基于K型热电偶的数字式温控仪设计

　　0　概述

　　在工业过程控制与生产制造领域普遍使用具有较高测温精度及测温范围的热电偶做测温元件。在工业标准热电偶中,K型(镍铬-镍硅)热电偶由于具有 价格低廉、输出热电势值较大、热电势与温度的线性关系好、化学稳定性好、复制性好、可在1000℃下长期使用等特点,因而是工业生产制造部门应用最广泛的 热电偶元件。

　　随着计算机测控技术在工业生产制造领域的普遍应用,温度参数的微机化测量与控制已成为必然趋势。但是传统的模拟小信号输出热电偶传感器在与计算 机测控系统接口时需要经过信号放大调理、非线性校正、冷端补偿、模数转换、数字输出接口等一系列复杂的模拟与数字电路硬件设计过程及建表、查表、插值运算 等复杂的软件编制过程不仅电路复杂,成本增加,而且系统可靠性也大为降低。

　　本设计则利用MAXIM公司新近推出的、具有冷端补偿的单片K型热电偶数字转换器MAX6675,无需扩展任何外围元件,即可完成K型热电偶输 入到数字信号输出的功能。同时采用单片机串行扩展技术,设计了硬件电路结构简单、具有较高测温分辨率及友好中文人机界面的温控仪。

　　1　温控仪硬件电路设计

　　数字式温控仪的硬件电路框图如图1所示。

　　1.1　K型热电偶数字转换器

　　本设计使用了MAX6675单片K型热电偶数字转换器,以完成将热电偶输出的mV级热电势转换为可与单片机连接的数字信号的任务。该器件将热电 偶数字转换所需的热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换及数字量输出的SPI串行接口全部集成在一个芯片内而无需使用任何的外围元件。MAX6675的主要 特性为: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;具有热电偶断线检测功 能;单一+5V的电源电压;低功耗特性;工作温度范围-20℃~+85℃;2000V的ESD保护。

　　MAX6675采用标准的SPI串行总线与单片机接口,且MAX6675只能作为从设备。MAX6675 SO端输出温度数据的格式如表1所示,MAX6675 SPI接口时序如图2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,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位为热电偶断线检测位,该位平时为低,当检测到热电偶断线时变为高。热电偶检测电路完全由 MAX6675实现。为使热电偶断线检测电路能够可靠工作,T必须接地,并使接地点尽可能接近GND脚;第1位为低以提供MAX6675器件身份码,第0 位为三态。