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。

　　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

8 R2 K6 ^; Z( R: g1 A" p

　　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

/ X: S1 r+ W2 N5 T2 [

　　n      单一+5V的电源电压

# a, d) `7 m# C, S4 N

　　n      热电偶断线检测

% j( x& O) U: T: X& X& Z

　　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。

9 P& ]4 b0 { A

　　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)

+ |! p- Q* Z* }. `4 [. t7 R

　　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。

6 ?4 a. W; M3 z/ j

　　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。

# S5 y5 f$ Y3 T

　　U2=(41μV/℃)×T0

% f2 V2 ~% f, P5 x: M, t4 h: v

　　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。

2 s3 J4 [& ]* M8 _8 t& ~- O

　　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。  

　　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 H) w1 A; g2 p. g& U, h! r

　　2.1 硬件实现

1 M- ~8 V1 F! }0 q

　　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。

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　　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。

2 y7 J: @: g) T& H5 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。

" ?' N+ T% C% w- Z U& n

　　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：

+ [$ W# b4 u2 u) k" X: {

0 h: i( z+ Q5 W: H! `6 ?

　　下面给出MAX6675温度值读取程序设计：

　　；温度值读取程序

B3 Y5 y* P" _* {, A* g

　　；位定义

. n. X& n1 B0 u9 x

　　CS   BIT P1.0    ；数据输入

; t. L2 z* i/ ]- l

　　SCK     BIT P1.1    ；片选

1 q: j, X- u$ @% i

　　SO   BIT P1.2    ；时钟

　　；数据字节定义

/ w8 _; I/ e0 ~9 L

　　DATAH    DATA   40H  ；读取数据高位

　　DATAL    DATA   41H   ；读取数据低位

2 _3 m; ?, n- s9 i4 n

　　TDATAH  DATA   42H    ；温度高位

: N+ ^% z) A2 Z! W

　　TDATAL  DATA   43H    ；温度低位

% x1 o+ \# l; }2 F& c$ t

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

7 h' f& y& A% ^: |

　　CLR     CLK        ；时钟置为低电平

% t3 V0 z3 D2 Q, g& [# R+ E

　　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

& E. i" T7 W; }7 Y }5 |0 q

　　SETB    SCK

　　NOP

" d, [ d, x2 ~) m- v( T3 z/ o

　　CLR     SCK

　　DJNZ    R7,RD_DATA  

; @, K8 ?- D- D; D+ s2 u

　　MOV        DATAH,A   ；将数据高位移入缓冲区

% p# A3 ~: U9 @3 l7 U

　　MOV     R7,#08H

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

& \/ |# F6 r( d' f/ t9 [4 A

　　MOV     C,SO    ；读SO端数据

　　RLC        A       ；累加器左移一位

　　SETB       SCK

　　NOP

2 t, s' `1 l0 V+ o2 g, D

　　CLR        SCK

　　DJNZ       R7,RD_DATAL

; Q; ]3 B0 m8 p5 ?7 ]4 I% w6 i

　　MOV        DATAL,A ；将数据低位移入缓冲区

2 T6 f/ y: n) D/ @8 s

　　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 V, ~) v$ K) |: h' ^$ Q' m

　　RLC     A      

/ [( M- F8 C0 s$ k6 T* ^1 @

　　MOV     DATAL，A

7 u. ]' S$ B5 J; q1 f2 E& O0 A4 W

　　MOV     A，DATAH

# C7 d! ^2 {* V3 \: V

　　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

! n$ T2 m* \, D2 F5 Q& o

　　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

1 `. Y# p8 ]3 H% M! D

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

　　MOV     B，A   

5 w: I9 u6 N% f U, P3 c3 ?! s

　　MOV     A，DATAL  ；

# l, U" _0 U( k, A2 a

　　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

( @ t+ i8 x! P* p" ]; ^

　　MOV     TDATAL，A ；将温度值低位字节保存  

( R0 O1 b; i% i, c6 C$ `/ j- [

　　3 应用中注意的几个问题

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　　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。

( ^0 r1 f. ]+ \: ~

　　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。

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　　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。

9 h! S) a. \# m# G# s# U

　　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。

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　　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。