老盛林 何式健

摘? 要：針對(duì)工業(yè)測溫控溫存在的需求，介紹一種基于熱電偶測溫控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括溫度數(shù)據(jù)采集及控制器兩部分。溫度數(shù)據(jù)采集由K型熱電偶、K型熱電偶串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX6675組成，控制器由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，固態(tài)繼電器進(jìn)行通斷控制。本文闡述了MAX6675與單片機(jī)組成的測溫控溫系統(tǒng)的硬件組成和軟件的設(shè)計(jì)思路。實(shí)踐表明：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，軟件實(shí)現(xiàn)容易、操作方便，運(yùn)行可靠、成本較低，特別適合小型企業(yè)簡單測溫控制，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：MAX6675;單片機(jī);K型熱電偶

中圖分類號(hào)：TP273+.5;TM506? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）08-00195-02

Abstract：This paper describes a temperature measurement and control system based on the thermocouple to meet the demand of industrial thermometry and control. The system includes two parts：temperature data acquisition and controller. Temperature data acquisition is composed of K-type thermocouple and K-type thermocouple serial analog-to-digital converter MAX6675. The controller is composed of a single chip computer for data processing and a solid-state relay for continuous control. This paper describes the hardware composition and software design idea of temperature measurement and control system composed of MAX6675 and single chip computer. Practice shows that the system is simple in structure，easy to implement，easy to operate，reliable in operation and low in cost. It is especially suitable for simple temperature measurement control in small enterprises and has good application and popularization value.

Keywords：MAX6675;micro controller unit;K type thermocouple

0? 引? 言

熱電偶是常用的測溫元件，價(jià)格便宜，使用方便。但現(xiàn)場應(yīng)用中熱電偶冷端溫度不好確定，測量數(shù)據(jù)存在非線性，輸出熱電勢信號(hào)微小，需要放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換才能在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。MAXIM公司于2002開發(fā)出的K型熱電偶變換器集成電路MAX6675則帶有冷端補(bǔ)償、信號(hào)放大、將模擬電壓經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號(hào)輸出的功能，解決了熱電偶在實(shí)際測量中的需求，使溫度測量儀表或溫度測量、控制系統(tǒng)變得十分簡單。

1? 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

1.1? 熱電偶

本系統(tǒng)傳感器采用K型熱電偶。K型熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、測溫范圍寬的特點(diǎn)。根據(jù)熱電偶測溫原理，只有當(dāng)熱電偶的冷端溫度保持不變時(shí)，熱電偶才是被測溫度的單值函數(shù)。熱電偶在溫度測量中產(chǎn)生的熱電勢是按冷端溫度為0℃來分度的，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于熱電偶的熱端與冷端離得較近，冷端暴露在空中，容易受到環(huán)境溫度的影響，因此冷端溫度很難保持恒定，需要另加冷端補(bǔ)償[1]。并且熱電偶輸出的熱電勢是μV級(jí)的小電壓模擬信號(hào)，需要將這個(gè)信號(hào)放大。

1.2? MAX6675

由于K型熱電偶測溫時(shí)存在非線性誤差，采用硬件或軟件修正都較為麻煩，本系統(tǒng)采用熱電偶專用A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX6675，對(duì)熱電偶的溫度信號(hào)進(jìn)行非線性修正、溫度補(bǔ)償、信號(hào)放大，大大簡化了硬件配置。

MAX6675的特點(diǎn)：MAX6675是熱電偶專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要特點(diǎn)有：（1）內(nèi)部集成冷端補(bǔ)償電路;（2）線性校正;（3）熱電偶斷線檢測;（4）12位數(shù)字量串行輸出，0.25℃分辨率;（5）低功耗;（6）工作溫度-20℃～+85℃;（7）工作電壓為3.0～5.5V。

MAX6675引腳功能：MAX6675引腳排列如圖1所示。

各引腳功能如下：T-：熱電偶負(fù)極（使用時(shí)接地）;T+：熱電偶正極;SCK：串行時(shí)鐘輸入;：片選信號(hào);SO：串行數(shù)據(jù)輸出;VCC：電源正極;GND：接地;NC：懸空不用[2]。MAX6675數(shù)字量輸出。MAX6675輸出的數(shù)據(jù)為D0～D15共16位。其中D14～D3對(duì)應(yīng)于K型熱電偶熱電勢的數(shù)字轉(zhuǎn)換量，為12位數(shù)據(jù)，其最小值為0，對(duì)應(yīng)0℃，最大值4095，對(duì)應(yīng)1023.75℃，理論上溫度值與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：溫度值=1023.75×轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量/4095[3]。

