Ｋ型熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675及其在鋁水平溫度測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用

   Ｋ型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬等特點(diǎn)。目前，在以Ｋ型熱電偶為測(cè)溫元件的工業(yè)測(cè)溫系統(tǒng)中，熱電偶輸出的熱電勢(shì)信號(hào)必須經(jīng)過(guò)中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，才能輸入基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)。中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)包括信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化等幾個(gè)部分，實(shí)際應(yīng)用中，由于中間環(huán)節(jié)較多，調(diào)試較為困難，系統(tǒng)的抗干擾性能往往也不理想。在鋁水平溫度測(cè)量?jī)x的研制中，我們采用了MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一個(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，可以直接與單片機(jī)接口，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證了溫度測(cè)量的快速、準(zhǔn)確。

　　1 MAX6675特性

　　1.1 特性

　　MAX6675是具有冷端補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換功能的單片集成Ｋ型熱電偶變換器，測(cè)溫范圍0℃～1024℃，主要功能特點(diǎn)如下：

　　n      直接將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)

　　n      具有冷端補(bǔ)償功能

　　n      簡(jiǎn)單的SPI串行接口與單片機(jī)通訊

　　n      12位A/D轉(zhuǎn)換器、0.25℃分辨率

　　n      單一+5V的電源電壓

　　n      熱電偶斷線檢測(cè)

　　n      工作溫度范圍-20℃～+85℃

　　1.2 引腳功能

　　MAX6675采用SO-8封裝形式，有8個(gè)引腳，腳1（GND）接地，腳2（T-）接熱電偶負(fù)極，腳3（T+）接熱電偶正極，腳4（VCC）電源端，腳5（SCK）串行時(shí)鐘輸入端，腳6（CS）片選端，使能啟動(dòng)串行數(shù)據(jù)通訊，腳7（SO）串行數(shù)據(jù)輸出端，腳8（NC）未用。在VCC和GND之間接0.1μF電容。

　　MAX6675的引腳如圖1所示。

　　1.3 工作原理

　　MAX6675是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括：低噪聲電壓放大器A1、電壓跟隨器A2、冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、12位AD轉(zhuǎn)換器、SPI串行接口、模擬開(kāi)關(guān)及數(shù)字控制器。

　　其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，經(jīng)過(guò)低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢(shì)信號(hào)U1，再經(jīng)過(guò)S4送至ADC。。對(duì)于K型熱電偶，電壓變化率為(41μV/℃)，電壓可由如下公式來(lái)近似熱電偶的特性。

　　U1=(41μV/℃)×(T-T0)

　　上式中，U1為熱電偶輸出電壓（mV），T是測(cè)量點(diǎn)溫度；T0是周圍溫度。

　　在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實(shí)際參考值之間的差值。通過(guò)冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉(zhuǎn)換器。

　　U2=(41μV/℃)×T0

　　在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫度值T。這就是MAX6675進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測(cè)量溫度的原理。

　　1.4 與單片機(jī)的通訊

　　MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)使CS置為低電平，并提供時(shí)鐘信號(hào)給SCK，由SO讀取測(cè)量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過(guò)程，CS變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過(guò)程。將CS變低在SO端輸出第一個(gè)數(shù)據(jù)，一個(gè)完整串行接口讀操作需16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀16個(gè)輸出位，第1個(gè)輸出位是D15，是一偽標(biāo)志位，并總為0；D14位到D3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；D2位平時(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開(kāi)放時(shí)為高，開(kāi)放熱電偶檢測(cè)電路完全由MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開(kāi)放熱電偶檢測(cè)器操作，T-必須接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近GND腳；D1位為低以提供MAX6675器件身份碼，D0位為三態(tài)標(biāo)志位。  

　　MAX6675 SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如圖3所示。

　　2 在鋁水平溫度測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用

　　本文所述鋁水平溫度測(cè)量?jī)x是一工作于鋁電解現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量裝置，其控制部分采用單片機(jī)控制，對(duì)溫度部分的要求是：在得到測(cè)量要求信號(hào)后，實(shí)時(shí)測(cè)量出當(dāng)前熱電偶探頭的溫度并保存，可檢測(cè)Ｋ型熱電偶探頭斷線狀況并報(bào)警。

