【文章內容簡介】 熱電溫度計是由熱電偶、補償導線及測量儀表 構成的。其中熱電偶 是敏感元件 , 它由兩種不同的導體 A 和 B 連接在一起 , 構成一個閉合回路 , 當兩個連接點 1 與 2 的溫度不同時 , 由于熱電 效應， 回路中就會產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 , 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。當兩接點的溫度分別為 t1 , t2 時 , 回路總的熱電動勢為 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（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 ， 串接第三種導體 ； 只要其兩端溫度相同 ， 則熱電偶所產生的熱電動勢與串接的中間金屬無關 。 那么 , 我們把較短的測量導線和儀表串接在 2 點并視其為第三種金屬 ， 就可認為它們不影響熱電偶所產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 ， 又因為組成熱電偶的材料比較貴重 ， 所以常加導線來連接。這里有兩種使用方法 ： 第一種 是用 兩根連接導線具有相同的熱電性質 ； 如在一根導線 (如常用的紫銅線 ) 上取下的兩段線 ， 它們的化學成分和物理性質就很相近 ， 這時 ， 可根據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相近的補償導線延長至 3 點 ， 這樣熱電動勢只取決于 t1 和 t3 而與 t2 無關。 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 ， 根據不同的分度號 ； 我們又可查找其對應的分度表 ， 從而得到標準熱電偶 E t1 關系的具體對應值 (相關溫度點一般規(guī)定為 0 ℃ )]， 見表 . 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 9 分度號 材質 補償導線型號 補償導線材質 K 鎳鎘 鎳硅 SC 正極 負極 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 ， 還應選擇合適的保護套管材料。使用一段時間后 ， 熱電偶要和標準偶進行校正。 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，具有結構簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點。但是將熱電偶應用在基于單片機的嵌入式系統(tǒng)領域時，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系為非線性關系，因此在應用時必須進行線性化處理。 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，而在實際應用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需進行冷端補償。 ：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，若將熱電偶應用于嵌入式系統(tǒng)時，須進行復雜的信號放大、 A/D 轉換、查表線性線、溫度補償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設計。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域的應用設計。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 10 MAX6675 芯片 Maxim 公司新近推出的 MAX6675， 其內部由精密運算放大器、基準電源、冷端補償二極管、模擬開關、數(shù)字控制器及 ADC 電路構成，完成熱電偶微弱信號的放大、冷端補 償和 A／ D 轉換 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換，低電平時允許數(shù)據輸出； SCK 為時鐘輸入端； SO 為數(shù)據輸出端，溫度轉換后的 12 位數(shù)據由該腳以 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 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（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)據輸出 。 工作原理 MAX6675 器件是一復雜的單片熱電偶數(shù)字轉換器，內部具有信號調節(jié)放大器、 12位的模擬 /數(shù)字化熱電偶轉換器、冷端補償傳感和校正、數(shù)字控制器、 1 個 SPI 兼容接口和 1 個相關的邏輯控制。 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低噪聲放大器 A1 放大，再經過 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 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。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（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℃ 范圍內變化。當冷端溫度 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部的溫度檢測二極管轉換為溫度補償電壓，為了產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。 與單片機的通訊 MAX6675 采用標準的 SPI 串行外設總線與單片機接口。 MAX6675 從 SPI 串行接口輸出數(shù)據的過程如下：單片機使 CS 置為低電平，并提供時鐘信號給 SCK，由 SO 讀取測量結果。 CS 變低將停止任何轉換過程， CS 變高將啟動一個新的轉換過程。將 CS 變低在 SO 端輸出第一個數(shù)據，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，是一偽標志位，并總為 0； D14 位到 D3 位為以 MSB 到 LSB 順序排列的轉換溫度值； D2 位平時為低，當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)內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 13 據顯示、數(shù)據通訊的需要為。 AT89C52 采用 I/O 口線模擬 SPI 串行口來對 MAX6675 讀取 數(shù)據。 MAX6675 的 CS 端接單片機的 腳 , CS 低電平停止轉換，準備將數(shù)據輸出；SCK 引腳接單片機的 腳，為傳輸數(shù)據提供時鐘。無 數(shù)據傳輸時， SCK 應置為低電平； SO 引腳接單片機的 腳，用于傳輸數(shù)據。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℃ ，為了準確的測量這一區(qū)段的溫度值，系統(tǒng)利用 X25045 芯片內部的 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)可應用于各種環(huán)境條件。 熱補償 與噪聲補償 在測溫應用中，芯片自熱將降低 MAX6675 溫度測量精度，誤大小依賴于 MAX6675封裝的熱傳導性、安裝技術和通風效果。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防措施來提高： ； ，則只能應用在測量區(qū)域，并且在無溫度變化率區(qū)域用擴展導線； ； 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 14 ，應采用雙絞線作熱電偶連線； ； ； ，使用合適的保護套以保證熱電偶導線； ； 。 應用 中的注意 問題 在溫度測量儀的設計和調試過程中遇到諸多問題，現(xiàn) 有 MAX6675 相關的幾個問題。 芯片對電源噪聲較為敏感，盡量將 MAX6675 布置在遠離其他 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部的溫度檢測二極管轉換為溫度補償電壓，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，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線，長距離傳輸時，可采用雙絞線作為信號傳輸線。 5. 根據應用場合的不同，可通過相應的數(shù)字濾 波器進行數(shù)據處理，以提高所需要某一段測量數(shù)據的準確性。 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蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（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。 本設計所用多路開關是兩個 單八路模擬開關 CD4051。 這