【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 行處理。 常用的補(bǔ)償方法有 [78]： 冷端恒溫法； 補(bǔ)償導(dǎo)線法； 計(jì)算修正法； 電橋補(bǔ)償（又稱冷端補(bǔ)償器）法； 顯示儀表零位調(diào)整法； 軟件處理法。 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件、熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。 普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖 33所示。 圖 33 普通結(jié) 構(gòu)熱電偶 鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體，它可以做得很細(xì)很長(zhǎng)，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。其結(jié)構(gòu)圖如圖 34所示。 熱電式傳感器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 圖 34 套管熱電偶結(jié)構(gòu)圖 薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料，用真空蒸鍍、化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶，薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很?。杀〉絶 m） , 具有熱容量小，反應(yīng)速度快等的特點(diǎn)，熱相應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。其結(jié)構(gòu)圖如圖 35所示。 圖 35 薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)圖 K 型熱電偶概述 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(diào)節(jié)器配套使用。 K 型熱電偶可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)中從 0℃到 1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。 熱電式傳感器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 36 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(xué)成分為： Ni： Cr=92： 12，負(fù)極（ KN）的名義化學(xué)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(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，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 型熱電偶特點(diǎn) K 型熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。必須配和二次儀表使用其優(yōu)點(diǎn)是： ①測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響 。 ②測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從 50~+1600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到 269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá) +2800℃（如鎢 錸）。 ③構(gòu)造簡(jiǎn)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(hù)套管，用起來非常方便。 具有冷端補(bǔ)償?shù)臄?shù)字溫 度轉(zhuǎn)換芯片 MAX6675 功能簡(jiǎn)介 MAX6675 是美國(guó) Maxin 公司生產(chǎn)的基于 SPI 總線的專用芯片 [9]，不僅能對(duì) K型熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償 ， 還能對(duì)熱電勢(shì)信號(hào)作數(shù)字處理，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性 ， 可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、儀器儀表、自動(dòng)化領(lǐng)域等。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 37 所示。 熱電式傳感器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 37 MAX6675內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 性能特點(diǎn) MAX6675 的主要特性如下： ①簡(jiǎn)單的 SPI串行口溫度值輸出。 ② 0℃ ~+l024℃的測(cè)溫范圍。 ③ 12 位 ℃的分辨率。 ④片內(nèi)冷端補(bǔ)償。 ⑤高阻抗差動(dòng)輸入。 ⑥熱電偶斷線檢測(cè)。 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 2021V 的 ESD 保護(hù)。 該器件采用 8引腳 50 貼片封裝。引腳排列如圖 38所示，引腳功能如表 31。 熱電式傳感器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 圖 38 引腳功能圖 表 31 引腳功能表 引腳 名稱 功能 1 GND 接地端 2 T K 型熱電偶負(fù)極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正電源端 5 SCK 串行時(shí)鐘輸入 6 CS 片選端， CS 為低時(shí)、啟動(dòng)串行接口 7 SO 串行數(shù)據(jù)輸出 8 . 