　　2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

　　該鋁水平溫度測(cè)量?jī)x的Ｋ型熱電偶溫度采集電路如圖所示。其微控制器采用ATMEL公司的FLASH單片機(jī)AT89C51，該微控制器具有4K內(nèi)部可擦寫(xiě)程序存儲(chǔ)器和32個(gè)輸入/輸出端口，滿足本系統(tǒng)中液位測(cè)量、數(shù)據(jù)顯示、溫度測(cè)量、數(shù)據(jù)通訊、看門(mén)狗電路的需要。作為一款廉價(jià)的通用型單片機(jī)，AT89C51沒(méi)有SPI接口。因此采用I/O口線模擬SPI串行口來(lái)對(duì)MAX6675讀取數(shù)據(jù)。MAX6675的CS端接單片機(jī)的P1.0腳，CS低電平停止轉(zhuǎn)換，MAX6675準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)輸出；SCK引腳接單片機(jī)的P1.1腳，為傳輸數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘。無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SCK應(yīng)置為低電平；SO引腳接單片機(jī)的P1.2腳，用于傳輸數(shù)據(jù)。單片機(jī)的P1.3腳作為Ｋ型熱電偶探頭斷線報(bào)警口，報(bào)警時(shí)輸出低電平，驅(qū)動(dòng)故障指示LED顯示。

　　在單片機(jī)的上述4個(gè)引腳各接一個(gè)10K的上拉電阻，保證數(shù)據(jù)的可靠傳送。由于MAX6675的測(cè)量精度對(duì)電源耦合噪聲較敏感，為降低電源噪聲影響，在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1μF陶瓷旁路電容。在印刷電路板的設(shè)計(jì)中，采用大面積接地技術(shù)來(lái)降低芯片自熱引起的測(cè)量誤差，提高溫度測(cè)量精度。

　　本系統(tǒng)主要測(cè)量鋁電解槽中的溫度，其正常工作溫度范圍為920℃—1000℃，為了準(zhǔn)確的測(cè)量這一區(qū)段的溫度值，系統(tǒng)利用X25045芯片內(nèi)部的4096位串行E2PROM（非易失存儲(chǔ)器），保存溫度補(bǔ)償參數(shù)，掉電不丟失，保證系統(tǒng)可應(yīng)用于各種環(huán)境條件。

　　2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

　　  溫度測(cè)量是鋁水平溫度測(cè)量過(guò)程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)測(cè)量完鋁水平后，開(kāi)始進(jìn)行溫度測(cè)量，這一部分程序作為一個(gè)獨(dú)立的程序段，定時(shí)調(diào)用，主要包括MAX6675數(shù)據(jù)讀取、開(kāi)路判斷、數(shù)據(jù)處理和碼制轉(zhuǎn)換等幾個(gè)部分。程序流程如下：

　　下面給出MAX6675溫度值讀取程序設(shè)計(jì)：

　　；溫度值讀取程序

　　；位定義

　　CS   BIT P1.0    ；數(shù)據(jù)輸入

　　SCK     BIT P1.1    ；片選

　　SO   BIT P1.2    ；時(shí)鐘

　?。粩?shù)據(jù)字節(jié)定義

　　DATAH    DATA   40H  ；讀取數(shù)據(jù)高位

　　DATAL    DATA   41H   ；讀取數(shù)據(jù)低位

　　TDATAH  DATA   42H    ；溫度高位

　　TDATAL  DATA   43H    ；溫度低位

　　CLR     CS          ；CS低電平，停止數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)D15

　　CLR     CLK        ；時(shí)鐘置為低電平

　　MOV     R7,  #08H

　　RD_DATAH:             ；讀數(shù)據(jù)高位字節(jié)D15-D8

　　MOV        C,SO    ；讀SO端數(shù)據(jù)

