管、单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点、无火花地接通和断开被控电路。
1.5硬件组成方案
　　热电偶测温控制系统采用工业常用K型热电偶对某炉温进行数据采集，用热电偶数字转换器MAX6675对K型热电偶采集的模拟量进行模拟量放大、A/D转换，然后把.数字量送入单片机，通过单片机编程达到温度实时显示及控制。硬件方案如图2所示。
 
　　在实际应用中可能存在温度测量、转换有误差的问题，应注意提高MAX6675精度值的措施，如芯片大面积接地技术、大藏面导线、陶瓷旁路电容降噪等措施。
2温度标定与算法.
2.1温度与数值的对应关系
　　虽然MAX6675芯片对温度数据做了初步非线性处理，但实际测量时仍会有偏差，为了得出温度与数字量关系的算法，需进行了多次采集实验，--组实验数据如表1所示。
 
2.2温度与数值的对应算法
　　通过对原始数据处理得出的温度曲线，必须进行参数的调整，才能得到数字量转化为温度的算法。参数调整方法多种多样，较为简单的是分段核正。设温度为T,数值为n,两者关系可用二元一次方程表示。通过Matlab计算可得:
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。
　　将这个公式运用到单片机算法程序中，即可得出温度与数值的关系，在控制程序中引用这些数据就可以达到控制目的。
3结论
　　在现代化工业生产中，对各类加热炉、热处理炉、反应炉等温度进行的控制方式，多为先对温度进行采集，而后进行检测，根据检测的结果再进行处理，是分步骤进行的。对温度的采集部分，主要由热电偶传感器完成，热电偶传感器对温度的采集很大程度解决了工业中的问题。对温度信息的模数转换，由一体化的MAX6675来完成。对温度数字信号处理，则是由单片机完成，单片机的种类较多，性能不一，这里主要介绍使用51系列单片机，51系列单片机由于其接.口不多，导致复杂度较低，比较容易理解。将此三个模块整合以达到一体化进行温度的采集、检测与控制，在需要简易测温、控温的工业领域具有很好的使用前景。