Ｋ型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中***常用的溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬等特點(diǎn)。目前，在以Ｋ型熱電偶為測溫元件的工業(yè)測溫系統(tǒng)中，熱電偶輸出的熱電勢信號須***經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，才能輸入基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)。中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)包括信號放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化等幾個部分，實(shí)際應(yīng)用中，由于中間環(huán)節(jié)較多，調(diào)試較為困難，系統(tǒng)的抗干擾性能往往也不理想。在鋁水平溫度測量儀的研制中，我們采用了MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一個集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以直接與單片機(jī)接口，大大簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證了溫度測量的快速、準(zhǔn)確。
1 MAX6675特性
1.1 特性
MAX6675是具有冷端補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換功能的單片集成Ｋ型熱電偶變換器，測溫范圍0℃～1024℃，主要功能特點(diǎn)如下：
n 直接將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號
n 具有冷端補(bǔ)償功能
n 簡單的SPI串行接口與單片機(jī)通訊
n 12位A/D轉(zhuǎn)換器、0.25℃分辨率
n 單一+5V的電源電壓
n 熱電偶斷線檢測
n 工作溫度范圍-20℃～+85℃
1.2 引腳功能
MAX6675采用SO-8封裝形式，有8個引腳，腳1（GND）接地，腳2（T-）接熱電偶負(fù)極，腳3（T+）接熱電偶正極，腳4（VCC）電源端，腳5（SCK）串行時(shí)鐘輸入端，腳6（CS）片選端，使能啟動串行數(shù)據(jù)通訊，腳7（SO）串行數(shù)據(jù)輸出端，腳8（NC）未用。在VCC和GND之間接0.1μF電容。
MAX6675的引腳如圖1所示。
1.3 工作原理
MAX6675是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括：低噪聲電壓放大器A1、電壓跟隨器A2、冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、12位AD轉(zhuǎn)換器、SPI串行接口、模擬開關(guān)及數(shù)字控制器。
其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢信號U1，再經(jīng)過S4送至ADC。。對于K型熱電偶，電壓變化率為(41μV/℃)，電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。
U1=(41μV/℃)×(T-T0)
上式中，U1為熱電偶輸出電壓（mV），T是測量點(diǎn)溫度；T0是周圍溫度。
在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實(shí)際參考值之間的差值。通過冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉(zhuǎn)換器。
U2=(41μV/℃)×T0
在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測量點(diǎn)的實(shí)際溫度值T。這就是MAX6675進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測量溫度的原理。
1.4 與單片機(jī)的通訊
MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：單片機(jī)使CS置為低電平，并提供時(shí)鐘信號給SCK，由SO讀取測量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程，CS變高將啟動一個新的轉(zhuǎn)換過程。將CS變低在SO端輸出第一個數(shù)據(jù)，一個完整串行接口讀操作需16個時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀16個輸出位，第1個輸出位是D15，是一偽標(biāo)志位，并總為0；D14位到D3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；D2位平時(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開放時(shí)為高，開放熱電偶檢測電路完全由MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開放熱電偶檢測器操作，T-須***接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近GND腳；D1位為低以提供MAX6675器件身份碼，D0位為三態(tài)標(biāo)志位。
MAX6675 SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如圖3所示。
2 在鋁水平溫度測量儀中的應(yīng)用
本文所述鋁水平溫度測量儀是一工作于鋁電解現(xiàn)場的測量裝置，其控制部分采用單片機(jī)控制，對溫度部分的要求是：在得到測量要求信號后，實(shí)時(shí)測量出當(dāng)前熱電偶探頭的溫度并保存，可檢測Ｋ型熱電偶探頭斷線狀況并報(bào)警。
2.1 硬件實(shí)現(xiàn)
該鋁水平溫度測量儀的Ｋ型熱電偶溫度采集電路如圖所示。其微控制器采用ATMEL公司的FLASH單片機(jī)AT89C51，該微控制器具有4K內(nèi)部可擦寫程序存儲器和32個輸入/輸出端口，滿足本系統(tǒng)中液位測量、數(shù)據(jù)顯示、溫度測量、數(shù)據(jù)通訊、看門狗電路的需要。作為一款廉價(jià)的通用型單片機(jī)，AT89C51沒有SPI接口。因此采用I/O口線模擬SPI串行口來對MAX6675讀取數(shù)據(jù)。MAX6675的CS端接單片機(jī)的P1.0腳，CS低電平停止轉(zhuǎn)換，MAX6675準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)輸出；SCK引腳接單片機(jī)的P1.1腳，為傳輸數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘。無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SCK應(yīng)置為低電平；SO引腳接單片機(jī)的P1.2腳，用于傳輸數(shù)據(jù)。單片機(jī)的P1.3腳作為Ｋ型熱電偶探頭斷線報(bào)警口，報(bào)警時(shí)輸出低電平，驅(qū)動故障指示LED顯示。
