Ｋ型熱電偶數字轉換器MAX6675及其在鋁水平溫度測量儀中的應用

　　1 MAX6675特性

　　1.1 特性

　　MAX6675是具有冷端補償和A/D轉換功能的單片集成Ｋ型熱電偶變換器，測溫范圍0℃～1024℃，主要功能特點如下：

　　n      直接將熱電偶信號轉換為數字信號

　　n      具有冷端補償功能

　　n      簡單的SPI串行接口與單片機通訊

　　n      12位A/D轉換器、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-）接熱電偶負極，腳3（T+）接熱電偶正極，腳4（VCC）電源端，腳5（SCK）串行時鐘輸入端，腳6（CS）片選端，使能啟動串行數據通訊，腳7（SO）串行數據輸出端，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是一復雜的單片熱電偶數字轉換器，其內部結構如圖2所示。主要包括：低噪聲電壓放大器A1、電壓跟隨器A2、冷端溫度補償二極管、基準電壓源、12位AD轉換器、SPI串行接口、模擬開關及數字控制器。

　　其工作原理如下：K型熱電偶產生的熱電勢，經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是測量點溫度；T0是周圍溫度。

　　在將溫度電壓值轉換為相應的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實際參考值之間的差值。通過冷端溫度補償二極管，產生補償電壓U2經S4輸入ADC轉換器。

　　U2=（41μV/℃）×T0

　　在數字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉換成數字量,即獲得輸出電壓U0的數據，該數據就代表測量點的實際溫度值T。這就是MAX6675進行冷端溫度補償和測量溫度的原理。

　　1.4 與單片機的通訊

　　MAX6675采用標準的SPI串行外設總線與單片機接口。MAX6675從SPI串行接口輸出數據的過程如下：單片機使CS置為低電平，并提供時鐘信號給SCK，由SO讀取測量結果。CS變低將停止任何轉換過程，CS變高將啟動一個新的轉換過程。將CS變低在SO端輸出*個數據，一個完整串行接口讀操作需16個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀16個輸出位，第1個輸出位是D15，是一偽標志位，并總為0；D14位到D3位為以MSB到LSB順序排列的轉換溫度值；D2位平時為低，當熱電偶輸入開放時為高，開放熱電偶檢測電路*由MAX6675實現，為開放熱電偶檢測器操作，T-必須接地，并使接地點盡可能接近GND腳；D1位為低以提供MAX6675器件身份碼，D0位為三態標志位。  

　　MAX6675 SO端輸出溫度數據的格式如圖3所示。

　　2 在鋁水平溫度測量儀中的應用

　　本文所述鋁水平溫度測量儀是一工作于鋁電解現場的測量裝置，其控制部分采用單片機控制，對溫度部分的要求是：在得到測量要求信號后，實時測量出當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警。

　　2.1 硬件實現

　　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AT89C51，該微控制器具有4K內部可擦寫程序存儲器和32個輸入/輸出端口，滿足本系統中液位測量、數據顯示、溫度測量、數據通訊、看門狗電路的需要。作為一款廉價的通用型單片機，AT89C51沒有SPI接口。因此采用I/O口線模擬SPI串行口來對MAX6675讀取數據。MAX6675的CS端接單片機的P1.0腳，CS低電平停止轉換，MAX6675準備將數據輸出；SCK引腳接單片機的P1.1腳，為傳輸數據提供時鐘。無數據傳輸時，SCK應置為低電平；SO引腳接單片機的P1.2腳，用于傳輸數據。單片機的P1.3腳作為Ｋ型熱電偶探頭斷線報警口，報警時輸出低電平，驅動故障指示LED顯示。

　　在單片機的上述4個引腳各接一個10K的上拉電阻，保證數據的可靠傳送。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。在印刷電路板的設計中，采用大面積接地技術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℃，為了準確的測量這一區段的溫度值，系統利用X25045芯片內部的4096位串行E2PROM（非易失存儲器），保存溫度補償參數，掉電不丟失，保證系統可應用于各種環境條件。