　　RLC     A       ；累加器左移一位

　　SETB    SCK

　　NOP

　　CLR     SCK

　　DJNZ    R7,RD_DATA  

　　MOV        DATAH,A   ；將數(shù)據(jù)高位移入緩沖區(qū)

　　MOV     R7,#08H

　　RD_DATAL:               ；讀數(shù)據(jù)低位字節(jié)D7-D0

　　MOV     C,SO    ；讀SO端數(shù)據(jù)

　　RLC        A       ；累加器左移一位

　　SETB       SCK

　　NOP

　　CLR        SCK

　　DJNZ       R7,RD_DATAL

　　MOV        DATAL,A ；將數(shù)據(jù)低位移入緩沖區(qū)

　　SETB        CS   ；CS高電平，停止數(shù)據(jù)輸出，啟動(dòng)新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序，將讀得的16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為12位溫度值，去掉無(wú)用的位

　　MOV     A，DATAL 

　　RLC     A      

　　MOV     DATAL，A

　　MOV     A，DATAH

　　RLC     A       ；整個(gè)數(shù)據(jù)位左移一位，去掉D15位

　　SWAP A       ；將DATAH中的高低4位數(shù)據(jù)互換

　　MOV     B，A    ；數(shù)據(jù)暫存于B中

　　ANL     A，#0FH   ；得到溫度數(shù)據(jù)高位字節(jié)部分D14 ～D11

　　MOV     TDATAH，A ；將溫度值高位字節(jié)保存

　　MOV     A，B

　　ANL     A，#0F0H  ；得到溫度數(shù)據(jù)低位字節(jié)部分D10 ～D7

　　MOV     B，A   

　　MOV     A，DATAL  ；

　　ANL     A，#0FH   ；得到溫度數(shù)據(jù)低位字節(jié)部分D6 ～D3

　　ORL     A，B    ；合并的溫度低位字節(jié)

　　MOV     TDATAL，A ；將溫度值低位字節(jié)保存  

　　3 應(yīng)用中注意的幾個(gè)問(wèn)題

　　在鋁水平溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中遇到諸多問(wèn)題，現(xiàn)將與MAX6675相關(guān)的幾個(gè)問(wèn)題和使用心得摘錄如下，以供參考。

　　1）MAX6675芯片對(duì)電源噪聲較為敏感，盡量將MAX6675布置在遠(yuǎn)離其他I/O芯片的地方。

　　2）MAX6675芯片T-必須接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近GND腳，否則讀出數(shù)據(jù)為無(wú)規(guī)律的亂碼。

　　3）MAX6675是通過(guò)冷端補(bǔ)償來(lái)校正周圍溫度變化的。該器件將周圍溫度通過(guò)內(nèi)部的溫度檢測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為溫度補(bǔ)償電壓，該器件內(nèi)部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到ADC中轉(zhuǎn)換，以計(jì)算熱電偶的熱端溫度。當(dāng)熱電偶的冷端與芯片溫度相等時(shí)，MAX6675可獲得最佳的測(cè)量精度。因此在實(shí)際測(cè)溫應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量避免在MAX6675附近放置發(fā)熱器件或元件，例如7805等帶散熱片的穩(wěn)壓器件。

　　4）盡量采用大截面積的熱電偶導(dǎo)線，長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，可采用雙絞線作為信號(hào)傳輸線。

　　5）根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，可通過(guò)相應(yīng)的數(shù)字濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以提高所需要某一段測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　  MAX6675將熱電偶測(cè)溫應(yīng)用時(shí)復(fù)雜的線性化、冷端補(bǔ)償及數(shù)字化輸出等集中在一個(gè)芯片上解決，簡(jiǎn)化了鋁水平溫度測(cè)量?jī)x中熱電偶測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該測(cè)溫系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，測(cè)量精度滿足要求。因此，在基于微處理器的單片機(jī)嵌入式工業(yè)測(cè)溫系統(tǒng)中，由MAX6675構(gòu)成的單片熱電偶測(cè)溫解決方案，具有良好的實(shí)用價(jià)值。