基于MAX6675高精度溫控系統的研究與設計?

李向榮 孟向海 范福海

（青島科技大學 青島 266061）

1 引言

K 型熱電偶是工業測溫中廣泛使用的一種溫度傳感器，它可以直接測量各種生產中從0℃～1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度［1～2］。由熱電偶的工作原理可知，K型熱電偶測溫過程中產生的熱電動勢大小由其兩端的溫度差所決定，因此不僅與測量端的溫度有關，還與冷端溫度有關。只有當冷端溫度保持不變時，熱電勢才是測量端溫度的單值函數。然而在實際應用中，由于熱電偶的冷、熱端距離通常很近，冷端受熱端及環境溫度波動的影響，溫度很難保持穩定。同時由熱電偶采集到的溫度信號為非常弱小的電信號，不能直接用于控制系統。因此本文在通常的多路熱電偶測溫系統［3～6］基礎上采用了具有冷端補償的K 型熱電偶數據轉換器MAX6675 作為對K 型熱電偶的數據處理和轉換，同時又采用三路熱電偶經過CD4051 與MAX6675 相連接，在軟件中對這三路送到單片機的溫度數據進行處理作為最終的溫度值，進而與系統中預設的溫度值進行比較，當低于預設溫度下限，加熱模塊開始加熱，當高于預設溫度上限，加熱停止冷卻模塊開始制冷。實驗表明系統測溫精度高、結構簡單、性價比高、對所需要的溫度范圍保持穩定。

2 系統工作框圖

如圖1 所示為該系統的工作示意圖，在觸摸屏上輸入所需溫度及其上下限，由單片機控制CD4051 各通道的通斷，MAX6675 把三路熱電偶的溫度數據送入到單片機中進行處理［7］，并把最終的溫度值在液晶屏上顯示。根據顯示的溫度值與預設溫度的上下限進行比較，從而再決定系統接下來是進行加熱還是冷卻。

圖1 系統的工作示意圖

3 硬件說明及電路設計

3.1 溫度數據采集模塊

1）K型熱電偶

K 型熱電偶材料主要采用的是鎳鉻-鎳硅合金構成，它是一種能測量較高溫度的高性價比的熱電偶，是工業自動化中最常用的一種熱電偶。熱電偶的工作原理是基于物體的熱電效應，由兩種不同的導體兩端相互緊密地連在一起，組成一個閉合回路，當兩接點的溫度不相等時，回路中就會產生電勢差，這個電勢差就稱為熱電勢［8～9］。熱電勢的大小反映兩個接點溫度差，保持T0（冷端）不變，熱電勢隨著溫度T（熱端）變化而變化。測得熱電勢E（T，T0）的值，即可知道溫度T的大小。

圖2 熱電偶工作原理示意圖

2）CD4051

CD4051 是單8 通道數字控制模擬電子開關，開關接通哪一通道，由輸入的3位地址碼A、B、C和INH 端來決定，具有低導通阻抗和截止漏電流。幅值為4.5V～20V 的數字信號可控制峰值至20V 的模擬信號。當輸入端INH=1時，所有的通道截止。

3）MAX6675

MAX6675 是由Maxin 公司推出的一款復雜的單片熱電偶數字轉換器，內部具有信號調節放大器、12 位的模擬數字化熱電偶轉換器、冷端補償和校正、數字控制器、1 個SPI 兼容接口和1 個相關的邏輯控制［10～11］。MAX6675 內部集成有冷端補償電路；帶有簡單的3位串行SPI接口；可將溫度信號轉換成12 位數字量，溫度分辨率達0.25℃；內含熱電偶斷線檢測電路。冷端補償的溫度范圍-20℃～80℃，可以測量0℃～1023.75℃的溫度，工作電壓為3.0V～5.5V。

4）測溫模塊電路如圖3所示。

圖3 測溫模塊硬件電路圖

3.2 加熱模塊

加熱板作為大功率元件不能和單片機直接連接，需要通過輸出驅動器實現單片機對于加熱板的控制，用于完成溫度調節的過程。由于固態繼電器的眾多優點，本文采用它作為連接加熱板和單片機之間的驅動器。

1）PTC加熱板

PTC 加熱板是利用恒溫加熱PTC 熱敏電阻恒溫發熱的特性設計的加熱器件，根據不同的場合要求，加熱器可設計成不同的結構。恒溫加熱PTC熱敏電阻具有恒溫發熱的特性是由于PTC 熱敏電阻通電后自發熱升溫使阻值進入躍變區，此時電阻表面溫度將保持恒定值［12］。此外，PTC 加熱板還具有成本低、壽命長、節約電能、安全可靠等優點。

