【文章內容簡介】 冷端補償檢測和校正周圍溫度變化的。該器件可將周圍溫度通過內部的溫度檢測二極管轉換為溫度補償電壓，為了產(chǎn)生實際熱電偶溫度測量值，MAX6675 從熱電偶的輸出和檢測二極管的輸出測量電壓。該器件內部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到 ADC 中轉換，以計算熱電偶的熱端溫度。當熱電偶的冷端與芯片 溫度相等時， MAX6675 可獲得最佳的測量精度。因此在實際測溫應用時，應盡量避免在 MAX6675 附近放置發(fā)熱器件或元件，因為這樣會造成冷端誤差。 1 23 45 67 8U0MAX6675GNDTT+VCCSONCCSSCKC112P00K 型熱電偶VCC 圖 32 溫度采集 轉換 電路原理圖 K 型熱電偶 K 型熱電偶作為一種溫度傳感器， K 型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調節(jié)器配套使用 ，其外觀如圖 33 所示 。 K 型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從 0℃到 1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。 圖 33 K 型熱電偶 鎳鉻 偶（ K）型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。 K 型熱電偶絲直徑一般為 ～ 。 正極（ KP）的名義化學成分為： Ni： Cr=92： 12，負極（ KN）的名義化學成分為：Ni： Si=99： 3，其使用溫度為 200~1300℃。 K 型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化 性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中廣泛為用戶所采用。 K 型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛 . K 型熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。必須配和二次儀表使用其優(yōu)點是： ①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。 ②測量范圍廣。常用的熱電偶從 50~+1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到 269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達 +2800℃（如鎢 錸）。 ③構造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩 種不同的金屬絲組成，而且不受大小 和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。 熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有結構簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點 [14]。但是，熱電偶的應用卻存在著非線性、冷端補償、數(shù)字化輸出等幾方面的問題。設計中采用的 MAX6675 是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、 A/D 轉換器及 SPI 串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉換 器 。 K 型熱電偶的兩端分別跟 MAX6675 芯片的 T跟 T+相連，為了允許熱電偶斷路檢測， T引腳必須接地。 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 F陶瓷旁路電容。溫度由熱電偶采集，然后將數(shù)據(jù)直接送給冷端補償芯片 MAX6675 芯片進行處理，處理后送給單片機控制電路，完成簡單的溫度采集過程。 具有冷端補償?shù)臄?shù)字溫度轉換芯片 MAX6675 MAX6675 是美國 Maxin 公司生產(chǎn)的基于 SPI 總線的專用芯片 [9]，不僅能對 K型熱電偶進行冷端補償，還能對熱電勢信號作數(shù)字處理，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，可廣泛應用于工業(yè)、儀器儀表、自動化領域等。其內部結構框圖如圖 34所示。 圖 34 MAX6675內部結構框圖 MAX6675 的主要特性如下： ①簡單的 SPI 串行口溫度值輸出。 ② 0℃ ~+l024℃的測溫范圍。 ③ 12 位 ℃的分辨率。 ④片內冷端補償。 ⑤高阻抗差動輸入。 ⑥熱電偶斷線檢測。 ⑦單一 +5V 的電源電壓 . ⑧低功耗特性。 ⑨工作溫度范圍 20℃～ +85℃。 ⑩ 2020V 的 ESD 保護。 該器件采用 8 引腳 50 貼片封裝。 其外觀引腳如圖 35 所示，引腳功能如 表 36所示 。 圖 35 max6675外觀及引腳排列 表 36max6675引腳功能 MAX6675內部具有將熱電偶信號轉換為與 ADC輸入通道兼容電壓的信號調節(jié)放大器， T+和 T輸入端連接到低噪聲放大器 A1，以保證檢測輸入的高精度，同時使熱電偶連接導線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢經(jīng)低噪聲放大器 A1放大，再經(jīng)過 A2電壓跟隨器緩沖后，被送至 ADC 的輸入端。在將溫度電壓值轉換為相等價的溫度值之前，它需要對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是 MAX6675 周圍溫度與 0℃實際參考值之間的差值。對于 K 型熱電偶，電壓變化率為 41μ V/℃，電壓可由線性公式 Vout=(41μ V/℃ ) (tRtAMB)來近似熱電偶的特性。上式中， Vout 為熱電偶輸出電壓（ mV）， tR是測量點溫度； tAMB是周圍溫度。 引腳 名稱 功能 1 GND 接地端 2 T K型熱電偶負極 3 T+ K型熱電偶正極 4 VCC 正電源端 5 SCK 串行時鐘輸入 6 CS 片選端， CS 為低、啟動串行接口 7 SO 串行數(shù)據(jù)輸出 8 . 空引腳 顯示電路模塊 LED 顯示器是單片機應用系統(tǒng)中常用的輸出器件，是由若干個發(fā)光二極管組成的，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個或一個筆畫發(fā)光，控制不同組合的二極管導通，這就能顯示出不同字符。 