熱電偶使用方法

文檔說明:MAXIM6675是MAXIM公司推岀的具有冷端補(bǔ)償?shù)膯纹琄型熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器。本文主要介紹了MAX6675的特性和工作原理,詳細(xì)闡述了該芯片在鋁水平溫度測量儀中的應(yīng)用，給岀了與89C51單片機(jī)的接口電路和程序設(shè)計(jì)。K型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬等特點(diǎn)。目前，在以K型熱電偶為測溫元件的工業(yè)測溫系統(tǒng)中，熱電偶輸岀的熱電勢信號必須經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，才能輸入基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)。中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)包括信號放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化等幾個(gè)部分，實(shí)際應(yīng)用中，由于中間環(huán)節(jié)較多，調(diào)試較為困難，系統(tǒng)的抗干擾性能往往也不理想。在鋁水平溫度測量儀的研制中，我們采用了MAXIM公司新近推出的MAX6675,它是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以直接與單片機(jī)接口，大大簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證了溫度測量的快速、準(zhǔn)確。MAX6675特性特性MAX6675是具有冷端補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換功能的單片集成K型熱電偶變換器，測溫范圍0°C?1024C，主要功能特點(diǎn)如下：?直接將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號?具有冷端補(bǔ)償功能?簡單的SPI串行接口與單片機(jī)通訊?12位A/D轉(zhuǎn)換器、0.25C分辨率?單一+5V的電源電壓?熱電偶斷線檢測?工作溫度范圍-20C?+85C引腳功能MAX6675采用SO-8封裝形式，有8個(gè)引腳，腳1(GND)接地，腳2(T-)接熱電偶負(fù)極，腳3(T+)接熱電偶正極，腳4(VCC)電源端，腳5(SCK)串行時(shí)鐘輸入端,腳6(CS)片選端，使能啟動串行數(shù)據(jù)通訊，腳7(SO)串行數(shù)據(jù)輸出端，腳8(NC)未用。在VCC和GND之間接0.1pF電容。gndE

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T+反VUC[48)S.CI]90UCST]SCK圖一IAX66T5弓腳圖工作原理MAX6675是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括：低噪聲電壓放大器A1、電壓跟隨器A2、冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、12位AD轉(zhuǎn)換器、SPI串行接口、模擬開關(guān)及數(shù)字控制器。其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢信號U1,再經(jīng)過S4送至ADC。。對于K型熱電偶，電壓變化率為(41pV/C),電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。U1=(41pV/°C)X(T-TO)上式中，U1為熱電偶輸出電壓(mV),T是測量點(diǎn)溫度；T0是周圍溫度。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0C實(shí)際參考值之間的差值。通過冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉(zhuǎn)換器。U2=(41pV/°C)XT0在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，即獲得輸岀電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測量點(diǎn)的實(shí)際溫度值T。這就是MAX6675進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測量溫度的原理。

與單片機(jī)的通訊MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：單片機(jī)使CS置為低電平，并提供時(shí)鐘信號給SCK,由SO讀取測量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程，CS變高將啟動一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過程。將CS變低在SO端輸出第一個(gè)數(shù)據(jù)，一個(gè)完整串行接口讀操作需16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀16個(gè)輸出位，第1個(gè)輸出位是D15，是一偽標(biāo)志位，并總為0；D14位到D3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；D2位平時(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開放時(shí)為高，開放熱電偶檢測電路完全由MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開放熱電偶檢測器操作，T-必須接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近GND腳；D1位為低以提供MAX6675器件身份碼，DO位為三態(tài)標(biāo)志位。MAX6675SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如圖MAX6675SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如圖3所示。圖三史端輸岀溫度數(shù)據(jù)的格式在鋁水平溫度測量儀中的應(yīng)用本文所述鋁水平溫度測量儀是一工作于鋁電解現(xiàn)場的測量裝置，其控制部分采用單片機(jī)控制，對溫度部分的要求是：在得到測量要求信號后，實(shí)時(shí)測量出當(dāng)前熱電偶探頭的溫度并保存，可檢測K型熱電偶探頭斷線狀況并報(bào)警。2.1硬件實(shí)現(xiàn)該鋁水平溫度測量儀的K型熱電偶溫度采集電路如圖所示。其微控制器采用ATMEL公司的FLASH單片機(jī)AT89C51,該微控制器具有4K內(nèi)部可擦寫程序存儲器和32個(gè)輸入/輸出端口，滿足本系統(tǒng)中液位測量、數(shù)據(jù)顯示、溫度測量、數(shù)據(jù)通訊、看門狗電路的需要。作為一款廉價(jià)的通用型單片機(jī)，AT89C51沒有SPI接口。因此采用I/O口線模擬SPI串行口來對MAX6675讀取數(shù)據(jù)。MAX6675的CS端接單片機(jī)的P1.0腳，CS低電平停止轉(zhuǎn)換，MAX6675準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)輸出；SCK引腳接單片機(jī)的P1.1腳，為傳輸數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘。無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SCK應(yīng)置為低電平；SO引腳接單片機(jī)的P1.2腳，用于傳輸數(shù)據(jù)。單片機(jī)的P1.3腳作為K型熱電偶探頭斷線報(bào)警口，報(bào)警時(shí)輸岀低電平，驅(qū)動故障指示LED顯示。在單片機(jī)的上述4個(gè)引腳各接一個(gè)10K的上拉電阻，保證數(shù)據(jù)的可靠傳送。由于MAX6675的測量精度對電源耦合噪聲較敏感，為降低電源噪聲影響，在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1“F陶瓷旁路電容。在印刷電路板的設(shè)計(jì)中，采用大面積接地技術(shù)來降低芯片自熱引起的測量誤差，提高溫度測量精度。