2）固態繼電器

固態繼電器是一種無觸點開關型元件，采用分立的電子元器件、集成電路（或芯片）和微電子技術使控制回路與負載回路之間的電隔離和信號耦合。固態繼電器整體結構包括輸入電路、輸出電路以及隔離器件三部分。隔離器件利用電、磁和光特性實現輸入電路和輸出電路的隔離。輸出電路可利用單、雙向可控硅，場效應管以及大功率三級管等器件實現被控電路無火花、無觸點的通斷控制［13～15］。固態繼電器由于是全固態電子元件組成，與一般的接觸器相比具有無可動的機械部件和機械動作、工作可靠、壽命長、無動作噪聲等優點。

3.3 冷卻模塊

本系統中采用12V 直流電機驅動風扇，作為系統的冷卻裝置。由于單片機最大輸出電壓約為5V，因此無法直接對電機進行驅動和控制。為了達到驅動電機以及單片機對冷卻裝置進行控制的目的，采用L298N電機驅動器作為連接單片機和電機的端口。

L298N 是SGS 公司生產的高電壓、大電流電機驅動芯片［16～17］。該芯片具有以下特點：1）工作電壓大，最高電壓可達46V，同時輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A；2）片內含有兩個H 橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可用來驅動直流電動機、交流電動機、繼電器和線圈等負載；3）采用標準TTL邏輯電平信號控制，因此可以直接用單片機的I/O 口進行控制，電路簡單、操作方便；4）具有兩個使能端，無輸入信號控制下可允許或禁止器件工作等特點。

圖4 冷卻模塊硬件電路圖

4 軟件設計

系統的軟件設計采用程序的模塊化設計，即按照系統的不同功能模塊編寫相應的代碼，使得程序的結構清晰，易懂易維護，其程序的編寫是在KEIL C51 環境下實現的。系統上電后，主程序開始初始化，然后觸摸屏上提示設置初始溫度及其溫度的上下限。設置完成后，單片機給固態繼電器發送指令，從而讓加熱板開始加熱。調用CD4051子函數，依次把三路熱電偶的數據從MAX6675 中讀到單片機，再調用數據處理子函數把三路數據的平均值作為最終的溫度顯示在觸摸屏上，然后與設置的初始溫度及其上下限進行比較，從而決定是否繼續加熱或者是否開啟冷卻。系統程序總流程圖如圖5 所示。

圖5 系統程序總流程圖

5 測溫誤差與分析

由于MAX6675 的轉換溫度分辨率為0.25℃，K型熱電偶的熱電動勢經過MAX6675 轉換后，其所測溫度的最高精度也只能達到0.25℃。在電路中MAX6675 的精度也易受電源耦合噪聲的影響。在通常的多路熱電偶測溫系統中，往往采用單點位測溫方式，然后再去相應控制每個點位的加熱板加熱，由于溫度具有滯后性、大慣性以及非線性等特點，常常會導致某一個加熱點位局部的溫度過高，從而導致整體的溫度不均勻，難以達到所要求的精度。

為了提高該系統的測溫精度和對溫度范圍保持穩定的程度，在硬件電路中，為了消除電源噪聲的影響，在MAX6675的VCC 引腳端放置一個0.1uF的陶瓷電容并接地。在軟件中，采用三點測溫均值法，即把三路熱電偶的數據求取平均值作為系統最終的溫度值，這樣較大地提高了系統對溫度范圍保持穩定的程度，同時也改善了整體溫度的不均勻性。表1 為通常的三路熱電偶測溫系統與本系統分別在初始溫度和相應的測溫范圍內所測實際溫度的對比。其結果表明，常規多路測溫系統的測量誤差為±4℃，而本系統的測量誤差為±0.5℃，從而驗證了本系統不僅測溫精度高而且對所需要的溫度范圍保持穩定。

表1 系統實測溫度對比

6 結語

在常規的K 型熱電偶測溫電路中，通常需要搭建模數轉換電路來處理熱電偶所測得的溫度信號，并且還需要通過去查K 型熱電偶的溫度數據轉換表，從而才能得到最終所測的溫度值。而本文所采用的MAX6675 熱電偶數字轉換器，不僅可以把K型熱電偶的模擬信號轉換成數字信號，而且還省去了查表的過程，從而簡化了硬件電路的設計，同時也提高了溫度數據的轉換精度。而本文在軟件中對溫度數據所采用的處理方法，雖然提高了系統對溫度范圍保持穩定的程度，但是對于怎樣濾除溫度的干擾數據還需值得繼續探究。