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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
点击次数:1932 发布时间:2009-12-16

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    K型热电偶是工业生产中zui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。

  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。

  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*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。

  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。

  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zui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:

  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,#0F0H  ;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zui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。