基于K型热电偶的中低温度测量系统

摘要:温度在工业领域应用非常广泛,而一般的温度传感器测量范围较窄,只能实现低温测量。K型热电偶是国内外仪器仪表行业中最常见的一-种测温元件。本系统通过K型热电偶传感器对温度信号进行采集,MAX6675芯片对信号变换后,通过SPI串行接口与STM32F103RCT6单片机进行通信,实现中低温度的测量。为了实现较远距离控制,通过红外遥控模块输人对比温度,当测量温度大于或小于设定值时,进行声光报警。通过实验验证，本系统具有较高的精度,能满足中低温度的测量。
　　温度是一个非常基本的物理量,很多的物理量都与它有着密切的联系,所以对温度的正确测量以及精确的控制在农业和工业生产、人们的日常生活、科学研究方面都有着十分重要的意义以。目前，热电偶传感器是国内外仪器仪表行业中最常见的一种测温元件,也是目前接触式测温领域中应用最为广泛的一种热电式传感器。
　　K型热电偶作为一种主要的测温元件,具有结构简单、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。但K型热电偶应用时,却存在着以下几方面的问题。
1)非线性。热电偶输出热电势与温度之间非线性，因此,应用时必须进行线性化处理。
2)冷补偿]。热电偶输出的热电势为冷端保持0℃时与测量端的电势差值,而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿。
3)信号输出。K型热电偶输出信号为模拟信号,为了方便与后续单片机电路相连,需要将模拟信号转换成数字信号。
MAX6675[0]即是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。
1.系统设计
　　本设计以单片机STM32F103RCT6[6]为整个系统的核心,使用K型热电偶传感器对所测环境温度信号进行采集,经转换芯片MAX6675转换后输人给单片机处理。同时本设计还有报警功能,通过红外遥控模块HS0038输入对比温度值,与采集到的温度进行比较并进行声光报警,测得温度通过液晶屏JLX12864显示。系统结构如图1所示。
 
2系统硬件设计
2.1K型热电偶与MAX6675
　　MAX6675与热电偶连接电路如图2所示。
 
2.2红外遥控传感器
　　工业领域进行温控时,需要设定参考温度,当大于或者小于某个值时进行报警,而某些场合无法:使用按键输人,本系统采用红外遥控器输人设定值。HS0038是--种红外接收器,输出的TTL信号可以被单片机接收到,它的电路如图3所示。
 
2.3显示电路
　　本设计的显示屏选用比较常见的12864字符型液晶显示。JLX12864液晶显示屏是一种集数字显示符号与字母显示的显示器,功耗低,具有很高的性价比。显示电路如图4所示
 
2.4报警电路
　　当检测到的温度在允许范围内时，电路不报警;当检测到的温度超出设定的温度值时，蜂鸣器响。蜂鸣器报警电路如图5所示。
 
3系统软件设计
　　系统的软件部分采用C语言编写,程序设计模块化。本系统先从MAX6675芯片中读取数据,并判断热电偶是否开路,然后将数据传到单片机中进行处理,同时由红外遥控传感器输人对比温度值与采集到的温度进行比较,并进行声光报警。系统软件主流程如图6所示。
 
4实验验证
　　完成基于K型热电偶的中低温度测量系统的设计后,受实验条件限制,在室内测量了不同条件下水和烟头的温度,并与0.1℃精度的水银温度计在10~70℃温度范围进行比对。测试结果如表1所示。在测试范围内,相对误差不超过0.2%。
 
结束语
　　本文以STM32F103RCT6单片机为整个系统的核心,通过K型热电偶传感器对温度信号进行采集,通过MAX6675芯片对信号进行放大、冷端补偿等处理，完成温度的获取。本系统还有报警功能，通过红外遥控模块输人对比温度值,与采集到的温度进行比较并进行声光报警,显示当前温度值和设定温度值。该系统结构简单,抗干扰能力强，测量精度高,测量温度范围广,设定温度值采用红外遥控形式输人，可以实现非接触设定。经实际测试表明,本设计测量温度的范围较宽,能实现中低温度的测量,精度较高,相对误差小于0.2℃。