MAX6675在K型热电偶温度测量中的应用

老盛林 何式健

摘  要：针对工业测温控温存在的需求，介绍一种基于热电偶测温控制系统，系统包括温度数据采集及控制器两部分。温度数据采集由K型热电偶、K型热电偶串行模数转换器MAX6675组成，控制器由单片机进行数据处理，固态继电器进行通断控制。本文阐述了MAX6675与单片机组成的测温控温系统的硬件组成和软件的设计思路。实践表明：该系统结构简单，软件实现容易、操作方便，运行可靠、成本较低，特别适合小型企业简单测温控制，具有很好的应用推广价值。

关键词：MAX6675;单片机;K型热电偶

中图分类号：TP273+.5;TM506      文献标识码：A 文章编号：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

热电偶是常用的测温元件，价格便宜，使用方便。但现场应用中热电偶冷端温度不好确定，测量数据存在非线性，输出热电势信号微小，需要放大及模数转换才能在微型计算机控制系统中应用。MAXIM公司于2002开发出的K型热电偶变换器集成电路MAX6675则带有冷端补偿、信号放大、将模拟电压经模数转换器转换成12位数字信号输出的功能，解决了热电偶在实际测量中的需求，使温度测量仪表或温度测量、控制系統变得十分简单。

1  系统的硬件构成

1.1  热电偶

本系统传感器采用K型热电偶。K型热电偶具有结构简单、价格便宜、测温范围宽的特点。根据热电偶测温原理，只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电偶才是被测温度的单值函数。热电偶在温度测量中产生的热电势是按冷端温度为0℃来分度的，在实际应用时，由于热电偶的热端与冷端离得较近，冷端暴露在空中，容易受到环境温度的影响，因此冷端温度很难保持恒定，需要另加冷端补偿[1]。并且热电偶输出的热电势是μV级的小电压模拟信号，需要将这个信号放大。

1.2  MAX6675

由于K型热电偶测温时存在非线性误差，采用硬件或软件修正都较为麻烦，本系统采用热电偶专用A/D转换芯片MAX6675，对热电偶的温度信号进行非线性修正、温度补偿、信号放大，大大简化了硬件配置。

MAX6675的特点：MAX6675是热电偶专用模数转换器，主要特点有：（1）内部集成冷端补偿电路;（2）线性校正;（3）热电偶断线检测;（4）12位数字量串行输出，0.25℃分辨率;（5）低功耗;（6）工作温度-20℃～+85℃;（7）工作电压为3.0～5.5V。

MAX6675引脚功能：MAX6675引脚排列如图1所示。

各引脚功能如下：T-：热电偶负极（使用时接地）;T+：热电偶正极;SCK：串行时钟输入;：片选信号;SO：串行数据输出;VCC：电源正极;GND：接地;NC：悬空不用[2]。MAX6675数字量输出。MAX6675输出的数据为D0～D15共16位。其中D14～D3对应于K型热电偶热电势的数字转换量，为12位数据，其最小值为0，对应0℃，最大值4095，对应1023.75℃，理论上温度值与数字量的对应关系为：温度值=1023.75×转换后的数字量/4095[3]。

1.3  单片机

系统控制器采用单片机，通过单片机对MAX6675信号的进行数字滤波、标度转换，得到实时温度等数据，对按键信号进行实时检测，对实时温度、预置温度等信息，为电热炉的通断提供控制的依据。由于可能在较为恶劣的工业环境下工作，单片机系统应有很强的抗干扰能力。本系统选用STC89系列单片机中的STC89C58RD+作为系统核心控制芯片，该芯片价格便宜，具有超强抗干扰、高抗静电、超低功耗等功能，能满足系统控制要求。

1.4  固态继电器

本系统只考虑通断电热炉控制温度，采用交流固态继电器控制电热炉交流电源通断。固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管、功率场效应管、单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点、无火花地接通和断开被控电路。

1.5  硬件组成方案

热电偶测温控制系统采用工业常用K型热电偶对某炉温进行数据采集，用热电偶数字转换器MAX6675对K型热电偶采集的模拟量进行模拟量放大、A/D转换，然后把数字量送入单片机，通过单片机编程达到温度实时显示及控制。硬件方案如图2所示。

在实际应用中可能存在温度测量、转换有误差的问题，应注意提高MAX6675精度值的措施，如芯片大面积接地技术、大截面导线、陶瓷旁路电容降噪等措施。

2  温度标定与算法

2.1  温度与数值的对应关系

虽然MAX6675芯片对温度数据做了初步非线性处理，但实际测量时仍会有偏差，为了得出温度与数字量关系的算法，需进行了多次采集实验，一组实验数据如表1所示。

2.2  温度与数值的對应算法

通过对原始数据处理得出的温度曲线，必须进行参数的调整，才能得到数字量转化为温度的算法。参数调整方法多种多样，较为简单的是分段核正。设温度为T，数值为n，两者关系可用二元一次方程表示。通过Matlab计算可得：

将这个公式运用到单片机算法程序中，即可得出温度与数值的关系，在控制程序中引用这些数据就可以达到控制目的。

3  结  论

在现代化工业生产中，对各类加热炉、热处理炉、反应炉等温度进行的控制方式，多为先对温度进行采集，而后进行检测，根据检测的结果再进行处理，是分步骤进行的。对温度的采集部分，主要由热电偶传感器完成，热电偶传感器对温度的采集很大程度解决了工业中的问题。对温度信息的模数转换，由一体化的MAX6675来完成。对温度数字信号处理，则是由单片机完成，单片机的种类较多，性能不一，这里主要介绍使用51系列单片机，51系列单片机由于其接口不多，导致复杂度较低，比较容易理解。将此三个模块整合以达到一体化进行温度的采集、检测与控制，在需要简易测温、控温的工业领域具有很好的使用前景。

参考文献：

[1] 顾学群.传感器与检测技术 [M].北京：中国电力出版社，2009.

[2] 祖一康.基于K型热电偶与MAX6675多路温度采集系统 [J].江西理工大学学报，2007（4）：25-27.

[3] 虞致国，徐健健.MAX6675的原理及应用 [J].国外电子元器件，2002（12）：41-43.

作者简介：老盛林（1964-），男，汉族，广西梧州人，教师，副教授，本科，研究方向：电气自动化技术教学和科研工作。