基于单片机的热电偶温度巡检仪

基于单片机的热电偶温度巡检仪内容摘要：

热电温度计是由热电偶、补偿导线及测量仪表 构成的。 其中热电偶 是敏感元件 , 它由两种不同的导体 A 和 B 连接在一起 , 构成一个闭合回路 , 当两个连接点 1 与 2 的温度不同时 , 由于热电 效应， 回路中就会产生零点几到几十毫伏的热电动势 , 记为 EAB。 接点 1 在测量时被置于测 量场所， 故称为测量端或工作端。 接点 2 则要求恒定在某一 温度下， 称为参考端或自由端 , 如图 所示。 AABBAA工作端一工作端二工作端二 图 热电偶原理图 实验证明 , 当电极材料选定后 , 热电偶的热电动势仅与两个接点的温度有关 , 即 dtS a bttd E a b )2,1( 比例系数 Sab 称为热电动势率 , 它是热电偶最重要的特征量。 当两接点的温度分别为 t1 , t2 时 , 回路总的热电动势为 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8   12 2121 )()(),( tetedtSttE ABABABAB ， 对于已选定材料的热电偶 ： 当其自由端温度恒定时 ， )( 2teAB 为常数 ， 这样回路总的热电动势仅为工作温度 t1 的单值函数。 所以 ， 通过测量热电动势的方法就可以测量工作点的实际温度。 热电偶测量温度的方法 图 中我们把 自由端 2 画成虚线 ， 是想说明热电偶在使用时 2 点实际上不是直接相接的。 由热电偶的中间金属定律 ：“ 在热电偶测温回路中 ， 串接第三种导体 ； 只要其两端温度相同 ， 则热电偶所产生的热电动势与串接的中间金属无关。 那么 , 我们把较短的测量导线和仪表串接在 2 点并视其为第三种金属 ， 就可认为它们不影响热电偶所产生的热电动势即工作温度的测量。 ” 实际使用时 ， 测量场所与测量仪表往往相距很远 ， 又因为组成热电偶的材料比较贵重 ， 所以常加导线来连接。 这里有两种使用方法 ： 第一种 是用 两根连接导线具有相同的热电性质 ； 如在一根导线 (如常用的紫铜线 ) 上取下的两段线 ， 它们的化学成分和物理性质就很相近 ， 这时 ， 可根据中间金属定律判断出电偶的热电动势只取决于电偶两端温度 t t2 ， 其它环境温度的影响就可忽略。 第二 种是在 热电偶的两电极分别采用和自己热电性质相近的补偿导线延长至 3 点 ， 这样热电动势只取决于 t1 和 t3 而与 t2 无关。 上述使用情况中 ， 温度点 t2 和 t3 往往采用冰水混合物 (0 ℃ ) 来恒定温度。 这时 ， 总的热电动势就变成工作温度 t1 的单值函数 ， 可记为 (E t1)。 为了使用方便 , 对于不同的热电偶规定 了不同的分度号 ， 根据不同的分度号 ； 我们又可查找其对应的分度表 ， 从而得到标准热电偶 E t1 关系的具体对应值 (相关温度点一般规定为 0 ℃ )]， 见表 . 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 分度号 材质 补偿导线型号 补偿导线材质 K 镍镉 镍硅 SC 正极 负极 铜 铜镍 表 K型热电偶性能介绍 热电偶测温时 ， 除工作端外的各个部分要求有良好的绝缘 ， 否则会引入误差 ， 甚至无法测量。 另外 ， 为了支撑和固定热电极 ， 延长其寿命 ， 还应选择合适的保护套管材料。 使用一段时间后 ， 热电偶要和标准偶进行校正。 测量信号的放大和冷 端补偿 热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。 但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题。 ：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。 端 补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为 0℃ 时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿。 ：与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为 模拟小信号测温元件的热电偶显然法直接满足这个要求。 因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号放大、 A/D 转换、查表线性线、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。 如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 MAX6675 芯片 Maxim 公司新近推出的 MAX6675， 其内部由精密运算放大器、基准电源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及 ADC 电路构成，完成热电偶微弱信号的放大、冷端补 偿和 A／ D 转换 等 功能。 MAX6675 采用 8 脚 SO 形式封装，图 为引脚 图， T+接 K 型热电偶的正极 (镍铬合金 )， T接 K 型热电偶的 负极（ 镍硅合金或镍铝合金 ）； 片选信号端 CS 为高电平时启动温度转换，低电平时允许数据输出； SCK 为时钟输入端； SO 为数据输出端，温度转换后的 12 位数据由该脚以 SPI 方式输出。 性能特点 MAX6675 的主要特性如下： SPI 串行口温度值输出； ℃ ～ +1024℃ 的测温范围； 位 ℃ 的分辨率； ； ； ； 正 5V的电源电压； ； 20℃ ～ +85℃ ； ESD 信号。 该器件采用 8 引脚 SO 帖片封装 ， 引脚排列如图 所示 ； 引脚名称 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 SO7CS6S C K5T+3T2V C C4GND1U3M A X 6 67 5低电压信号高电压信号V C CC40 .1 μ fP 15P 16P 17 图 MAX6675的引脚图 功能 一： GND 接地端 、 T接 K 型热电偶负极 、 T+接 K 型热电偶正极 、 VCC 正电源端 、 SCK 串行时钟输入 、 CS 片选端， CS 为低时 ， 启动串行接口 7SO 串行数据输出。 工作原理 MAX6675 器件是一复杂的单片热电偶数字转换器，内部具有信号调节放大器、 12位的模拟 /数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、 1 个 SPI 兼容接口和 1 个相关的逻辑控制。 MAX6675 内部具有将热电偶信号转换为与 ADC 输入通道兼容电压的信号调节放大器， T+和 T输入端连接到低噪声放大器 A1，以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。 热电偶输出的热电势经低噪声放大器 A1 放大，再经过 A2 电压跟随器缓冲后，被送至 ADC 的输入端。 