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1、热电偶的原理及单片K型热电偶放大与数字转换器MAX66752007年09月21日 星期五 下午 08:45摘要：MAX6675是Maxim公司推出的具有冷端补偿的单片K型热电偶放大器与数字转换器。文中介绍器件的特点、工作原理及接口时序，并给出与单片机的接口电路及温度读取、转换程序。 关键词：热电偶放大器 冷端补偿 数字输出热电偶是一种感温元件 , 它把温度信号转换成热电动势信号 , 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端存在温度梯度时 , 回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在 Seebeck 电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克
2、效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端， 温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表 ; 分度表是自由端温度在 0 时 的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时 , 只要该材料两个接点的温度相同 , 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此 , 在热电偶测温时 , 可接入测量仪表 , 测得热电动势后 , 即可知道被测介质的温度。热电偶优点热电偶是工业中常用的温度测温元件，具有如下特点： 测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影
3、响。 热响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏。 测量范围大：热电偶从 -40+ 1600 均可连续测温。 性能可靠， 机械强度好。 使用寿命长，安装方便。热电偶的种类及结构：（ 1 ）热电偶的种类 K 型（镍铬 - 镍硅） WRN 系列N 型（镍铬硅 - 镍硅镁） WRM 系列E 型（镍铬 - 铜镍） WRE 系列J 型（铁 - 铜镍） WRF 系列T 型（铜 - 铜镍） WRC 系列S 型（铂铑 10- 铂） WRP 系列R 型（铂铑 13- 铂）WRQ系列 B 型（铂铑 30- 铂铑 6 ） WRR 系列等。 （ 2 ）热电偶的结构形式：热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管；并 与显
4、示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。在现场使用中根据环境，被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。 热电偶简单分为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐 高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶，循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等注意：热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； 两个热电极彼此之间
5、应很好地绝缘，以防短路； 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。 热电偶冷端的温度补偿 由于热电偶的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度
6、不能超过100。热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题。非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿。数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然法直接满足这个要求。因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性线、温
7、度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。Maxim公司新近推出的MAX6675即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。1 性能特点MAX6675的主要特性如下：简单的SPI串行口温度值输出；0+1024的测温范围；12位0.25的分辨率；片内冷端补偿；高阻抗差动输入；热电偶断线检测；单一+5V的电源电压；低功耗特性；工作温度范围-20+85；2000V的ESD信号。该器件采用8引脚SO帖片封装。引脚排列
8、如图1所示，引脚功能如表1所列。表1 MAX6675引脚功能引 脚名 称功 能1GND接地端2T-K型热电偶负极3T+K型热电偶正极4VCC正电源端5SCK串行时钟输入6CS片选端，CS为低时、启动串行接口7SO串行数据输出8N.C.空引脚2 工作原理MAX6675的内部结构如图2所示。该器件是一复杂的单片热电偶数字转换器，内部具有信号调节放大器、12位的模拟/数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。图2 MAX6675内部结构框图2.1 温度变换MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管
9、转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，MAX6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。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，因为这样会造成冷端误差。2.5 测量精度的提高MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T+和T-输入端连接到低噪声放大器A1，以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大，再经过
10、A2电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，它需要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。对于K型热电偶，电压变化率为41V/，电压可由线性公式Vout=(41V/)(tR-tAMB)来近似热电偶的特性。上式中，Vout为热电偶输出电压（mV），tR是测量点温度；tAMB是周围温度。2.2 冷端补偿热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0+1023.75范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，比温度在-20+85范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的
11、温度变化。图3 MAX6675 SO端输出数据的格式2.3 热补偿在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误大小依赖于MAX6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高MAX6675温度测量精度。2.4 噪声补偿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，可在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1F陶瓷旁路电容。热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高：尽量采用不能从测量区域散热的大截面导线；如必须用小截面导线，则只能应用在测量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线；避免受能拉紧导线的机
12、械挤压和振动；当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；在温度额定值范围内使用热电偶导线；避免急剧温度变化；在严劣环境中，使用合适的保护套以保证热电偶导线；仅在低温和小变化率区域使用扩展导线；保持热电偶电阻的事件记录和连续记录。2.6 SPI串行接口MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与MCU接口，且MAX6675只能作为从设备。MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图3所示，MAX6675 SPI接口时序如图4所示。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：MCU使CS变低并提供时钟信号给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
13、过程。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位和第15位是一伪标志位，并总为0；第14位到第3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；第2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，并使能地点尽可能接近GND脚；第1位为低以提供MAX6675器件身份码，第0位为三态。3 测温应用下面给出MAX6675应用于嵌入式系统的具体方法。这里以AT89C2051单片机为例，给出MAX6675与单片机接口构成的测温电路及相应的温度值读取、转换程序。MAX6675为单片数字式热电偶放大器，其工作时
14、无需外接任何的外围元件，这里为降低电源耦合噪声，在其电源引脚和接地端之前接入了1只容量为0.1F的电容。MAX6675与AT89C2051单片机的接口电路如图5所示。由于AT89C2051不具备SPI总线接口，故这里采用模拟SPI总线的方法来实现与MAX6675的接口。其中P1.0模拟SPI的数据输入端（MISO），P1.1模拟SPI的串行时钟输出端SCK，P1.2模拟SPI的从机选择端SSB。下面给出相应的温度值读取程序及数据转换程序。；温度值读取程序；位定义SO BIT T1.0 ；数据输入CS BIT P1.1 ；从机选择SCK BIT P1.2 ；时钟；数据字节定义DATAH DATA
15、 30H ；读取数据高位DATAL DATA 31H ；读取数据低位TDATAH DATA 32H ；温度高位TDATAL DATA 33H ；温度低位；读温度值子程序READY：CLR CS ；停止转换并输出数据CLR CLK ；时钟变低MOV R2，#08HREADH：MOV C，SORLC A ；读D15D8高8位数据SETB CLKNOPCLR CLKDJNZ R2，READHMOV DATAH，A；将读取的高8位数据保存MOV R2，#08HREADL：MOV C，SO ；读D7D0低8位数据RLC ASETB CLKNOPCLR CLKDJNZ R2，READLMOV DATAL，A；将读取的低8位数据保存SETB CS；启动另一次转换过程RET；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。D16T12：MOV A，DATALCLR CRLC AMOV DA
