基于MAX6675高精度温控系统的研究与设计∗

李向荣 孟向海 范福海

（青岛科技大学 青岛 266061）

1 引言

K 型热电偶是工业测温中广泛使用的一种温度传感器，它可以直接测量各种生产中从0℃～1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度［1～2］。由热电偶的工作原理可知，K型热电偶测温过程中产生的热电动势大小由其两端的温度差所决定，因此不仅与测量端的温度有关，还与冷端温度有关。只有当冷端温度保持不变时，热电势才是测量端温度的单值函数。然而在实际应用中，由于热电偶的冷、热端距离通常很近，冷端受热端及环境温度波动的影响，温度很难保持稳定。同时由热电偶采集到的温度信号为非常弱小的电信号，不能直接用于控制系统。因此本文在通常的多路热电偶测温系统［3～6］基础上采用了具有冷端补偿的K 型热电偶数据转换器MAX6675 作为对K 型热电偶的数据处理和转换，同时又采用三路热电偶经过CD4051 与MAX6675 相连接，在软件中对这三路送到单片机的温度数据进行处理作为最终的温度值，进而与系统中预设的温度值进行比较，当低于预设温度下限，加热模块开始加热，当高于预设温度上限，加热停止冷却模块开始制冷。实验表明系统测温精度高、结构简单、性价比高、对所需要的温度范围保持稳定。

2 系统工作框图

如图1 所示为该系统的工作示意图，在触摸屏上输入所需温度及其上下限，由单片机控制CD4051 各通道的通断，MAX6675 把三路热电偶的温度数据送入到单片机中进行处理［7］，并把最终的温度值在液晶屏上显示。根据显示的温度值与预设温度的上下限进行比较，从而再决定系统接下来是进行加热还是冷却。

图1 系统的工作示意图

3 硬件说明及电路设计

3.1 温度数据采集模块

1）K型热电偶

K 型热电偶材料主要采用的是镍铬-镍硅合金构成，它是一种能测量较高温度的高性价比的热电偶，是工业自动化中最常用的一种热电偶。热电偶的工作原理是基于物体的热电效应，由两种不同的导体两端相互紧密地连在一起，组成一个闭合回路，当两接点的温度不相等时，回路中就会产生电势差，这个电势差就称为热电势［8～9］。热电势的大小反映两个接点温度差，保持T0（冷端）不变，热电势随着温度T（热端）变化而变化。测得热电势E（T，T0）的值，即可知道温度T的大小。

图2 热电偶工作原理示意图

2）CD4051

CD4051 是单8 通道数字控制模拟电子开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码A、B、C和INH 端来决定，具有低导通阻抗和截止漏电流。幅值为4.5V～20V 的数字信号可控制峰值至20V 的模拟信号。当输入端INH=1时，所有的通道截止。

3）MAX6675

MAX6675 是由Maxin 公司推出的一款复杂的单片热电偶数字转换器，内部具有信号调节放大器、12 位的模拟数字化热电偶转换器、冷端补偿和校正、数字控制器、1 个SPI 兼容接口和1 个相关的逻辑控制［10～11］。MAX6675 内部集成有冷端补偿电路；带有简单的3位串行SPI接口；可将温度信号转换成12 位数字量，温度分辨率达0.25℃；内含热电偶断线检测电路。冷端补偿的温度范围-20℃～80℃，可以测量0℃～1023.75℃的温度，工作电压为3.0V～5.5V。

4）测温模块电路如图3所示。

图3 测温模块硬件电路图

3.2 加热模块

加热板作为大功率元件不能和单片机直接连接，需要通过输出驱动器实现单片机对于加热板的控制，用于完成温度调节的过程。由于固态继电器的众多优点，本文采用它作为连接加热板和单片机之间的驱动器。

1）PTC加热板

PTC 加热板是利用恒温加热PTC 热敏电阻恒温发热的特性设计的加热器件，根据不同的场合要求，加热器可设计成不同的结构。恒温加热PTC热敏电阻具有恒温发热的特性是由于PTC 热敏电阻通电后自发热升温使阻值进入跃变区，此时电阻表面温度将保持恒定值［12］。此外，PTC 加热板还具有成本低、寿命长、节约电能、安全可靠等优点。