在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，它需要对热电偶 的冷端温度进行补偿，冷端温度即是 MAX6675 周围温度与 0℃ 实际参考值之间的差值。 对于 K 型热电偶，电压变化率为 41μV/℃ ，电压可由线性公式 )()/41( t A M BtRTaVV o u t   来近似热电偶的特性。 上式中， Vout 为热电偶输出电压（ mV）， tR 是测量点温度； tAMB是周围温度。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 热电偶的功能是检测热、 冷两端温度的差值，热电偶 节点温度可在 0℃ ～ +℃范围变化。 冷端即安装 MAX6675 的电路板周围温度，比温度在 20℃ ～ +85℃ 范围内变化。 当冷端温度 波动时， MAX6675 仍能精确检测热端的温度变化。 由于传感器输出微弱的模拟信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同时放大，影响检测的精度，需用滤波电路对先对模拟信号进行处理，以提高信号的抗干扰能力。 MAX6675 是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。 该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，MAX6675 从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。 该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到 ADC 中转换，以计算热电偶的热端温度。 当热电偶的冷端与芯 片温度相等时， MAX6675 可获得最佳的测量精度。 因此在实际测温应用时，应尽量避免在 MAX6675 附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。 与单片机的通讯 MAX6675 采用标准的 SPI 串行外设总线与单片机接口。 MAX6675 从 SPI 串行接口输出数据的过程如下：单片机使 CS 置为低电平，并提供时钟信号给 SCK，由 SO 读取测量结果。 CS 变低将停止任何转换过程， CS 变高将启动一个新的转换过程。 将 CS 变低在 SO 端输出第一个数据，一个完整串行接口读操作需 16 个时钟周期，在时钟的下降沿读 16 个输出位，第 1 个 输出位是 D15，是一伪标志位，并总为 0； D14 位到 D3 位为以 MSB 到 LSB 顺序排列的转换温度值； D2 位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由 MAX6675 实现，为开放热电偶检测器操作， T必须接地，并使接地点尽可能接近 GND 脚； D1 位为低以提供 MAX6675 器件身份码， D0 位为三态标志位。 Ｋ型热电偶温度采集电路采用 ATMEL 公司的 FLASH 单片机 AT89C52，该微控制器具有 4K 内部可擦写程序存储器和 32 个输入 /输出端口，满足本系统中 温度 测量、数内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 据显示、数据通讯的需要为。 AT89C52 采用 I/O 口线模拟 SPI 串行口来对 MAX6675 读取 数据。 MAX6675 的 CS 端接单片机的 脚 , CS 低电平停止转换，准备将数据输出；SCK 引脚接单片机的 脚，为传输数据提供时钟。 无 数据传输时， SCK 应置为低电平； SO 引脚接单片机的 脚，用于传输数据。 单片机的 脚作为Ｋ型热电偶探头断线报警口，报警时输出低电平，驱动故障指示 LED 显示。 在单片机的上述 4 个引脚各接一个 10K 的上拉电阻，保证数据的可靠传送。 由于MAX6675 的测量精度对电源耦合噪声较敏感，为降低电源噪 声影响，在 MAX6675 的电源引脚附近接入 1 只。 本系统主要测量工作温度范围为 500℃ —1200℃ ，为了准确的测量这一区段的温度值，系统利用 X25045 芯片内部的 4096 位串行 E2PROM（非易 失 存储器），保存温度补偿参数，掉电不丢失，保证系统可应用于各种环境条件。 热补偿 与噪声补偿 在测温应用中，芯片自热将降低 MAX6675 温度测量精度，误大小依赖于 MAX6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。 为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高 MAX6675 温度测量 精度。 MAX6675 的测量精度对电源耦合噪声较敏感。 为降低电源噪声影响，可在 MAX6675的电源引脚附近接入 1 只 陶瓷旁路电容。 测量精度的提高 热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高： ； ，则只能应用在测量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线； ； 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 ，应采用双绞线作热电偶连线； ； ； ，使用合适的保护套以保证热电偶导线； ；。 应用 中的注意 问题 在温度测量仪的设计和调试过程中遇到诸多问题，现 有 MAX6675 相关的几个问题。 芯片对电源噪声较为敏感，尽量将 MAX6675 布置在远离其他 I/O 芯片的地方。 芯片 T必须接地，并使接地点尽可能接近 GND 脚，否则读出数据为无规律的乱码。 是通过冷端补偿来校正周围温度变化的。 该器件将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到 ADC 中转换，以计算热电偶的热端温度。 当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675 可获得最佳的测量精度。 因此在实际测温应用时，应尽量避免在 MAX6675附近放置发热器件或元件，例如 7805 等带散热片的稳压器件。 4. 尽量采用大截面积的热电偶导线，长距离传输时，可采用双绞线作为信号传输线。 5. 根据应用场合的不同，可通过相应的数字滤 波器进行数据处理，以提高所需要某一段测量数据的准确性。 多通道的巡回切换 本系统是一个多路巡检的系统，为了实现多路检测，如果在每一路都接一个恒流源内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 15 和一个 A/D 采样通道，显然太浪费资源，所以要使用模拟通道开关芯片 ，可以实现多个通道的快 捷切换，这样只要一路恒流源，一路 A/D 采样通道即可实现多路巡检功能，同时还可以保证各通道电流的一致性。 本设计所用多路开关是两个 单八路模拟开关 CD4051。 这。