李　靜，曲貴波，吳東艷

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

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基于K型熱電偶的中低溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李靜，曲貴波，吳東艷

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

溫度在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，而一般的溫度傳感器測量范圍較窄，只能實(shí)現(xiàn)低溫測量。K型熱電偶是國內(nèi)外儀器儀表行業(yè)中最常見的一種測溫元件。本系統(tǒng)通過K型熱電偶傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，MAX6675芯片對(duì)信號(hào)變換后，通過SPI串行接口與STM32F103RCT6單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)中低溫度的測量。為了實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離控制，通過紅外遙控模塊輸入對(duì)比溫度，當(dāng)測量溫度大于或小于設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)具有較高的精度，能滿足中低溫度的測量。

K型熱電偶傳感器；單片機(jī)；紅外遙控；報(bào)警；顯示

溫度是一個(gè)非常基本的物理量，很多的物理量都與它有著密切的聯(lián)系，所以對(duì)溫度的精準(zhǔn)測量以及精確的控制在農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)、人們的日常生活、科學(xué)研究方面都有著十分重要的意義[1]。目前，熱電偶傳感器是國內(nèi)外儀器儀表行業(yè)中最常見的一種測溫元件，也是目前接觸式測溫領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的一種熱電式傳感器。

K型熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點(diǎn)。但K型熱電偶應(yīng)用時(shí)，卻存在著以下幾方面的問題[2]。

1)非線性。熱電偶輸出熱電勢與溫度之間非線性，因此，應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行線性化處理。

2)冷補(bǔ)償[3]。熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持0 ℃時(shí)與測量端的電勢差值，而在實(shí)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(bǔ)償[4]。

3)信號(hào)輸出。K型熱電偶輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，為了方便與后續(xù)單片機(jī)電路相連，需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

Maxim公司新近推出的MAX6675[5]即是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)STM32F103RCT6[6]為整個(gè)系統(tǒng)的核心，使用K型熱電偶傳感器對(duì)所測環(huán)境溫度信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)轉(zhuǎn)換芯片MAX6675轉(zhuǎn)換后輸入給單片機(jī)處理。同時(shí)本設(shè)計(jì)還有報(bào)警功能，通過紅外遙控模塊HS0038輸入對(duì)比溫度值，與采集到的溫度進(jìn)行比較并進(jìn)行聲光報(bào)警，測得溫度通過液晶屏JLX12864顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1K型熱電偶與MAX6675

MAX6675與熱電偶連接電路如圖2所示。

圖2　MAX6675與熱電偶連接電路

2.2紅外遙控傳感器

工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行溫控時(shí)，需要設(shè)定參考溫度，當(dāng)大于或者小于某個(gè)值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，而某些場合無法使用按鍵輸入，本系統(tǒng)采用紅外遙控器輸入設(shè)定值。HS0038是一種紅外接收器，輸出的TTL信號(hào)可以被單片機(jī)接收到 ，它的電路如圖3所示。

圖3　HS0038紅外遙控電路

2.3顯示電路

本設(shè)計(jì)的顯示屏選用比較常見的12 864字符型液晶顯示。JLX12864液晶顯示屏是一種集數(shù)字顯示、符號(hào)與字母顯示的顯示器，功耗低，具有很高的性價(jià)比。顯示電路如圖4所示。

圖4　顯示電路

2.4報(bào)警電路

當(dāng)檢測到的溫度在允許范圍內(nèi)時(shí)，電路不報(bào)警；當(dāng)檢測到的溫度超出設(shè)定的溫度值時(shí)，蜂鳴器響。蜂鳴器報(bào)警電路如圖5所示。

圖5　蜂鳴器報(bào)警電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分采用C語言編寫，程序設(shè)計(jì)模塊化。本系統(tǒng)先從MAX6675芯片中讀取數(shù)據(jù)，并判斷熱電偶是否開路，然后將數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)中進(jìn)行處理，同時(shí)由紅外遙控傳感器輸入對(duì)比溫度值與采集到的溫度進(jìn)行比較，并進(jìn)行聲光報(bào)警。系統(tǒng)軟件主流程如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)軟件主流程

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

完成基于K型熱電偶的中低溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，受實(shí)驗(yàn)條件限制，在室內(nèi)測量了不同條件下水和煙頭的溫度，并與0.1℃精度的水銀溫度計(jì)在10～70℃溫度范圍進(jìn)行比對(duì)。測試結(jié)果如表1所示。在測試范圍內(nèi)，相對(duì)誤差不超過0.2%。

表1　溫度測試數(shù)據(jù)

5　結(jié)束語

本文以STM32F103RCT6單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過K型熱電偶傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，通過MAX6675芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、冷端補(bǔ)償?shù)忍幚恚瓿蓽囟鹊墨@取。本系統(tǒng)還有報(bào)警功能，通過紅外遙控模塊輸入對(duì)比溫度值，與采集到的溫度進(jìn)行比較并進(jìn)行聲光報(bào)警，顯示當(dāng)前溫度值和設(shè)定溫度值。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高，測量溫度范圍廣，設(shè)定溫度值采用紅外遙控形式輸入，可以實(shí)現(xiàn)非接觸設(shè)定。經(jīng)實(shí)際測試表明，本設(shè)計(jì)測量溫度的范圍較寬，能實(shí)現(xiàn)中低溫度的測量，精度較高，相對(duì)誤差小于0.2°C。

[1]楊秋蘭.淺談溫度測量的發(fā)展現(xiàn)狀[J].科技傳播，2010(14)：116.

[2]吳東艷，韓喜春，高旭東.PSOC在高精度溫度測量中的應(yīng)用[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，27(2)：45-49.

[3]呂鵬飛，裴東興，沈大偉.基于K型熱電偶的瞬態(tài)測溫技術(shù)的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014(6)：775-780.

[4]陳學(xué)利，張東風(fēng).熱電偶測溫誤差的分析及修正方法[J].科技信息(科學(xué)教研)，2008(11)：304.

[5]李敏，孟臣.單片K型熱電偶放大與數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003(9)：41-43.

[6]周江.STM32單片機(jī)原理及硬件電路設(shè)計(jì)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015(11)：1-2.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Design of middle-and-low temperature measurement system based on K-type thermocouple

LI Jing，QU Guibo，WU Dongyan

(College of Electrical and Information Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China)

In industrial production,the temperature is one of the most important parameters,but the general temperature sensors can only measure the low temperature.The K thermocouple sensor is one of the most common temperature measuring devices in the domestic and foreign instrument industries.This system proposed can collect the temperature signal by the K thermocouple sensor,change the signal by the MAX6675,then use serial data transmission of SPI interface to communication with STM32F103RCT6.In order to have long distance control,this system has an alarm function by using infrared control module input temperature value,and comparing with the collected temperature and sound-light.Experiments show this system has high precision that can measure the middle-low temperature.

K-type thermocouple sensor；MCU；infrared remote sensor；alarm；display

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.05.012

2016-07-13

李靜(1980-)，女，講師，研究方向：測控技術(shù)及儀器.

TM762

A

1671-4679(2016)05-0043-03