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。 ?; a2 N i+ i4 R. K5 f" S

　　1 MAX6675特性

+ G# p4 i |1 A/ g) j4 [

　　1.1 特性

5 t) N/ d1 R/ T" [% V0 L" P8 [

　　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：

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　　n      直接将热电偶信号转换为数字信号

. F; r6 k; O) [

　　n      具有冷端补偿功能

　　n      简单的SPI串行接口与单片机通讯

+ p i7 c1 g+ h

　　n      12位A/D转换器、0.25℃分辨率

! h( r; m E9 F" c" X- V

　　n      单一+5V的电源电压

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　　n      热电偶断线检测

% L" W) P4 ~, M( _; M9 D

　　n      工作温度范围-20℃～+85℃

$ o, F5 C, G' V% ?; z- j

　　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。

5 C) {7 ]. n7 U' G8 |. ]% {

# g/ Z% J1 F# d. }% g+ m

　　1.3 工作原理

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　　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。

6 |0 `9 [2 \7 S) w% T" f

　　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 Y, D$ b: S, Q& }* i8 o

3 b* G8 s5 x4 w9 O* g

　　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。  

4 b/ P2 g2 h( i6 n

　　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

# d6 h( S9 ^8 Z3 T

　　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。

& H7 R7 }, h$ t$ S8 R" J/ {" \

　　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：

5 X+ L2 R0 T% [2 t

: [- j2 w7 y( s" w I; ?& q

　　下面给出MAX6675温度值读取程序设计：

7 g, r5 c$ s; ^7 Z2 X# V) N5 ?; i

　　；温度值读取程序

　　；位定义

x3 k7 m$ a8 i4 f8 M

　　CS   BIT P1.0    ；数据输入

7 \. l9 J/ R1 E/ N' _% o5 X" k

　　SCK     BIT P1.1    ；片选

　　SO   BIT P1.2    ；时钟

　　；数据字节定义

6 y3 b/ c- t6 j% Q

　　DATAH    DATA   40H  ；读取数据高位

3 j5 B0 {3 R+ x9 s* |6 g7 ^

　　DATAL    DATA   41H   ；读取数据低位

, L. y: m Y ^7 F" M

　　TDATAH  DATA   42H    ；温度高位

5 n" ~; @. ]( }% ^4 q

　　TDATAL  DATA   43H    ；温度低位

1 G; S0 }% v0 Z/ X

　　CLR     CS          ；CS低电平，停止数据转换，输出数据D15

* z. l, F+ S. k! a+ Q- H! v8 o

　　CLR     CLK        ；时钟置为低电平

　　MOV     R7,  #08H

+ y" C: D- L+ H3 L% f. m" h# b# O( z2 k

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

　　MOV        C,SO    ；读SO端数据

* \; x: W9 Q! k% z

　　RLC     A       ；累加器左移一位

1 S$ Z1 n# _' a( V5 f

　　SETB    SCK

　　NOP

* ^# F# E- K% k$ I

　　CLR     SCK

; c1 i% K; z& q' U

　　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

5 m9 T' }) y# }/ N

　　NOP

1 f6 F3 \- T4 C! U+ _

　　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

* H0 H) x h5 \, v6 o0 T, S

　　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

, |, s( u) _2 l, x

　　MOV     A，B

7 `6 c2 ^# j$ o+ y

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

　　MOV     B，A   

. Z% T) e# W4 Y5 s% Y% Q! k0 \

　　MOV     A，DATAL  ；

8 P: }3 F; G/ a! I2 c, @* Q

　　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

8 G6 q) e- h+ Z# J

　　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。

5 e" ^+ G/ q A; _( `

　　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。

# v: w6 Y! E; ]/ ?/ W7 V

　　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。

8 p- `9 t6 T& P3 {

　　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 h" C U* |. u

　　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。

* z. _3 u+ ]0 Z( t. L

　　4 结束语

( Z7 H+ @& a& v) [& N

　　  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。

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