热电偶是工业领域中应用极广泛的温度传感器,它结构简单,使用方便,种类繁多,测量范围宽, 具有较高的稳定性,因此在工程测温上使用极为广泛。由于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。这种环境温度变化可使热电偶的测量产生误差,如不进行冷端控制,必将严重影响产品质量和设备状况的精确监控,为了使测量精度更准,必须采用冷端补偿的方法。传统的冷端补偿方法仪表机械零点调整法、电桥补偿法、参考端温度计算修正法、参考端恒温法等方法,这些方法即不灵活,又使电路复杂化,除了需要专用集成电路和传感器以外, 还必须附加众多的电阻,电容和集成运放等元件器,大大增加了电路成本和体积。针对这一情况,开发一种线路简单,测量可靠并能实现冷端自动补偿的热电偶测温仪,对于工业生产和科研实践具有重要意义。

把两种不同材料的导体(如镍铬—镍硅)组成一个闭合回路(A、B为两种不同的金属导体),若两接触点温度(T、T0)为不同时,在电路中将产生电动势,该电动势称为热电动势。这种现象称为热电效应,又称为塞贝克(Seebeck)效应。

对于热电偶,两个接触点要产生两个接触电动势eAB(T)、eAB(T0)和导体产生的温差电动势eA(T,T0)、eB(T,T0),如图1。可得到热电偶产生的总热电动势:

由于温差电动势eA(T,T0)、eB(T,T0) 比接触电动势eAB(T)、eAB(T0)要小得多,可忽略不计,因此热电偶的总热电动势为:

如果热电偶已选定,当参考点T0恒定时,

则总热电动势就只与温度T成单值函数关系,即

由以上分析可知,只有当热电偶参考端(T0冷端)温度保持不变时,热电势才是被测温度的单值函数。目前使用的热电偶其温度与热电势关系的分度表都是在冷端温度为0℃时作出的。在实际测温中, 冷端温度常常由于受到周围环境温度的影响,往往不但不为零,而且不稳定,从而引起误差。为了保证测量结果的准确性,必须采取相应的措施加以克服, 消除或补偿这一误差。

以美国ATMEL公司生产的AT89C2051作为主控制器,MAX6675作为从设备,解决热电偶冷端补偿、温度与热电势的非线性等影响热电偶测量精度的问题。AT89C2051单片机仅有20只引脚,小巧方便,成本低,控制灵活。MAX6675是一个热电偶数字转换器,封装在SO-8脚的芯片中,最低工作电压仅需2.7V,连续工作时的功耗仅为47.1m W,电流为50m A,体积小,内部具有信号调节放大器、12位的模拟/数字热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制器。

AT89C2051属于精简单片机,20只引脚,功耗低,仅有P1八位I/O口和P3八位I/O口,省掉了P0和P2口,共16位I/O口,实现对热电偶的控制功能以足够。MAX6675采用标准 的SPI串行外设 总线与AT89C2051单片机接口,因此它只能作为单片机从设备。SPI(Serial Peripheral Interface)总线系统是一种同步串行外设接口,它可以使单片机与各种外围设备以串行方式进行通信以交换数据。

图2为单片机AT89C2051与MAX6675典型接线图,MAX6675数据输出仅为3位串行接口,仅占用3位I/O口,其中片选信号由P1.2提供,数据转换由P1.1读写,时钟信号由单片机的P1.3提供。热电偶的模拟信号由T+和T_端输入,其中T_端需接地。MAX6675为数字式热电偶放大器,其工作时无需外接任何的外围元件,为降低电源耦合干扰,可在电源引脚和接地端接入0.2μF的电容。MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压信号,其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前,它能自动对热电偶 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。

热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值,热电偶热点温度可在1000℃左右范围变化。冷端即是MAX6675电路板周围温度,当冷端温度波动时, MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。

MAX6675是通过冷端自动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转换为温度补偿电压。该器件内部电路将冷端补偿电压和热电偶热端输出电压送到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。

系统软件设计,重点在于对MAX6675温度的读取,由以上的叙述可知,MAX6675是可编程的热电偶A/D转换器,可以使用C程序语言或汇编程序语言完成编程。

由于AT89C2051不具备SPI总线接口,故采用模拟SPI总线的方法来实现与MAX6675的接口。其中P1.1模拟SPI的数据输入端 (MISO),P1.3模拟SPI的串行时钟输出端SCK,P1.2模拟SPI的片选端SSB。当引脚从高变到低电平时,MAX6675将进行下一轮数据的转换.一个完整的数据读取需要16个时钟周期, 数据的读取在SCK的上升沿进行,经MAX6675芯片处理后得到的温度数据送给AT89C2051单片机。引脚由低电平变到高电平时,MAX6675不进行任何的转换,并在时钟SCK的作用下向外输出已转换的数据,每次完成测温后,单片机都将温度数据保存在存储器中。MAX6675的工作时序如图3所示。

以单片机AT89C2051为核心, 采用MAX6675热电偶传换器,成功地解决了热电偶冷端补偿、非线性等影响测量精度的问题,测试结果误差小于0.8℃。这与测量范围在千度的热电偶来说,完全能达到测量要求,因此它能广泛使用在热电偶温控系统中,从而减轻系统软硬件设计的困难,减少设备的体积,提高设备运行的可靠性。