MAX6675在K型熱電偶溫度測量中的應用

老盛林 何式健

摘? 要：針對工業測溫控溫存在的需求，介紹一種基于熱電偶測溫控制系統，系統包括溫度數據采集及控制器兩部分。溫度數據采集由K型熱電偶、K型熱電偶串行模數轉換器MAX6675組成，控制器由單片機進行數據處理，固態繼電器進行通斷控制。本文闡述了MAX6675與單片機組成的測溫控溫系統的硬件組成和軟件的設計思路。實踐表明：該系統結構簡單，軟件實現容易、操作方便，運行可靠、成本較低，特別適合小型企業簡單測溫控制，具有很好的應用推廣價值。

關鍵詞：MAX6675;單片機;K型熱電偶

中圖分類號：TP273+.5;TM506? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）08-00195-02

Abstract：This paper describes a temperature measurement and control system based on the thermocouple to meet the demand of industrial thermometry and control. The system includes two parts：temperature data acquisition and controller. Temperature data acquisition is composed of K-type thermocouple and K-type thermocouple serial analog-to-digital converter MAX6675. The controller is composed of a single chip computer for data processing and a solid-state relay for continuous control. This paper describes the hardware composition and software design idea of temperature measurement and control system composed of MAX6675 and single chip computer. Practice shows that the system is simple in structure，easy to implement，easy to operate，reliable in operation and low in cost. It is especially suitable for simple temperature measurement control in small enterprises and has good application and popularization value.

Keywords：MAX6675;micro controller unit;K type thermocouple

0? 引? 言

熱電偶是常用的測溫元件，價格便宜，使用方便。但現場應用中熱電偶冷端溫度不好確定，測量數據存在非線性，輸出熱電勢信號微小，需要放大及模數轉換才能在微型計算機控制系統中應用。MAXIM公司于2002開發出的K型熱電偶變換器集成電路MAX6675則帶有冷端補償、信號放大、將模擬電壓經模數轉換器轉換成12位數字信號輸出的功能，解決了熱電偶在實際測量中的需求，使溫度測量儀表或溫度測量、控制系統變得十分簡單。

1? 系統的硬件構成

1.1? 熱電偶

本系統傳感器采用K型熱電偶。K型熱電偶具有結構簡單、價格便宜、測溫范圍寬的特點。根據熱電偶測溫原理，只有當熱電偶的冷端溫度保持不變時，熱電偶才是被測溫度的單值函數。熱電偶在溫度測量中產生的熱電勢是按冷端溫度為0℃來分度的，在實際應用時，由于熱電偶的熱端與冷端離得較近，冷端暴露在空中，容易受到環境溫度的影響，因此冷端溫度很難保持恒定，需要另加冷端補償[1]。并且熱電偶輸出的熱電勢是μV級的小電壓模擬信號，需要將這個信號放大。

1.2? MAX6675

由于K型熱電偶測溫時存在非線性誤差，采用硬件或軟件修正都較為麻煩，本系統采用熱電偶專用A/D轉換芯片MAX6675，對熱電偶的溫度信號進行非線性修正、溫度補償、信號放大，大大簡化了硬件配置。

MAX6675的特點：MAX6675是熱電偶專用模數轉換器，主要特點有：（1）內部集成冷端補償電路;（2）線性校正;（3）熱電偶斷線檢測;（4）12位數字量串行輸出，0.25℃分辨率;（5）低功耗;（6）工作溫度-20℃～+85℃;（7）工作電壓為3.0～5.5V。

MAX6675引腳功能：MAX6675引腳排列如圖1所示。

各引腳功能如下：T-：熱電偶負極（使用時接地）;T+：熱電偶正極;SCK：串行時鐘輸入;：片選信號;SO：串行數據輸出;VCC：電源正極;GND：接地;NC：懸空不用[2]。MAX6675數字量輸出。MAX6675輸出的數據為D0～D15共16位。其中D14～D3對應于K型熱電偶熱電勢的數字轉換量，為12位數據，其最小值為0，對應0℃，最大值4095，對應1023.75℃，理論上溫度值與數字量的對應關系為：溫度值=1023.75×轉換后的數字量/4095[3]。

1.3? 單片機

系統控制器采用單片機，通過單片機對MAX6675信號的進行數字濾波、標度轉換，得到實時溫度等數據，對按鍵信號進行實時檢測，對實時溫度、預置溫度等信息，為電熱爐的通斷提供控制的依據。由于可能在較為惡劣的工業環境下工作，單片機系統應有很強的抗干擾能力。本系統選用STC89系列單片機中的STC89C58RD+作為系統核心控制芯片，該芯片價格便宜，具有超強抗干擾、高抗靜電、超低功耗等功能，能滿足系統控制要求。

1.4? 固態繼電器

本系統只考慮通斷電熱爐控制溫度，采用交流固態繼電器控制電熱爐交流電源通斷。固態繼電器是一種全部由固態電子元件組成的無觸點開關元件，他利用電子元器件的電、磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管、功率場效應管、單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點、無火花地接通和斷開被控電路。

1.5? 硬件組成方案

熱電偶測溫控制系統采用工業常用K型熱電偶對某爐溫進行數據采集，用熱電偶數字轉換器MAX6675對K型熱電偶采集的模擬量進行模擬量放大、A/D轉換，然后把數字量送入單片機，通過單片機編程達到溫度實時顯示及控制。硬件方案如圖2所示。

在實際應用中可能存在溫度測量、轉換有誤差的問題，應注意提高MAX6675精度值的措施，如芯片大面積接地技術、大截面導線、陶瓷旁路電容降噪等措施。

2? 溫度標定與算法

2.1? 溫度與數值的對應關系

雖然MAX6675芯片對溫度數據做了初步非線性處理，但實際測量時仍會有偏差，為了得出溫度與數字量關系的算法，需進行了多次采集實驗，一組實驗數據如表1所示。

2.2? 溫度與數值的對應算法

通過對原始數據處理得出的溫度曲線，必須進行參數的調整，才能得到數字量轉化為溫度的算法。參數調整方法多種多樣，較為簡單的是分段核正。設溫度為T，數值為n，兩者關系可用二元一次方程表示。通過Matlab計算可得：

將這個公式運用到單片機算法程序中，即可得出溫度與數值的關系，在控制程序中引用這些數據就可以達到控制目的。

3? 結? 論

在現代化工業生產中，對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐等溫度進行的控制方式，多為先對溫度進行采集，而后進行檢測，根據檢測的結果再進行處理，是分步驟進行的。對溫度的采集部分，主要由熱電偶傳感器完成，熱電偶傳感器對溫度的采集很大程度解決了工業中的問題。對溫度信息的模數轉換，由一體化的MAX6675來完成。對溫度數字信號處理，則是由單片機完成，單片機的種類較多，性能不一，這里主要介紹使用51系列單片機，51系列單片機由于其接口不多，導致復雜度較低，比較容易理解。將此三個模塊整合以達到一體化進行溫度的采集、檢測與控制，在需要簡易測溫、控溫的工業領域具有很好的使用前景。

參考文獻：

[1] 顧學群.傳感器與檢測技術 [M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 祖一康.基于K型熱電偶與MAX6675多路溫度采集系統 [J].江西理工大學學報，2007（4）：25-27.

[3] 虞致國，徐健健.MAX6675的原理及應用 [J].國外電子元器件，2002（12）：41-43.

作者簡介：老盛林（1964-），男，漢族，廣西梧州人，教師，副教授，本科，研究方向：電氣自動化技術教學和科研工作。