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MAX6675在K型熱電偶溫度測量中的應用

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2020-06-17 17:18:44

 摘 要:針對工業測溫控溫存在的需求,介紹一種基於熱電偶測溫控製係統,係統包括溫度數據采集及控製器兩部分。溫度數據采集由K型熱電偶、K型熱電偶串行模數轉換器MAX6675組成,控製器由單片機進行數據處理,固態繼電器進行通斷控製。本文闡述了 MAX6675 與單片機組成的測溫控溫係統的硬件組成和軟件的設計思路。實踐表明:該係統結構簡單,軟件實現容易、操作方便,運行可靠、成本較低,特別適合小型企業簡單測溫控製,具有很好的應用推廣價值。

 
引 言
        熱電偶是常用的測溫元件,價格便宜,使用方便。但現場應用中熱電偶冷端溫度不好確定,測量數據存在非線性,輸出熱電勢信號微小,需要放大及模數轉換才能在微型計算機控製係統中應用。MAXIM 公司於 2002 開發出的 K 型熱電偶變換器集成電路 MAX6675 則帶有冷端補償、信號放大、將模擬電壓經模數轉換器轉換成12位數字信號輸出的功能,解決了熱電偶在實際測量中的需求,使溫度測量儀表或溫度測量、控製係統變得十分簡單。
 
1 係統的硬件構成
1.1 熱電偶
        本係統傳感器采用K型熱電偶。K型熱電偶具有結構簡單、價格便宜、測溫範圍寬的特點。根據熱電偶測溫原理,隻有當熱電偶的冷端溫度保持不變時,熱電偶才是被測溫度的單值函數。熱電偶在溫度測量中產生的熱電勢是按冷端溫度為 0℃來分度的,在實際應用時,由於熱電偶的熱端與冷端離得較近,冷端暴露在空中,容易受到環境溫度的影響,因此冷端溫度很難保持恒定,需要另加冷端補償 [1]。並且熱電偶輸出的熱電勢是 μV 級的小電壓模擬信號,需要將這個信號放大。
 
1.2 MAX6675
        由於 K 型熱電偶測溫時存在非線性誤差,采用硬件或軟件修正都較為麻煩,本係統采用熱電偶專用 A/D 轉換芯片 MAX6675,對熱電偶的溫度信號進行非線性修正、溫度補償、信號放大,大大簡化了硬件配置。MAX6675 的特點:MAX6675 是熱電偶專用模數轉換器,主要特點有:(1)內部集成冷端補償電路;(2)線性校正;(3)熱電偶斷線檢測;(4)12 位數字量串行輸出,0.25℃分辨率;(5)低功耗;(6)工作溫度 -20℃~ +85℃;(7)工作電壓為 3.0 ~ 5.5V。
 
MAX6675 引腳功能:MAX6675 引腳排列如圖 1 所示。
MAX6675 引腳排列
        各引腳功能如下:T-:熱電偶負極(使用時接地);T+:熱電偶正極;SCK:串行時鍾輸入;CS:片選信號;SO:串行數據輸出;VCC:電源正極;GND:接地;NC:懸空不用 [2]。MAX6675 數字量輸出。MAX6675 輸出的數據為 D0 ~ D15 共 16 位。其中 D14 ~ D3 對應於 K 型熱電偶熱電勢的數字轉換量,為 12 位數據,其最小值為 0,對應 0℃,最大值 4095,對應 1023.75℃,理論上溫度值與數字量的對應關係為:溫度值 =1023.75× 轉換後的數字量 /4095[3]。
 
1.3 單片機
        係統控製器采用單片機,通過單片機對 MAX6675 信號的進行數字濾波、標度轉換,得到實時溫度等數據,對按鍵信號進行實時檢測,對實時溫度、預置溫度等信息,為電熱爐的通斷提供控製的依據。由於可能在較為惡劣的工業環境下工作,單片機係統應有很強的抗幹擾能力。本係統選用STC89 係列單片機中的 STC89C58RD+ 作為係統核心控製芯片,該芯片價格便宜,具有超強抗幹擾、高抗靜電、超低功耗等功能,能滿足係統控製要求。
 
1.4 固態繼電器
        本係統隻考慮通斷電熱爐控製溫度,采用交流固態繼電器控製電熱爐交流電源通斷。固態繼電器是一種全部由固態電子元件組成的無觸點開關元件,他利用電子元器件的電、磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離,利用大功率三極管、功率場效應管、單向可控矽和雙向可控矽等器件的開關特性,來達到無觸點、無火花地接通和斷開被控電路。
 
1.5 硬件組成方案
        熱電偶測溫控製係統采用工業常用 K 型熱電偶對某爐溫進行數據采集,用熱電偶數字轉換器 MAX6675 對 K 型熱電偶采集的模擬量進行模擬量放大、A/D 轉換,然後把數字量送入單片機,通過單片機編程達到溫度實時顯示及控製。硬件方案如圖 2 所示。
熱電偶測溫控製係統結構框圖
        在實際應用中可能存在溫度測量、轉換有誤差的問題,應注意提高 MAX6675 精度值的措施,如芯片大麵積接地技術、大截麵導線、陶瓷旁路電容降噪等措施。
 
2 溫度標定與算法
2.1 溫度與數值的對應關係
        雖然 MAX6675 芯片對溫度數據做了初步非線性處理,但實際測量時仍會有偏差,為了得出溫度與數字量關係的算法,需進行了多次采集實驗,一組實驗數據如表 1 所示。
試驗溫度與十進製數字量的對應關係
2.2 溫度與數值的對應算法
        通過對原始數據處理得出的溫度曲線,必須進行參數的調整,才能得到數字量轉化為溫度的算法。參數調整方法多種多樣,較為簡單的是分段核正。設溫度為 T,數值為 n,兩者關係可用二元一次方程表示。通過 Matlab 計算可得: 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。
將這個公式運用到單片機算法程序中,即可得出溫度與數值的關係,在控製程序中引用這些數據就可以達到控製目的。
 
3 結 論
        在現代化工業生產中,對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐等溫度進行的控製方式,多為先對溫度進行采集,而後進行檢測,根據檢測的結果再進行處理,是分步驟進行的。對溫度的采集部分,主要由熱電偶傳感器完成,熱電偶傳感器對溫度的采集很大程度解決了工業中的問題。對溫度信息的模數轉換,由一體化的 MAX6675 來完成。對溫度數字信號處理,則是由單片機完成,單片機的種類較多,性能不一,這裏主要介紹使用 51 係列單片機,51 係列單片機由於其接口不多,導致複雜度較低,比較容易理解。將此三個模塊整合以達到一體化進行溫度的采集、檢測與控製,在需要簡易測溫、控溫的工業領域具有很好的使用前景。

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