　　2.2 軟件實現

　　  溫度測量是鋁水平溫度測量過程的zui后一個環節，在系統測量完鋁水平后，開始進行溫度測量，這一部分程序作為一個獨立的程序段，定時調用，主要包括MAX6675數據讀取、開路判斷、數據處理和碼制轉換等幾個部分。程序流程如下：

　　下面給出MAX6675溫度值讀取程序設計：

　　；溫度值讀取程序

　??；位定義

　　CS   BIT P1.0    ；數據輸入

　　SCK     BIT P1.1    ；片選

　　SO   BIT P1.2    ；時鐘

　??；數據字節定義

　　DATAH    DATA   40H  ；讀取數據高位

　　DATAL    DATA   41H   ；讀取數據低位

　　TDATAH  DATA   42H    ；溫度高位

　　TDATAL  DATA   43H    ；溫度低位

　　CLR     CS          ；CS低電平，停止數據轉換，輸出數據D15

　　CLR     CLK        ；時鐘置為低電平

　　MOV     R7,  #08H

　　RD_DATAH:             ；讀數據高位字節D15-D8

　　MOV        C,SO    ；讀SO端數據

　　RLC     A       ；累加器左移一位

　　SETB    SCK

　　NOP

　　CLR     SCK

　　DJNZ    R7,RD_DATA  

　　MOV        DATAH,A   ；將數據高位移入緩沖區

　　MOV     R7,#08H

　　RD_DATAL:               ；讀數據低位字節D7-D0

　　MOV     C,SO    ；讀SO端數據

　　RLC        A       ；累加器左移一位

　　SETB       SCK

　　NOP

　　CLR        SCK

　　DJNZ       R7,RD_DATAL

　　MOV        DATAL,A ；將數據低位移入緩沖區

　　SETB        CS   ；CS高電平，停止數據輸出，啟動新的數據轉換；數據轉換子程序，將讀得的16位數據轉換為12位溫度值，去掉無用的位

　　MOV     A，DATAL 

　　RLC     A      

　　MOV     DATAL，A

　　MOV     A，DATAH

　　RLC     A       ；整個數據位左移一位，去掉D15位

　　SWAP A       ；將DATAH中的高低4位數據互換

　　MOV     B，A    ；數據暫存于B中

　　ANL     A，#0FH   ；得到溫度數據高位字節部分D14 ～D11

　　MOV     TDATAH，A ；將溫度值高位字節保存

　　MOV     A，B

　　ANL     A，#0F0H  ；得到溫度數據低位字節部分D10 ～D7

　　MOV     B，A   

　　MOV     A，DATAL  ；

　　ANL     A，#0FH   ；得到溫度數據低位字節部分D6 ～D3

　　ORL     A，B    ；合并的溫度低位字節

　　MOV     TDATAL，A ；將溫度值低位字節保存  

　　3 應用中注意的幾個問題

　　在鋁水平溫度測量儀的設計和調試過程中遇到諸多問題，現將與MAX6675相關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布置在遠離其他I/O芯片的地方。

　　2）MAX6675芯片T-必須接地，并使接地點盡可能接近GND腳，否則讀出數據為無規律的亂碼。

　　3）MAX6675是通過冷端補償來校正周圍溫度變化的。該器件將周圍溫度通過內部的溫度檢測二極管轉換為溫度補償電壓，該器件內部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到ADC中轉換，以計算熱電偶的熱端溫度。當熱電偶的冷端與芯片溫度相等時，MAX6675可獲得*的測量精度。因此在實際測溫應用時，應盡量避免在MAX6675附近放置發熱器件或元件，例如7805等帶散熱片的穩壓器件。

　　4）盡量采用大截面積的熱電偶導線，長距離傳輸時，可采用雙絞線作為信號傳輸線。

　　5）根據應用場合的不同，可通過相應的數字濾波器進行數據處理，以提高所需要某一段測量數據的準確性。

　　4 結束語

　　  MAX6675將熱電偶測溫應用時復雜的線性化、冷端補償及數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計，實際運行結果表明，該測溫系統抗干擾能力強、結構簡單、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嵌入式工業測溫系統中，由MAX6675構成的單片熱電偶測溫解決方案，具有良好的實用價值。