本系統(tǒng)主要測量鋁電解槽中的溫度，其正常工作溫度范圍為920C—1000C，為了準(zhǔn)確的測量這一區(qū)段的溫度值，系統(tǒng)利用X25045芯片內(nèi)部的4096位串行E2PROM（非易失存儲器），保存溫度補(bǔ)償參數(shù)，掉電不丟失，保證系統(tǒng)可應(yīng)用于各種環(huán)境條件。2.2軟件實(shí)現(xiàn)溫度測量是鋁水平溫度測量過程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)測量完鋁水平后，開始進(jìn)行溫度測量，這一部分程序作為一個(gè)獨(dú)立的程序段，定時(shí)調(diào)用，主要包括MAX6675數(shù)據(jù)讀取、開路判斷、數(shù)據(jù)處理和碼制轉(zhuǎn)換等幾個(gè)部分。程序流程如下：下面給出MAX6675溫度值讀取程序設(shè)計(jì):；溫度值讀取程序；位定義CSBITP1.0 ；數(shù)據(jù)輸入SCK BITP1.1 ；片選SOBITP1.2；時(shí)鐘

SOBITP1.2；時(shí)鐘；數(shù)據(jù)字節(jié)定義DATAHDATA 40H；讀取數(shù)據(jù)高位DATALDATA 41H ；讀取數(shù)據(jù)低位TDATAHDATA 42H；溫度高位TDATALDATA 43H；溫度低位CLRCS；CS低電平，停止數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸岀數(shù)據(jù)D15CLRCLK；時(shí)鐘置為低電平MOVR7, #08HRD_DATAH:；讀數(shù)據(jù)高位字節(jié)D15-D8MOVC,SO；讀SO端數(shù)據(jù)RLCA；累加器左移一位SETBSCKNOPCLRSCKDJNZR7,RD_DATAMOVDATAH,A ；將數(shù)據(jù)高位移入緩沖區(qū)MOVR7,#08HRD_DATAL:；讀數(shù)據(jù)低位字節(jié)D7-D0MOVC,SO；讀SO端數(shù)據(jù)RLCA；累加器左移一位SETBSCKNOPCLRSCKDJNZR7,RD_DATALMOVDATAL,A；將數(shù)據(jù)低位移入緩沖區(qū)SETBCS;CS高電平，停止數(shù)據(jù)輸岀，啟動新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序，將讀得的16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為12位溫度值，去掉無用的位MOVA，DATALRLCAMOVDATAL，AMOVA，DATAHRLCA;整個(gè)數(shù)據(jù)位左移一位，去掉D15位SWAPA；將DATAH中的高低4位數(shù)據(jù)互換MOVB，A；數(shù)據(jù)暫存于B中ANLA，#0FH;得到溫度數(shù)據(jù)高位字節(jié)部分D14?D11MOVTDATAH，A；將溫度值高位字節(jié)保存MOVA，BANLA，#0F0H;得到溫度數(shù)據(jù)低位字節(jié)部分D10?D7MOVB，AMOVA，DATAL;ANLA，#0FH;得到溫度數(shù)據(jù)低位字節(jié)部分D6?D3ORLA，B;合并的溫度低位字節(jié)MOVTDATAL，A;將溫度值低位字節(jié)保存應(yīng)用中注意的幾個(gè)問題在鋁水平溫度測量儀的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中遇到諸多問題，現(xiàn)將與MAX6675相關(guān)的幾個(gè)問題和使用心得摘錄如下，以供參考。1．MAX6675芯片對電源噪聲較為敏感，盡量將MAX6675布置在遠(yuǎn)離其他I/O芯片的地方。MAX6675芯片T-必須接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近GND腳，否則讀出數(shù)據(jù)為無規(guī)律的亂碼。3．MAX6675是通過冷端補(bǔ)償來校正周圍溫度變化的。該器件將周圍溫度通過內(nèi)部的溫度檢測二極管轉(zhuǎn)換為溫度補(bǔ)償電壓，該器件內(nèi)部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到ADC中轉(zhuǎn)換，以計(jì)算熱電偶的熱端溫度。當(dāng)熱電偶的冷端與芯片溫度相等時(shí)，MAX6675可獲得最佳的測量精度。因此在實(shí)際測溫應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量避免在MAX6675附近放置發(fā)熱器件或元件，例如7805等帶散熱片的穩(wěn)壓器件。盡量采用大截面積的熱電偶導(dǎo)線，長距離傳輸時(shí)，可采用雙絞線作為信號傳輸線。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，可通過相應(yīng)的數(shù)字濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以提高所需要某一段測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。結(jié)束語MAX6675將熱電偶測溫應(yīng)用時(shí)復(fù)雜的線性化、冷端補(bǔ)償及數(shù)字化輸出等集中在一個(gè)芯片上解決，簡化了鋁水平溫度測量儀中熱電偶測溫電路的設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該測溫系統(tǒng)抗干擾能