2）固态继电器

固态继电器是一种无触点开关型元件，采用分立的电子元器件、集成电路（或芯片）和微电子技术使控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合。固态继电器整体结构包括输入电路、输出电路以及隔离器件三部分。隔离器件利用电、磁和光特性实现输入电路和输出电路的隔离。输出电路可利用单、双向可控硅，场效应管以及大功率三级管等器件实现被控电路无火花、无触点的通断控制［13～15］。固态继电器由于是全固态电子元件组成，与一般的接触器相比具有无可动的机械部件和机械动作、工作可靠、寿命长、无动作噪声等优点。

3.3 冷却模块

本系统中采用12V 直流电机驱动风扇，作为系统的冷却装置。由于单片机最大输出电压约为5V，因此无法直接对电机进行驱动和控制。为了达到驱动电机以及单片机对冷却装置进行控制的目的，采用L298N电机驱动器作为连接单片机和电机的端口。

L298N 是SGS 公司生产的高电压、大电流电机驱动芯片［16～17］。该芯片具有以下特点：1）工作电压大，最高电压可达46V，同时输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；2）片内含有两个H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可用来驱动直流电动机、交流电动机、继电器和线圈等负载；3）采用标准TTL逻辑电平信号控制，因此可以直接用单片机的I/O 口进行控制，电路简单、操作方便；4）具有两个使能端，无输入信号控制下可允许或禁止器件工作等特点。

图4 冷却模块硬件电路图

4 软件设计

系统的软件设计采用程序的模块化设计，即按照系统的不同功能模块编写相应的代码，使得程序的结构清晰，易懂易维护，其程序的编写是在KEIL C51 环境下实现的。系统上电后，主程序开始初始化，然后触摸屏上提示设置初始温度及其温度的上下限。设置完成后，单片机给固态继电器发送指令，从而让加热板开始加热。调用CD4051子函数，依次把三路热电偶的数据从MAX6675 中读到单片机，再调用数据处理子函数把三路数据的平均值作为最终的温度显示在触摸屏上，然后与设置的初始温度及其上下限进行比较，从而决定是否继续加热或者是否开启冷却。系统程序总流程图如图5 所示。

图5 系统程序总流程图

5 测温误差与分析

由于MAX6675 的转换温度分辨率为0.25℃，K型热电偶的热电动势经过MAX6675 转换后，其所测温度的最高精度也只能达到0.25℃。在电路中MAX6675 的精度也易受电源耦合噪声的影响。在通常的多路热电偶测温系统中，往往采用单点位测温方式，然后再去相应控制每个点位的加热板加热，由于温度具有滞后性、大惯性以及非线性等特点，常常会导致某一个加热点位局部的温度过高，从而导致整体的温度不均匀，难以达到所要求的精度。

为了提高该系统的测温精度和对温度范围保持稳定的程度，在硬件电路中，为了消除电源噪声的影响，在MAX6675的VCC 引脚端放置一个0.1uF的陶瓷电容并接地。在软件中，采用三点测温均值法，即把三路热电偶的数据求取平均值作为系统最终的温度值，这样较大地提高了系统对温度范围保持稳定的程度，同时也改善了整体温度的不均匀性。表1 为通常的三路热电偶测温系统与本系统分别在初始温度和相应的测温范围内所测实际温度的对比。其结果表明，常规多路测温系统的测量误差为±4℃，而本系统的测量误差为±0.5℃，从而验证了本系统不仅测温精度高而且对所需要的温度范围保持稳定。

表1 系统实测温度对比

6 结语

在常规的K 型热电偶测温电路中，通常需要搭建模数转换电路来处理热电偶所测得的温度信号，并且还需要通过去查K 型热电偶的温度数据转换表，从而才能得到最终所测的温度值。而本文所采用的MAX6675 热电偶数字转换器，不仅可以把K型热电偶的模拟信号转换成数字信号，而且还省去了查表的过程，从而简化了硬件电路的设计，同时也提高了温度数据的转换精度。而本文在软件中对温度数据所采用的处理方法，虽然提高了系统对温度范围保持稳定的程度，但是对于怎样滤除温度的干扰数据还需值得继续探究。