單片機(jī)和K型熱電偶的溫度測(cè)量儀

　　熱電偶的輸出電壓很小，如K型熱電偶與溫度的關(guān)系大概是每度41uV，這么小的電壓不經(jīng)過放大或其他線路是不能接到單片機(jī)的！

　　如果用放大線路，就要用一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連。如果你的單片機(jī)本身有足夠高的分辨率的AD轉(zhuǎn)換器，就不用外擴(kuò)的AD了。

　　如果你用MAX6675之類的芯片，就不需要AD轉(zhuǎn)換器和放大器了，因?yàn)檫@個(gè)芯片是專門為K型熱電偶所設(shè)計(jì)的芯片，內(nèi)部已經(jīng)集成了放大采樣，你只須將單片機(jī)的SPI接口與它相連，并根據(jù)該芯片的資料上的說明進(jìn)行通信就可以了。

　　附圖就是用MAX6675加上K型熱電偶，與一PIC18單片機(jī)的整個(gè)線路，仿真的溫度為100度。

　　從人類對(duì)溫度有了認(rèn)識(shí)之后，許多科學(xué)家一直致力于研究溫度的測(cè)量方法。廣義上說，

　　溫度的測(cè)量主要方式分為兩種：接觸式測(cè)溫以及非接觸式測(cè)溫。通過需要測(cè)溫的物體和測(cè)溫設(shè)備之間的直接接觸，以熱交換的方式，最終可以達(dá)到熱平衡的，這樣的方式稱為接觸式測(cè)溫。顯然這種最原始的接觸測(cè)溫方法可以最簡單的測(cè)出溫度，但是這樣的誤差比較大，只能用于一般生活中簡單的溫度測(cè)量。如果是在高溫或者腐蝕環(huán)境下測(cè)溫，這種特殊環(huán)境會(huì)對(duì)測(cè)溫元器件產(chǎn)生不利影響。然而另一種測(cè)溫方法——非接觸式測(cè)溫可以避免這一問題。用這種方法制成的測(cè)溫計(jì)可以用于農(nóng)業(yè)中土壤的測(cè)溫、工業(yè)中高溫運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械等領(lǐng)域。

　　目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器是熱電偶傳感器，在工業(yè)測(cè)溫中占有不可取代的地位。選用K型熱電偶設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)。系統(tǒng)由溫度采集模塊、主控制模塊、下載模塊和LCD液晶顯示模塊組成，以AT89S52單片機(jī)為主控制器，由K型鎳鉻-鎳硅熱電偶作為溫度傳感器，測(cè)量范圍在0~1200℃之間，采用MAX6675熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器將K型熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。對(duì)測(cè)溫?zé)犭娕嫉臒犭妱?shì)及測(cè)得的補(bǔ)償電勢(shì)進(jìn)行采樣，經(jīng)程序解算后得到溫度值，通過LCD液晶顯示。該系統(tǒng)具有測(cè)量范圍廣、系統(tǒng)輕便的特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)溫中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

　　采用的溫度采集模塊中，主要選用K型熱電偶以及數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675完成。通過對(duì)溫度的采集，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理的單片機(jī)AT89S52，通過串口下載，并在液晶LCD1602顯示實(shí)時(shí)溫度。在這個(gè)方案過程中，主要運(yùn)用到了K型熱電偶以及數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675作為溫度采集模塊的主要組成。

　　K型熱電偶測(cè)量范圍寬，價(jià)格便宜，性能穩(wěn)定，被廣泛適用于工業(yè)溫度測(cè)量中。關(guān)鍵的是K型熱電偶轉(zhuǎn)換器MAX6675，它具有冷端溫度補(bǔ)償?shù)墓δ埽?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。最大的好處是，MAX6675具有熱電偶冷端補(bǔ)償，放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，串行端口等功能。

　　從以上兩種方案而言，顯而易見方案二的設(shè)計(jì)思路更為實(shí)用、簡便，在設(shè)計(jì)過程中可以最大程度地發(fā)揮各類元器件的作用，使得元器件之間很好配合，使得電路設(shè)計(jì)最優(yōu)化。

