【文章內(nèi)容簡介】 熱電溫度計是由熱電偶、補償導(dǎo)線及測量儀表 構(gòu)成的。其中熱電偶 是敏感元件 , 它由兩種不同的導(dǎo)體 A 和 B 連接在一起 , 構(gòu)成一個閉合回路 , 當(dāng)兩個連接點 1 與 2 的溫度不同時 , 由于熱電 效應(yīng)， 回路中就會產(chǎn)生零點幾到幾十毫伏的熱電動勢 , 記為 EAB 。接點 1 在測量時被置于測 量場所， 故稱為測量端或工作端。接點 2 則要求恒定在某一 溫度下， 稱為參考端或自由端 , 如圖 所示。 AABBAA工作端一工作端二工作端二 圖 熱電偶原理圖 實驗證明 , 當(dāng)電極材料選定后 , 熱電偶的熱電動勢僅與兩個接點的溫度有關(guān) , 即 dtS a bttd E a b ??)2,1( 比例系數(shù) Sab 稱為熱電動勢率 , 它是熱電偶最重要的特征量。當(dāng)兩接點的溫度分別為 t1 , t2 時 , 回路總的熱電動勢為 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 8 ? ??? 12 2121 )()(),( tetedtSttE ABABABAB ， 對于已選定材料的熱電偶 ： 當(dāng)其自由端溫度恒定時 ， )( 2teAB 為常數(shù) ， 這樣回路總的熱電動勢僅為工作溫度 t1 的單值函數(shù)。所以 ， 通過測量熱電動勢的方法就可以測量工作點的實際溫度。 熱電偶測量溫度的方法 圖 中我們把 自由端 2 畫成虛線 ， 是想說明熱電偶在使用時 2 點實際上不是直接相接的。由熱電偶的中間金屬定律 ：“ 在熱電偶測溫回路中 ， 串接第三種導(dǎo)體 ； 只要其兩端溫度相同 ， 則熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢與串接的中間金屬無關(guān) 。 那么 , 我們把較短的測量導(dǎo)線和儀表串接在 2 點并視其為第三種金屬 ， 就可認(rèn)為它們不影響熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢即工作溫度的測量。 ” 實際使用時 ， 測量場所與測量儀表往往相距很遠(yuǎn) ， 又因為組成熱電偶的材料比較貴重 ， 所以常加導(dǎo)線來連接。這里有兩種使用方法 ： 第一種 是用 兩根連接導(dǎo)線具有相同的熱電性質(zhì) ； 如在一根導(dǎo)線 (如常用的紫銅線 ) 上取下的兩段線 ， 它們的化學(xué)成分和物理性質(zhì)就很相近 ， 這時 ， 可根據(jù)中間金屬定律判斷出電偶的熱電動勢只取決于電偶兩端溫度 t t2 ， 其它環(huán)境溫度的影響就可忽略。第二 種是在 熱電偶的兩電極分別采用和自己熱電性質(zhì)相近的補償導(dǎo)線延長至 3 點 ， 這樣熱電動勢只取決于 t1 和 t3 而與 t2 無關(guān)。 上述使用情況中 ， 溫度點 t2 和 t3 往往采用冰水混合物 (0 ℃ ) 來恒定溫度。這時 ， 總的熱電動勢就變成工作溫度 t1 的單值函數(shù) ， 可記為 (E t1) 。 為了使用方便 , 對于不同的熱電偶規(guī)定 了不同的分度號 ， 根據(jù)不同的分度號 ； 我們又可查找其對應(yīng)的分度表 ， 從而得到標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 E t1 關(guān)系的具體對應(yīng)值 (相關(guān)溫度點一般規(guī)定為 0 ℃ )]， 見表 . 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 9 分度號 材質(zhì) 補償導(dǎo)線型號 補償導(dǎo)線材質(zhì) K 鎳鎘 鎳硅 SC 正極 負(fù)極 銅 銅鎳 表 K型熱電偶性能介紹 熱電偶測溫時 ， 除工作端外的各個部分要求有良好的絕緣 ， 否則會引入誤差 ， 甚至無法測量。另外 ， 為了支撐和固定熱電極 ， 延長其壽命 ， 還應(yīng)選擇合適的保護(hù)套管材料。使用一段時間后 ， 熱電偶要和標(biāo)準(zhǔn)偶進(jìn)行校正。 測量信號的放大和冷 端補償 熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點。但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時，卻存在著以下幾方面的問題。 ：熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此在應(yīng)用時必須進(jìn)行線性化處理。 端 補償：熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為 0℃ 時與測量端的電勢差值，而在實際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需進(jìn)行冷端補償。 ：與嵌入式系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口，而作為 模擬小信號測溫元件的熱電偶顯然法直接滿足這個要求。 