空引腳 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 溫度變換 MAX6675內(nèi)部具有將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為與 ADC輸入通道兼容電壓的信號(hào)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(cè)輸入的高精度，同時(shí)使熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢(shì)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(jià)的溫度值之前，它需要對(duì)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 0℃實(shí)際參考值之間的差值。對(duì)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(cè)量點(diǎn)溫度； tAMB是周圍溫度。 冷端補(bǔ)償專用芯 片 MAX6675 的冷端補(bǔ)償問題 熱電偶的功能是檢測(cè)熱、冷兩端溫度的差值，熱電偶熱節(jié)點(diǎn)溫度可在 0℃～熱電式傳感器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 +℃范圍變化。冷端即安裝 MAX6675 的電路板周圍溫度，此溫度在 20℃～+85℃范圍內(nèi)變化。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)， MAX6675 仍能精確檢測(cè)熱端的溫度變化。MAX6675 是通過冷端補(bǔ)償檢測(cè)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(cè)二極管轉(zhuǎn)換為溫度補(bǔ)償電壓， 為了產(chǎn)生實(shí)際熱電偶溫度測(cè)量值， MAX6675從熱電偶的輸出和檢測(cè)二極管的輸出測(cè)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(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(cè)量精度。因此在實(shí)際測(cè)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，因?yàn)檫@樣會(huì)造成冷端誤差。 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 的熱補(bǔ)償跟噪聲補(bǔ)償問題 在測(cè)溫應(yīng)用中，芯片自熱將降低 MAX6675溫度測(cè)量精度，誤差大小依賴于 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(cè)量誤差，可在布線時(shí)使用大面積接地技術(shù)提高 MAX6675 溫度測(cè)量精度。 MAX6675 的測(cè)量 精度對(duì)電源藕合噪聲較敏感。為降低電源噪聲的影響，可在MAX6675 的電源引腳附近接入 1只 陶瓷旁路電容。 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 測(cè)量精度的提高方法 熱電偶系統(tǒng)的測(cè)量精度可通過以下預(yù)防措施來提高：①盡量采用不能從測(cè)量區(qū)域散熱的大截面導(dǎo)線；②如必須用小截面導(dǎo)線，則只能應(yīng)用在測(cè)量區(qū)域，并且在無溫度變化率區(qū)域用擴(kuò)展導(dǎo)線；③避免受能拉緊導(dǎo)線的機(jī)械擠壓和振動(dòng)；④當(dāng)熱電偶距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)采用雙絞線作熱電偶連線；⑤在溫度額定值范圍內(nèi)使用熱電偶導(dǎo)線；⑥避免急劇溫度變化；⑦在惡劣環(huán)境中，使用合適的 保護(hù)套以保證熱電偶導(dǎo)線；⑧僅在低溫和小變化率區(qū)域使用擴(kuò)展導(dǎo)線；⑨保持熱電偶電阻的事件記錄和連續(xù)記錄。 冷端補(bǔ)償專用芯片 MAX6675 的溫度讀取 MAX667 多采用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 串行外設(shè)總線與 MCU 接口，且 MAX6675 只能作為從設(shè)備。 MAX6675S0 端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如圖 39所示， MAX6675SPI 接口時(shí)序如圖 310所示。 MAX6675 從 SPI 串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下： MCU 使 CS 變低并提供時(shí)鐘信號(hào)給 SCK，由 S0讀取測(cè)量結(jié)果。 CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程： CS 變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換 過程。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 l 位和第 15 位是一偽標(biāo)志位，并總為 0，第 14 位到第 3位為以 MSB到 LSB 順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；第 2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(cè)電路完全由 MAX6675 實(shí)現(xiàn)，為開放熱電偶檢測(cè)器操作， T必須接地，并使接地點(diǎn)盡可熱電式傳感器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 能接近 GND 腳；第 1 位為低以提供 MAX6675 器件身份碼，第 0 位為三態(tài)。 圖 39 MAX6675S0端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式 D14～ D3為 12位數(shù)據(jù)，其最小值為 0，對(duì)應(yīng)的溫度值為 0℃；最大值為 4095，對(duì)應(yīng)的溫度值為 ℃；由于 MAX6675 內(nèi)部經(jīng)過了激光修正，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對(duì)應(yīng)溫度值具有較好的線性關(guān)系。