　　熱電偶利用接觸式測(cè)溫的方式收集溫度，可以將采集到的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，

　　以二次儀表的形式再變?yōu)楸粶y(cè)物體的溫度。組成閉合回路的條件把兩種不同原料的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接起來。如果閉合回路兩端的溫度不同，于是產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)矢量電動(dòng)勢(shì)只和兩端的原料的質(zhì)地和溫度有關(guān)，而與材料的粗細(xì)長短無關(guān)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）。熱電偶的應(yīng)用是在塞貝克效應(yīng)影響中工作。在金屬兩端中，一個(gè)直接用于測(cè)量溫度的端口稱為測(cè)量工作端，反之則稱為溫度補(bǔ)償冷端。使用過程中，把冷端和顯示儀器聯(lián)接，便可以在顯示儀器上讀出測(cè)溫時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)

　　目前熱電偶有兩個(gè)大類：標(biāo)準(zhǔn)，非標(biāo)準(zhǔn)。從上世紀(jì)80年代末開始，中國制造的熱電偶和熱電阻指定IEC國際標(biāo)準(zhǔn)中的七種標(biāo)準(zhǔn)（包括S、B、E、K、R、J、T七種）為模型統(tǒng)一設(shè)計(jì)生產(chǎn)熱電偶。由于產(chǎn)生的熱電勢(shì)與兩端的溫度差有關(guān)，必須先固定一方的溫度才能確立出測(cè)量端溫度與電動(dòng)勢(shì)兩者之間的關(guān)系。目前規(guī)定冷端在0℃時(shí)給出測(cè)量溫度與電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值對(duì)照表，稱為分度表。由于在實(shí)際測(cè)量中，很難保持冷端的溫度在0℃，所以需要設(shè)計(jì)到冷端補(bǔ)償?shù)膯栴}。

　　K型熱電偶測(cè)量范圍廣，價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于工業(yè)溫度測(cè)量。在氧化和中性的氣體環(huán)境中，可按K型熱電偶偶絲直徑不同測(cè)量不同的溫度范圍。但是在還原氣氛中，需要加密封保護(hù)管。K型熱電偶的精度分成兩個(gè)等級(jí)，其允許誤差見表

　　選擇K型熱電偶作為溫度測(cè)量模塊的組成部分。這種熱電偶是當(dāng)前使用量最大、價(jià)格最低廉價(jià)的金屬熱電偶，每年的消耗量是其他所用熱電偶消耗量的總和。K型熱電偶的正、負(fù)兩極（鎳鉻合金）分別含10%的鉻，含3%的硅。這種熱電偶可以測(cè)量介質(zhì)從0～1300℃的溫度范圍，無論是在氧化性還是惰性氣體中都可以持續(xù)利用，短時(shí)間內(nèi)使用的溫度閾值可以高達(dá)為1200℃左右，如果是長時(shí)間使用溫度閾值建議維持1000℃左右，不要超過。

　　MAX6675是具有冷端溫度補(bǔ)償功能的K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，自帶冷端溫度補(bǔ)償?shù)墓δ埽€能把輸入熱電偶的信號(hào)輸出數(shù)字信號(hào)。輸出的數(shù)據(jù)是12位分辨率的兼容型只讀格式。這款MAX6675數(shù)字轉(zhuǎn)換器集中了多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如冷端補(bǔ)償、信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串行端口。

　　K型熱電偶由于其特點(diǎn)、性能優(yōu)異在工業(yè)測(cè)溫場(chǎng)合被廣泛使用。但是，它經(jīng)常要求冷端補(bǔ)償，而且電路的調(diào)試過程中太繁瑣，比較麻煩。在調(diào)試過程中，凝固浴法，計(jì)算方法，修正系數(shù)法，零偏移方法會(huì)有一定的誤差，給調(diào)試帶來太多的麻煩。MAX6675的誕生無疑解決了這一問題。