因此，若將熱電偶應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)時，須進(jìn)行復(fù)雜的信號放大、 A/D 轉(zhuǎn)換、查表線性線、溫度補償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設(shè)計。如果能將上述的功能集成到一個集成電路芯片中，即采用單芯片來完成信號放大、冷端補償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡化熱電偶在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 10 MAX6675 芯片 Maxim 公司新近推出的 MAX6675， 其內(nèi)部由精密運算放大器、基準(zhǔn)電源、冷端補償二極管、模擬開關(guān)、數(shù)字控制器及 ADC 電路構(gòu)成，完成熱電偶微弱信號的放大、冷端補 償和 A／ D 轉(zhuǎn)換 等 功能。 MAX6675 采用 8 腳 SO 形式封裝，圖 為引腳 圖， T+接 K 型熱電偶的正極 (鎳鉻合金 )， T接 K 型熱電偶的 負(fù)極（ 鎳硅合金或鎳鋁合金 ）； 片選信號端 CS 為高電平時啟動溫度轉(zhuǎn)換，低電平時允許數(shù)據(jù)輸出； SCK 為時鐘輸入端； SO 為數(shù)據(jù)輸出端，溫度轉(zhuǎn)換后的 12 位數(shù)據(jù)由該腳以 SPI 方式輸出。 性能特點 MAX6675 的主要特性如下： SPI 串行口溫度值輸出； ℃ ～ +1024℃ 的測溫范圍； 位 ℃ 的分辨率； ； ； ； 正 5V的電源電壓； ； 20℃ ～ +85℃ ； ESD 信號。 該器件采用 8 引腳 SO 帖片封裝 ， 引腳排列如圖 所示 ； 引腳名稱 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 11 SO7CS6S C K5T+3T2V C C4GND1U3M A X 6 67 5低電壓信號高電壓信號V C CC40 .1 μ fP 15P 16P 17 圖 MAX6675的引腳圖 功能 一： GND 接地端 、 T接 K 型熱電偶負(fù)極 、 T+接 K 型熱電偶正極 、 VCC 正電源端 、 SCK 串行時鐘輸入 、 CS 片選端， CS 為低時 ， 啟動串行接口 7SO 串行數(shù)據(jù)輸出 。 工作原理 MAX6675 器件是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有信號調(diào)節(jié)放大器、 12位的模擬 /數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補償傳感和校正、數(shù)字控制器、 1 個 SPI 兼容接口和 1 個相關(guān)的邏輯控制。 MAX6675 內(nèi)部具有將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為與 ADC 輸入通道兼容電壓的信號調(diào)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(dǎo)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(zhuǎn)換為相等價的溫度值之前，它需要對熱電偶 的冷端溫度進(jìn)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 41μV/℃ ，電壓可由線性公式 )()/41( t A M BtRTaVV o u t ??? ? 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。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 12 熱電偶的功能是檢測熱、 冷兩端溫度的差值，熱電偶 節(jié)點溫度可在 0℃ ～ +℃范圍變化。冷端即安裝 MAX6675 的電路板周圍溫度，比溫度在 20℃ ～ +85℃ 范圍內(nèi)變化。當(dāng)冷端溫度 波動時， MAX6675 仍能精確檢測熱端的溫度變化。由于傳感器輸出微弱的模擬信號，當(dāng)信號中存在環(huán)境干擾時，干擾信號也被同時放大，影響檢測的精度，需用濾波電路對先對模擬信號進(jìn)行處理，以提高信號的抗干擾能力。 MAX6675 是通過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(nèi)部的溫度檢測二極管轉(zhuǎn)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(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， MAX6675 可獲得最佳的測量精度。因此在實際測溫應(yīng)用時，應(yīng)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。 與單片機的通訊 MAX6675 采用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 串行外設(shè)總線與單片機接口。 