MAX6675在K型热电偶温度测量中的应用

 

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 [1]。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。

 

1.2 MAX6675

        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 0℃，最大值 4095，对应 1023.75℃，理论上温度值与数字量的对应关系为：温度值 =1023.75× 转换后的数字量 /4095[3]。

 

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、大截面导线、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，一组实验数据如表 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。