Ｋ型热电偶数字转换器MAX6675及其在铝水平温度测量仪中的应用

HEATS 发表于 2010-9-11 22:02:02

Ｋ型热电偶数字转换器MAX6675及其在铝水平温度测量仪中的应用

Ｋ型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点。目前，在以Ｋ型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机的嵌入式系统。中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。在铝水平温度测量仪的研制中，我们采用了MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速、准确。
　　1 MAX6675特性
　　1.1 特性
　　MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成Ｋ型热电偶变换器，测温范围0℃～1024℃，主要功能特点如下：
　　n      直接将热电偶信号转换为数字信号
　　n      具有冷端补偿功能
　　n      简单的SPI串行接口与单片机通讯
　　n      12位A/D转换器、0.25℃分辨率
　　n      单一+5V的电源电压
　　n      热电偶断线检测
　　n      工作温度范围-20℃～+85℃
　　1.2 引脚功能
　　MAX6675采用SO-8封装形式，有8个引脚，脚1（GND）接地，脚2（T-）接热电偶负极，脚3（T+）接热电偶正极，脚4（VCC）电源端，脚5（SCK）串行时钟输入端，脚6（CS）片选端，使能启动串行数据通讯，脚7（SO）串行数据输出端，脚8（NC）未用。在VCC和GND之间接0.1μF电容。

　　MAX6675的引脚如图1所示。
<IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_0muvmv200822015724.jpg">
　　1.3 工作原理
　　MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构如图2所示。主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。
　　其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。。对于K型热电偶，电压变化率为(41μV/℃)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。
　　U1=(41μV/℃)×(T-T0)
　　上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。
　　在将温度电压值转换为相应的温度值之前，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。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。
　　U2=(41μV/℃)×T0
　　在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。
<IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_j44e4k200822015743.gif">
　　1.4 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。   
　　MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图3所示。
<IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_viex5f200822015759.gif">
　　2 在铝水平温度测量仪中的应用
　　本文所述铝水平温度测量仪是一工作于铝电解现场的测量装置，其控制部分采用单片机控制，对温度部分的要求是：在得到测量要求信号后，实时测量出当前热电偶探头的温度并保存，可检测Ｋ型热电偶探头断线状况并报警。
　　2.1 硬件实现
　　该铝水平温度测量仪的Ｋ型热电偶温度采集电路如图所示。其微控制器采用ATMEL公司的FLASH单片机AT89C51，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，满足本系统中液位测量、数据显示、温度测量、数据通讯、看门狗电路的需要。作为一款廉价的通用型单片机，AT89C51没有SPI接口。因此采用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P1.0脚，CS低电平停止转换，MAX6675准备将数据输出；SCK引脚接单片机的P1.1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P1.2脚，用于传输数据。单片机的P1.3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0.1μF陶瓷旁路电容。在印刷电路板的设计中，采用大面积接地技术来降低芯片自热引起的测量误差，提高温度测量精度。
<IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_za17x7200822015820.gif">
　　本系统主要测量铝电解槽中的温度，其正常工作温度范围为920℃—1000℃，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。
　　2.2 软件实现
　　  温度测量是铝水平温度测量过程的最后一个环节，在系统测量完铝水平后，开始进行温度测量，这一部分程序作为一个独立的程序段，定时调用，主要包括MAX6675数据读取、开路判断、数据处理和码制转换等几个部分。程序流程如下：
<IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_okterf200822015841.gif">
　　下面给出MAX6675温度值读取程序设计：
　　；温度值读取程序
　　；位定义
　　CS   BIT P1.0    ；数据输入
　　SCK     BIT P1.1    ；片选
　　SO   BIT P1.2    ；时钟
　　；数据字节定义
　　DATAH    DATA   40H  ；读取数据高位
　　DATAL    DATA   41H   ；读取数据低位
　　TDATAH  DATA   42H    ；温度高位
　　TDATAL  DATA   43H    ；温度低位
　　CLR     CS          ；CS低电平，停止数据转换，输出数据D15
　　CLR     CLK        ；时钟置为低电平
　　MOV     R7,  #08H 
　　RD_DATAH:             ；读数据高位字节D15-D8
　　MOV        C,SO    ；读SO端数据
　　RLC     A       ；累加器左移一位
　　SETB    SCK
　　NOP
　　CLR     SCK
　　DJNZ    R7,RD_DATA   
　　MOV        DATAH,A   ；将数据高位移入缓冲区
　　MOV     R7,#08H
　　RD_DATAL:               ；读数据低位字节D7-D0
　　MOV     C,SO    ；读SO端数据
　　RLC        A       ；累加器左移一位
　　SETB       SCK
　　NOP
　　CLR        SCK
　　DJNZ       R7,RD_DATAL
　　MOV        DATAL,A ；将数据低位移入缓冲区
　　SETB        CS   ；CS高电平，停止数据输出，启动新的数据转换；数据转换子程序，将读得的16位数据转换为12位温度值，去掉无用的位
　　MOV     A，DATAL  
　　RLC     A       
　　MOV     DATAL，A
　　MOV     A，DATAH
　　RLC     A       ；整个数据位左移一位，去掉D15位
　　SWAP A       ；将DATAH中的高低4位数据互换
　　MOV     B，A    ；数据暂存于B中
　　ANL     A，#0FH   ；得到温度数据高位字节部分D14 ～D11
　　MOV     TDATAH，A ；将温度值高位字节保存
　　MOV     A，B
　　ANL     A，#<?XML:NAMESPACE PREFIX = ST1 /><ST1:CHMETCNV w:st="on" UnitName="F" SourceValue="0" HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1" TCSC="0">0F</ST1:CHMETCNV>0H  ；得到温度数据低位字节部分D10 ～D7
　　MOV     B，A    
　　MOV     A，DATAL  ；
　　ANL     A，#0FH   ；得到温度数据低位字节部分D6 ～D3
　　ORL     A，B    ；合并的温度低位字节
　　MOV     TDATAL，A ；将温度值低位字节保存   
　　3 应用中注意的几个问题
　　在铝水平温度测量仪的设计和调试过程中遇到诸多问题，现将与MAX6675相关的几个问题和使用心得摘录如下，以供参考。
　　1）MAX6675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。
　　2）MAX6675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。
　　3）MAX6675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。
　　4 结束语
　　  MAX6675将热电偶测温应用时复杂的线性化、冷端补偿及数字化输出等集中在一个芯片上解决，简化了铝水平温度测量仪中热电偶测温电路的设计，实际运行结果表明，该测温系统抗干扰能力强、结构简单、可靠性高，测量精度满足要求。因此，在基于微处理器的单片机嵌入式工业测温系统中，由MAX6675构成的单片热电偶测温解决方案，具有良好的实用价值。

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