溫度值與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為： 溫度值 = 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4095 圖 310 MAX6675SPI接口時(shí)序 單片機(jī)選擇及部分功能簡(jiǎn)介 MCU 是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，由于溫度測(cè)量系統(tǒng)的接口方便，綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)，選用美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 型單片機(jī)。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器 。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，其外觀引腳圖如下： 熱電式傳感器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 圖 311 AT89C51外觀引腳圖 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能 [12]： 4k 字節(jié)的 flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電 路。同時(shí)， AT89C51 可降至 0hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式、空閑方式停止 CPU 工作，但允許 RAM，定時(shí) /技術(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。 AT89C51 共有 4 個(gè)雙向的 8位并行 I/O 端口，分別為 P0~P3，共有 32 根口線，端口的每一位均由鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器所組成。 P0~P3 的端口寄存器屬于特殊功能寄存器系列。這四個(gè)端口除了可以按字節(jié)尋址外還可以位尋址。其中 P0 口為漏極開路作為輸 出使用時(shí)應(yīng)外加上拉電阻， P3 口既可以做為普通 I/O 口使用，還可以作為特定的功能引腳。雖然 51 單片機(jī)只有一個(gè)串口接口，但其 I/O 口既可以用字節(jié)尋址也可以位尋址，這樣在實(shí)際應(yīng)用中，我們就可以通過模擬不同總線的時(shí)序特征來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的傳輸。 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)功能強(qiáng)大的全雙工的一部通信串口。其串行口有四種工作方式：分別為同步通信方式、 8位異步收發(fā)、 9位異步收發(fā)（特定波特率）、 9 位異步收發(fā)（定時(shí)器控制波特率）。它有兩個(gè)物理上獨(dú)立接收發(fā)送緩沖器 SBUF，可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。波特率可由軟件設(shè)置片內(nèi)的定 時(shí)器來控制，而且每當(dāng)串行口接收或發(fā)送 1B完畢，均可發(fā)出中斷請(qǐng)求。 熱電式傳感器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 AT89C51 單片機(jī)的 SPI 實(shí)現(xiàn) 串行外圍設(shè)備接口 SPI（ serial peripheral interface）總線技術(shù)是 Motorola公司推出的一種同步串行接口， Motorola 公司生產(chǎn)的絕大多數(shù) MCU（微控制器）都配有 SPI 硬件接口。 SPI 用于 CPU 與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。 SPI 可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)。它只需四條線就可以完成 MCU 與各種外圍器件的通訊，這四條線是：串行時(shí)鐘線（ CSK）、主機(jī)輸入 /從 機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（ MISO）、主機(jī)輸出 /從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（ MOSI）、低電平有效從機(jī)選擇線 CS。當(dāng) SPI 工作時(shí)，在移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳（ MOSI）輸出（高位在前），同時(shí)從輸入引腳（ MISO）接收的數(shù)據(jù)逐位移到移位寄存器（高位在前）。發(fā)送一個(gè)字節(jié)后，從另一個(gè)外圍器件接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器中。主 SPI 的時(shí)鐘信號(hào)（ SCK）使傳輸同步。其時(shí)序圖如下： 圖 312 SPI總線時(shí)序圖 對(duì)于不帶 SPI 串行總線接口的 AT89C51 單片機(jī)來說，可以使用軟件來模擬 SPI的操作 [13]，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入 和數(shù)據(jù)輸出。對(duì)于不同的串行接口外圍芯片，它們的時(shí)鐘時(shí)序是不同的。對(duì)于在 SCK 的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿輸出（發(fā)送）數(shù)據(jù)的器件，一般應(yīng)將其串行時(shí)鐘輸出口 （模擬 MCU 的 SCK 線）的初始狀態(tài)設(shè)置為 1，而在允許接口后再置 為 0。這樣， MCU 在輸出 1位 SCK 時(shí)鐘的同時(shí)，將使接口芯片串行左移，從而輸出 1位數(shù)據(jù)至 MCU 的 口（模擬 MCU 的 MISO 線），此后再置 為 1，使單片機(jī)從 （模擬 MCU 的 MOSI 線）輸出 1位數(shù)據(jù)（先為高位）至串行接口芯片。至此，模擬 1 位數(shù)據(jù)輸入輸出便宣告完成。 此后再置 為0，模擬下 1 位數(shù)據(jù)的