點亮顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。所謂靜態(tài)顯示就是顯示器在顯示某個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止。這種顯示方式每個顯示器都需要一個 8位輸出口控制，需要硬件多，適用于顯示位數(shù) 較少的場合。當顯示位數(shù)較多時采用動態(tài)顯示。所謂動態(tài)顯示就是一位一位的輪流點亮各位顯示器，對于每位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的點亮和點亮時的導通電流有關，還與點亮時間和間隔時間有關，調整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。 本設計使用的是一個四位共陽數(shù)碼管， 當 89C51 單片機的 P0 口總線負載達到或超過 P0 最大負載能力時，必須接 74LS245 等總線驅動器。本文溫度 顯示電路設計是由一個 4 位共陽數(shù)碼管通過 三態(tài)雙向總線收發(fā)器 芯片 74LS245 跟單片機相連接，其電路如圖 37 所示。其中 74LS245的片選跟三態(tài)控制引腳接地，數(shù)據(jù)由單片機向數(shù)碼管傳輸。數(shù)碼管的位的選擇通過 8550 三級管進行控制，三級管基極通過限流電阻跟單片機的 I/O 口相連接，當端口為高電平時，三極管截止，當給端口為低電平時三極管導通，數(shù)碼管相應的位被選中。這樣 可方便地對 數(shù)碼管 每 一 位進行單獨控制 。 R3R10 為限流電阻。三極管飽和開通時，集電極－發(fā)射極之間電壓 ceV 取 ，數(shù)碼管的壓降 fV 取 2V，數(shù)碼管的工作電流 fI 取 5mA～ 15mA。則限流電阻可這樣計算獲得： fcefccf I VVVR ??? （ 39） 把數(shù)據(jù)帶入式子（ 39）得 fR 可取值 170? ～ 500? 現(xiàn)取 ??240fR 。為保證三極管可靠開通關斷，且要求數(shù)碼管的亮度適量較高，基極電阻 R11R14 可適量取小值，本設計取基極電阻為 470? 。 1122R3 2401122R4 2401122R114701122R124701122R134701122R14470G19DIR1A12B118A23B217A34B316A45B415A56B514A67B613A78B712A89B811U2 74LS2451122R5 2401122R6 2401122R7 2401122R8 2401122R9 2401122R10 240abfcgdeDPY117421105abcdefg3dpdpabfcgdedpabfcgdedpabfcgdedpC06C28C39C412LED1 DPY 4LEDQ18550Q28550Q38550Q48550VCC VCCVCCVCC 圖 37 數(shù)碼管顯示電路 報警電路模塊 蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅動它，單片機 IO 引腳輸出的電流較小，單片機輸出的 TTL 電平基本上驅動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。超量程報警電路如圖 38所示。蜂鳴器的正極接到 VCC（＋ 5V）電源上面，蜂鳴器的負極接到三極管的發(fā)射極 e，三極管的基級 b 經(jīng)過限流電阻 R17 后由單 片機的 引腳控制，當 輸出高電平時，三極管 Q6截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當 輸出低電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制 引腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關閉。三級管基極電流 ib為 1mA5mA 時就足夠進入開關狀態(tài)了，三極管導通時蜂鳴器跟三極管分壓很小，電阻R17 兩端分壓約為 5V，三級管放大倍數(shù)為 100 左右，流過三級管 CE 的電流 ic 約為500mA 左右這足夠三極管飽和導通的條件，所以 R17 的阻值選用 1K比較合理。 1122SPEAK1SPEAKERQ68550SPEAKGNDVCC 1122R16511122R171K 圖 38 報警 電路原理圖 4 軟件設計 系統(tǒng)軟件設計主要包含主程序、溫度采集轉換子程序、超量程報警子程序、顯示子程序等功能模塊。其程序總流程圖如 41所示。主程序主要完成子程序的調用，并對溫度數(shù)據(jù)進行快速的算法處理；溫度采集轉換子程序負責將 MAX6675 轉換來的溫度數(shù)字量讀入單片機并完成溫度值的處理得到 12 位數(shù)字溫度值；超量成報警子程序主要判斷溫度值是否超出測量范圍；顯示子程序主要將計算后的溫度值進行顯示。 主程序設計 主程序主要完成子程序的調用，并對溫度數(shù)據(jù)進行快速的算法處理。主程序首 先對系統(tǒng)進行初始化處理，然后調用一次溫度采集轉換程序，之后根據(jù)計算原理得到測量溫度值，最后對溫度值進行量程判斷、數(shù)據(jù)顯示處理。 圖 41 主程序流程開始 系統(tǒng)初始化 調用采集轉換子程序 計算溫度值 超量程？ 調用顯示子程序 調用報警 子程序 是 否 5 系統(tǒng)技術指標及精度和誤差分析 隨著各種高精度傳感器的應用與普及，這一技術在科學研究，生產(chǎn)過程等領域中發(fā)揮著越來越重要的作用。人類步入信息社會的今天，人們對信息的提取，處理，傳輸以及綜合利用等要求愈加 系統(tǒng)仿真結果 根據(jù)系統(tǒng)的硬件電路設計 跟軟件設計，本文對系統(tǒng)做了一些簡單的仿真測試，簡化了基本原理圖達到了預期的效果。其仿真效果圖如 51，所示。 圖 51 溫度為 22℃仿真圖 誤差分析 在系統(tǒng)設計過程中難免會有誤差，雖不能絕對地消除，但我們可以盡量將他們減小到最低程度。 由于環(huán)境溫度的變化，熱電偶的冷端隨時可能發(fā)生變化，然而該系統(tǒng)存在一定的熱響應時間，所以環(huán)境溫度的快速變化可能帶來冷端補償造成的一系列的誤差問題，而且器件的參數(shù)也存在一定的誤差，之后在放大、 AD 轉換、和數(shù)字量化的轉換過程中也會因為熱噪聲或其他 的干擾源帶來轉換的誤差，其中的熱響應時間會造成測量的溫度是前一刻短暫時間的瞬時溫度，在實際測溫應用時，應盡量避免在 MAX6675 附近放置發(fā)熱器件或元件，因為這樣會造成冷端誤差。 熱電偶系統(tǒng)的測量精度可通過以下預防措施來提高：①盡量采用不能從測量區(qū)域散熱的大截面導線；②如必須用小截面導線，則只能