MAX6675 從 SPI 串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：單片機使 CS 置為低電平，并提供時鐘信號給 SCK，由 SO 讀取測量結(jié)果。 CS 變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程， CS 變高將啟動一個新的轉(zhuǎn)換過程。將 CS 變低在 SO 端輸出第一個數(shù)據(jù)，一個完整串行接口讀操作需 16 個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀 16 個輸出位，第 1 個 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 位平時為低，當(dāng)熱電偶輸入開放時為高，開放熱電偶檢測電路完全由 MAX6675 實現(xiàn)，為開放熱電偶檢測器操作， T必須接地，并使接地點盡可能接近 GND 腳； D1 位為低以提供 MAX6675 器件身份碼， D0 位為三態(tài)標(biāo)志位 。 Ｋ型熱電偶溫度采集電路采用 ATMEL 公司的 FLASH 單片機 AT89C52，該微控制器具有 4K 內(nèi)部可擦寫程序存儲器和 32 個輸入 /輸出端口，滿足本系統(tǒng)中 溫度 測量、數(shù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 13 據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通訊的需要為。 AT89C52 采用 I/O 口線模擬 SPI 串行口來對 MAX6675 讀取 數(shù)據(jù)。 MAX6675 的 CS 端接單片機的 腳 , CS 低電平停止轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)輸出；SCK 引腳接單片機的 腳，為傳輸數(shù)據(jù)提供時鐘。無 數(shù)據(jù)傳輸時， SCK 應(yīng)置為低電平； SO 引腳接單片機的 腳，用于傳輸數(shù)據(jù)。單片機的 腳作為Ｋ型熱電偶探頭斷線報警口，報警時輸出低電平，驅(qū)動故障指示 LED 顯示。 在單片機的上述 4 個引腳各接一個 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 。 本系統(tǒng)主要測量工作溫度范圍為 500℃ —1200℃ ，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。 熱補償 與噪聲補償 在測溫應(yīng)用中，芯片自熱將降低 MAX6675 溫度測量精度，誤大小依賴于 MAX6675封裝的熱傳導(dǎo)性、安裝技術(shù)和通風(fēng)效果。為降低芯片自熱引起的測量誤差，可在布線時使用大面積接地技術(shù)提高 MAX6675 溫度測量 精度。 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，可在 MAX6675的電源引腳附近接入 1 只 陶瓷旁路電容。 測量精度的提高 熱電偶系統(tǒng)的測量精度可通過以下預(yù)防措施來提高： ； ，則只能應(yīng)用在測量區(qū)域，并且在無溫度變化率區(qū)域用擴(kuò)展導(dǎo)線； ； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 14 ，應(yīng)采用雙絞線作熱電偶連線； ； ； ，使用合適的保護(hù)套以保證熱電偶導(dǎo)線； ； 。 應(yīng)用 中的注意 問題 在溫度測量儀的設(shè)計和調(diào)試過程中遇到諸多問題，現(xiàn) 有 MAX6675 相關(guān)的幾個問題。 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。 芯片 T必須接地，并使接地點盡可能接近 GND 腳，否則讀出數(shù)據(jù)為無規(guī)律的亂碼。 是通過冷端補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，MAX6675 可獲得最佳的測量精度。因此在實際測溫應(yīng)用時，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。 4. 盡量采用大截面積的熱電偶導(dǎo)線，長距離傳輸時，可采用雙絞線作為信號傳輸線。 5. 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。 多通道的巡回切換 本系統(tǒng)是一個多路巡檢的系統(tǒng)，為了實現(xiàn)多路檢測，如果在每一路都接一個恒流源內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 15 和一個 A/D 采樣通道，顯然太浪費資源，所以要使用模擬通道開關(guān)芯片 ，可以實現(xiàn)多個通道的快 捷切換，這樣只要一路恒流源，一路 A/D 采樣通道即可實現(xiàn)多路巡檢功能，同時還可以保證各通道電流的一致性。 本設(shè)計所用多路開關(guān)是兩個 單八路模擬開關(guān) CD4051。 這