在單片機(jī)的上述4個引腳各接一個10K的上拉電阻，保證數(shù)據(jù)的可靠傳送。由于MAX6675的測量精度對電源耦合噪聲較敏感，為降低電源噪聲影響，在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1μF陶瓷旁路電容。在印刷電路板的設(shè)計(jì)中，采用大面積接地技術(shù)來降低芯片自熱引起的測量誤差，提高溫度測量精度。
本系統(tǒng)主要測量鋁電解槽中的溫度，其正常工作溫度范圍為920℃—1000℃，為了準(zhǔn)確的測量這一區(qū)段的溫度值，系統(tǒng)利用X25045芯片內(nèi)部的4096位串行E2PROM（非易失存儲器），保存溫度補(bǔ)償參數(shù)，掉電不丟失，保證系統(tǒng)可應(yīng)用于各種環(huán)境條件。
2.2 軟件實(shí)現(xiàn)
溫度測量是鋁水平溫度測量過程的***后一個環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)測量完鋁水平后，開始進(jìn)行溫度測量，這一部分程序作為一個獨(dú)立的程序段，定時(shí)調(diào)用，主要包括MAX6675數(shù)據(jù)讀取、開路判斷、數(shù)據(jù)處理和碼制轉(zhuǎn)換等幾個部分。程序流程如下：
下面給出MAX6675溫度值讀取程序設(shè)計(jì)：
；溫度值讀取程序
；位定義
CS BIT P1.0 ；數(shù)據(jù)輸入
SCK BIT P1.1 ；片選
SO BIT P1.2 ；時(shí)鐘
；數(shù)據(jù)字節(jié)定義
DATAH DATA 40H ；讀取數(shù)據(jù)高位
DATAL DATA 41H ；讀取數(shù)據(jù)低位
TDATAH DATA 42H ；溫度高位
TDATAL DATA 43H ；溫度低位
CLR CS ；CS低電平，停止數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)D15
CLR CLK ；時(shí)鐘置為低電平
MOV R7, #08H
RD_DATAH: ；讀數(shù)據(jù)高位字節(jié)D15-D8
MOV C,SO ；讀SO端數(shù)據(jù)
RLC A ；累加器左移一位
SETB SCK
NOP
CLR SCK
DJNZ R7,RD_DATA
MOV DATAH,A ；將數(shù)據(jù)高位移入緩沖區(qū)
MOV R7,#08H
RD_DATAL: ；讀數(shù)據(jù)低位字節(jié)D7-D0
MOV C,SO ；讀SO端數(shù)據(jù)
RLC A ；累加器左移一位
SETB SCK
NOP
CLR SCK
DJNZ R7,RD_DATAL
MOV DATAL,A ；將數(shù)據(jù)低位移入緩沖區(qū)
SETB CS ；CS高電平，停止數(shù)據(jù)輸出，啟動新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序，將讀得的16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為12位溫度值，去掉無用的位
MOV A，DATAL
RLC A
MOV DATAL，A
MOV A，DATAH
RLC A ；整個數(shù)據(jù)位左移一位，去掉D15位
SWAP A ；將DATAH中的高低4位數(shù)據(jù)互換
MOV B，A ；數(shù)據(jù)暫存于B中
ANL A，#0FH ；得到溫度數(shù)據(jù)高位字節(jié)部分D14 ～D11
MOV TDATAH，A ；將溫度值高位字節(jié)保存
MOV A，B
ANL A，#0F0H ；得到溫度數(shù)據(jù)低位字節(jié)部分D10 ～D7
MOV B，A
MOV A，DATAL ；
ANL A，#0FH ；得到溫度數(shù)據(jù)低位字節(jié)部分D6 ～D3
ORL A，B ；合并的溫度低位字節(jié)
MOV TDATAL，A ；將溫度值低位字節(jié)保存
3 應(yīng)用中注意的幾個問題
在鋁水平溫度測量儀的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中遇到諸多問題，現(xiàn)將與MAX6675相關(guān)的幾個問題和使用心得摘錄如下，以供參考。
1）MAX6675芯片對電源噪聲較為敏感，盡量將MAX6675布置在遠(yuǎn)離其他I/O芯片的地方。
2）MAX6675芯片T-須***接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近GND腳，否則讀出數(shù)據(jù)為無規(guī)律的亂碼。
3）MAX6675是通過冷端補(bǔ)償來校正周圍溫度變化的。該器件將周圍溫度通過內(nèi)部的溫度檢測二極管轉(zhuǎn)換為溫度補(bǔ)償電壓，該器件內(nèi)部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到ADC中轉(zhuǎn)換，以計(jì)算熱電偶的熱端溫度。當(dāng)熱電偶的冷端與芯片溫度相等時(shí)，MAX6675可獲得***佳的測量精度。因此在實(shí)際測溫應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量避免在MAX6675附近放置發(fā)熱器件或元件，例如7805等帶散熱片的穩(wěn)壓器件。
4）盡量采用大截面積的熱電偶導(dǎo)線，長距離傳輸時(shí)，可采用雙絞線作為信號傳輸線。
5）根據(jù)應(yīng)用場合的不同，可通過相應(yīng)的數(shù)字濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以提高所需要某一段測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
4 結(jié)束語
MAX6675將熱電偶測溫應(yīng)用時(shí)復(fù)雜的線性化、冷端補(bǔ)償及數(shù)字化輸出等集中在一個芯片上解決，簡化了鋁水平溫度測量儀中熱電偶測溫電路的設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該測溫系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，測量精度滿足要求。因此，在基于微處理器的單片機(jī)嵌入式工業(yè)測溫系統(tǒng)中，由MAX6675構(gòu)成的單片熱電偶測溫解決方案，具有良好的實(shí)用價(jià)值。
