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

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。 & c D* M5 r( k9 E- b

　　1 MAX6675特性

9 p& l9 A1 x- s0 h* U* B. P

　　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：

0 |8 g4 o8 I8 C

　　n      直接将热电偶信号转换为数字信号

( d3 E) j' w" y" j

　　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

e1 N5 A0 _0 X% W. G$ w! K1 I

　　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。

4 I5 d8 a) }4 ]8 |3 t& K

0 C. B) X4 U9 d% B) A8 y

　　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。

* h7 W. n* M; w4 M2 r

　　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。

7 @# A) p2 d$ s2 R0 [) k1 t

　　U2=(41μV/℃)×T0

6 j1 j" l i2 ?* d

　　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。

7 ?4 {5 y5 @5 x

　　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。  

) g* u6 b# U, q1 t- w$ O6 F

　　MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图3所示。

3 J" H, F7 K7 R0 k

　　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。

( m+ M9 l- s4 a# R, x1 K

　　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：

* E1 r: H1 Q6 y* N9 F* R

　　下面给出MAX6675温度值读取程序设计：

5 Y# i- U' j, l$ w- t

　　；温度值读取程序

) y* T: G8 l. P5 J$ n2 ?

　　；位定义

' F( G8 p3 N$ d1 L% w. \& q

　　CS   BIT P1.0    ；数据输入

, { D5 t; y- n* U# V0 m

　　SCK     BIT P1.1    ；片选

　　SO   BIT P1.2    ；时钟

　　；数据字节定义

9 N) \0 K: ?5 U! V- l8 c |

　　DATAH    DATA   40H  ；读取数据高位

: X! z2 x5 `/ y+ O( x- s: m4 x

　　DATAL    DATA   41H   ；读取数据低位

　　TDATAH  DATA   42H    ；温度高位

. z- V# }; P; w2 r" ~$ {

　　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

N3 |, y, r. M" C

　　MOV     R7,  #08H

　　RD_DATAH:             ；读数据高位字节D15-D8

　　MOV        C,SO    ；读SO端数据

9 V: g# e+ ?: t' e" P3 ~

　　RLC     A       ；累加器左移一位

5 z b: c" @ |$ [

　　SETB    SCK

　　NOP

　　CLR     SCK

* C) W- G5 u! \$ m$ g' m

　　DJNZ    R7,RD_DATA  

　　MOV        DATAH,A   ；将数据高位移入缓冲区

0 \5 d/ S) y% [: |2 I0 l5 X

　　MOV     R7,#08H

　　RD_DATAL:               ；读数据低位字节D7-D0

9 M$ |0 V3 I/ i' k

　　MOV     C,SO    ；读SO端数据

- F% G7 V* {/ ^, u' b5 g

　　RLC        A       ；累加器左移一位

) O% |# _9 a0 z8 l( j4 e

　　SETB       SCK

) c7 A6 N u; G" L

　　NOP

: ~4 |' O. Q% X4 v* N, E

　　CLR        SCK

　　DJNZ       R7,RD_DATAL

( A/ n* |& g* J( M9 _, B

　　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 

4 L2 m* d# D) M4 X

　　RLC     A      

$ l: c; H2 n1 e1 H1 q

　　MOV     DATAL，A

　　MOV     A，DATAH

L1 E; q! @: e/ v3 o6 |

　　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

: _5 o1 J; w, [

　　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

$ ~% U0 L3 N7 p; x. I) m

　　MOV     A，B

9 u/ U: w" y* R0 a9 j8 J9 H

　　ANL     A，#0F0H  ；得到温度数据低位字节部分D10 ～D7

　　MOV     B，A   

: m8 o. H$ w4 b; j s" [9 P$ k

　　MOV     A，DATAL  ；

$ K- B! F5 {' ?9 n6 j( \

　　ANL     A，#0FH   ；得到温度数据低位字节部分D6 ～D3

' s" k" y2 h4 G0 e& ?

　　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  

1 Q6 x7 L- i4 z3 ^8 u

　　3 应用中注意的几个问题

$ A- q7 f8 m5 m0 _* |

　　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。

3 \( w9 B R- ~8 Q% K

　　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。

6 G$ C0 U l) O2 ~4 L5 L4 b' ^$ t" {

　　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。

! p8 Q }7 _$ k5 k! C

　　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 a' J6 Q* K, J

　　4 结束语

% G* t: }9 R% Z0 m: m' \# V

　　  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。

3 Y z' v4 ]& j6 f+ Z. n