1.3? 單片機(jī)

系統(tǒng)控制器采用單片機(jī)，通過單片機(jī)對(duì)MAX6675信號(hào)的進(jìn)行數(shù)字濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換，得到實(shí)時(shí)溫度等數(shù)據(jù)，對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，對(duì)實(shí)時(shí)溫度、預(yù)置溫度等信息，為電熱爐的通斷提供控制的依據(jù)。由于可能在較為惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作，單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。本系統(tǒng)選用STC89系列單片機(jī)中的STC89C58RD+作為系統(tǒng)核心控制芯片，該芯片價(jià)格便宜，具有超強(qiáng)抗干擾、高抗靜電、超低功耗等功能，能滿足系統(tǒng)控制要求。

1.4? 固態(tài)繼電器

本系統(tǒng)只考慮通斷電熱爐控制溫度，采用交流固態(tài)繼電器控制電熱爐交流電源通斷。固態(tài)繼電器是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)元件，他利用電子元器件的電、磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管、功率場效應(yīng)管、單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達(dá)到無觸點(diǎn)、無火花地接通和斷開被控電路。

1.5? 硬件組成方案

熱電偶測溫控制系統(tǒng)采用工業(yè)常用K型熱電偶對(duì)某爐溫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675對(duì)K型熱電偶采集的模擬量進(jìn)行模擬量放大、A/D轉(zhuǎn)換，然后把數(shù)字量送入單片機(jī)，通過單片機(jī)編程達(dá)到溫度實(shí)時(shí)顯示及控制。硬件方案如圖2所示。

在實(shí)際應(yīng)用中可能存在溫度測量、轉(zhuǎn)換有誤差的問題，應(yīng)注意提高M(jìn)AX6675精度值的措施，如芯片大面積接地技術(shù)、大截面導(dǎo)線、陶瓷旁路電容降噪等措施。

2? 溫度標(biāo)定與算法

2.1? 溫度與數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

雖然MAX6675芯片對(duì)溫度數(shù)據(jù)做了初步非線性處理，但實(shí)際測量時(shí)仍會(huì)有偏差，為了得出溫度與數(shù)字量關(guān)系的算法，需進(jìn)行了多次采集實(shí)驗(yàn)，一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2? 溫度與數(shù)值的對(duì)應(yīng)算法

通過對(duì)原始數(shù)據(jù)處理得出的溫度曲線，必須進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，才能得到數(shù)字量轉(zhuǎn)化為溫度的算法。參數(shù)調(diào)整方法多種多樣，較為簡單的是分段核正。設(shè)溫度為T，數(shù)值為n，兩者關(guān)系可用二元一次方程表示。通過Matlab計(jì)算可得：

將這個(gè)公式運(yùn)用到單片機(jī)算法程序中，即可得出溫度與數(shù)值的關(guān)系，在控制程序中引用這些數(shù)據(jù)就可以達(dá)到控制目的。

3? 結(jié)? 論

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等溫度進(jìn)行的控制方式，多為先對(duì)溫度進(jìn)行采集，而后進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測的結(jié)果再進(jìn)行處理，是分步驟進(jìn)行的。對(duì)溫度的采集部分，主要由熱電偶傳感器完成，熱電偶傳感器對(duì)溫度的采集很大程度解決了工業(yè)中的問題。對(duì)溫度信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換，由一體化的MAX6675來完成。對(duì)溫度數(shù)字信號(hào)處理，則是由單片機(jī)完成，單片機(jī)的種類較多，性能不一，這里主要介紹使用51系列單片機(jī)，51系列單片機(jī)由于其接口不多，導(dǎo)致復(fù)雜度較低，比較容易理解。將此三個(gè)模塊整合以達(dá)到一體化進(jìn)行溫度的采集、檢測與控制，在需要簡易測溫、控溫的工業(yè)領(lǐng)域具有很好的使用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顧學(xué)群.傳感器與檢測技術(shù) [M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 祖一康.基于K型熱電偶與MAX6675多路溫度采集系統(tǒng) [J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（4）：25-27.

[3] 虞致國，徐健健.MAX6675的原理及應(yīng)用 [J].國外電子元器件，2002（12）：41-43.

作者簡介：老盛林（1964-），男，漢族，廣西梧州人，教師，副教授，本科，研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)教學(xué)和科研工作。