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 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