熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675的原理、性能特點(diǎn)和應(yīng)用分析

熱電偶作為一種主要的測(cè)溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)。但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí)，卻存在著以下幾方面的問(wèn)題。①非線性：熱電偶輸出熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此在應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行線性化處理。②冷補(bǔ)償：熱電偶輸出的熱電勢(shì)為冷端保持為0℃時(shí)與測(cè)量端的電勢(shì)差值，而在實(shí)際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需進(jìn)行冷端補(bǔ)償。③數(shù)字化輸出：與嵌入式系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口，而作為模擬小信號(hào)測(cè)溫元件的熱電偶顯然法直接滿足這個(gè)要求。因此，若將熱電偶應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)時(shí)，須進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)放大、 A/D轉(zhuǎn)換、查表線性線、溫度補(bǔ)償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設(shè)計(jì)。如果能將上述的功能集成到一個(gè)集成電路芯片中，即采用單芯片來(lái)完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡(jiǎn)化熱電偶在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

Maxim公司推出的MAX6675即是一個(gè)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。

1 性能特點(diǎn)

MAX6675的主要特性如下：

①簡(jiǎn)單的SPI串行口溫度值輸出；

②0℃～+1024℃的測(cè)溫范圍；

③12位0.25℃的分辨率；

④片內(nèi)冷端補(bǔ)償；

⑤高阻抗差動(dòng)輸入；

⑥熱電偶斷線檢測(cè)；

⑦單一+5V的電源電壓；

⑧低功耗特性；

⑨工作溫度范圍-20℃～+85℃；

⑩2000V的ESD信號(hào)。

該器件采用8引腳SO帖片封裝。引腳排列如圖1所示，引腳功能如表1所列。

熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675的原理、性能特點(diǎn)和應(yīng)用分析

2 工作原理

MAX6675的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該器件是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有信號(hào)調(diào)節(jié)放大器、12位的模擬/數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補(bǔ)償傳感和校正、數(shù)字控制器、1個(gè)SPI兼容接口和1個(gè)相關(guān)的邏輯控制。

2.1 溫度變換

MAX6675內(nèi)部具有將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為與ADC輸入通道兼容電壓的信號(hào)調(diào)節(jié)放大器，T+和T-輸入端連接到低噪聲放大器A1，以保證檢測(cè)輸入的高精度，同時(shí)使熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢(shì)經(jīng)低噪聲放大器A1放大，再經(jīng)過(guò)A2電壓跟隨器緩沖后，被送至ADC的輸入端。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相等價(jià)的溫度值之前，它需要對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周?chē)鷾囟扰c0℃實(shí)際參考值之間的差值。對(duì)于K型熱電偶，電壓變化率為41μV/℃，電壓可由線性公式Vout=（41μV/℃）×（tR-tAMB）來(lái)近似熱電偶的特性。上式中，Vout為熱電偶輸出電壓（mV），tR是測(cè)量點(diǎn)溫度；tAMB是周?chē)鷾囟取?/p>

2.2 冷端補(bǔ)償

熱電偶的功能是檢測(cè)熱、冷兩端溫度的差值，熱電偶熱節(jié)點(diǎn)溫度可在0℃～+1023.75℃范圍變化。冷端即安裝MAX6675的電路板周?chē)鷾囟?，比溫度?20℃～+85℃范圍內(nèi)變化。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)，MAX6675仍能精確檢測(cè)熱端的溫度變化。

MAX6675是通過(guò)冷端補(bǔ)償檢測(cè)和校正周?chē)鷾囟茸兓?。該器件可將周?chē)鷾囟韧ㄟ^(guò)內(nèi)部的溫度檢測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為溫度補(bǔ)償電壓，為了產(chǎn)生實(shí)際熱電偶溫度測(cè)量值，MAX6675從熱電偶的輸出和檢測(cè)二極管的輸出測(cè)量電壓。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可獲得最佳的測(cè)量精度。因此在實(shí)際測(cè)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，因?yàn)檫@樣會(huì)造成冷端誤差。

2.3 熱補(bǔ)償

在測(cè)溫應(yīng)用中，芯片自熱將降低MAX6675溫度測(cè)量精度，誤大小依賴于MAX6675封裝的熱傳導(dǎo)性、安裝技術(shù)和通風(fēng)效果。為降低芯片自熱引起的測(cè)量誤差，可在布線時(shí)使用大面積接地技術(shù)提高M(jìn)AX6675溫度測(cè)量精度。

2.4 噪聲補(bǔ)償

MAX6675的測(cè)量精度對(duì)電源耦合噪聲較敏感。為降低電源噪聲影響，可在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1μF陶瓷旁路電容。

2.5 測(cè)量精度的提高

熱電偶系統(tǒng)的測(cè)量精度可通過(guò)以下預(yù)防措施來(lái)提高：①盡量采用不能從測(cè)量區(qū)域散熱的大截面導(dǎo)線；②如必須用小截面導(dǎo)線，則只能應(yīng)用在測(cè)量區(qū)域，并且在無(wú)溫度變化率區(qū)域用擴(kuò)展導(dǎo)線；③避免受能拉緊導(dǎo)線的機(jī)械擠壓和振動(dòng)；④當(dāng)熱電偶距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)采用雙絞線作熱電偶連線；⑤在溫度額定值范圍內(nèi)使用熱電偶導(dǎo)線；⑥避免急劇溫度變化；⑦在嚴(yán)劣環(huán)境中，使用合適的保護(hù)套以保證熱電偶導(dǎo)線；⑧僅在低溫和小變化率區(qū)域使用擴(kuò)展導(dǎo)線；⑨保持熱電偶電阻的事件記錄和連續(xù)記錄。

2.6 SPI串行接口

MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與MCU接口，且MAX6675只能作為從設(shè)備。MAX6675 SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如圖3所示，MAX6675 SPI接口時(shí)序如圖4所示。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程如下：MCU使CS變低并提供時(shí)鐘信號(hào)給SCK，由SO讀取測(cè)量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過(guò)程；CS變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過(guò)程。一個(gè)完整串行接口讀操作需16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀16個(gè)輸出位，第1位和第15位是一偽標(biāo)志位，并總為0；第14位到第3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；第2位平時(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開(kāi)放時(shí)為高，開(kāi)放熱電偶檢測(cè)電路完全由 MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開(kāi)放熱電偶檢測(cè)器操作，T-必須接地，并使能地點(diǎn)盡可能接近GND腳；第1位為低以提供MAX6675器件身份碼，第0位為三態(tài)。

3 測(cè)溫應(yīng)用

下面給出MAX6675應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的具體方法。這里以AT89C2051單片機(jī)為例，給出MAX6675與單片機(jī)接口構(gòu)成的測(cè)溫電路及相應(yīng)的溫度值讀取、轉(zhuǎn)換程序。

MAX6675為單片數(shù)字式熱電偶放大器，其工作時(shí)無(wú)需外接任何的外圍元件，這里為降低電源耦合噪聲，在其電源引腳和接地端之前接入了1只容量為0.1μF的電容。

MAX6675與AT89C2051單片機(jī)的接口電路如圖5所示。

由于AT89C2051不具備SPI總線接口，故這里采用模擬SPI總線的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)與MAX6675的接口。其中P1.0模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端（MISO），P1.1模擬SPI的串行時(shí)鐘輸出端SCK，P1.2模擬SPI的從機(jī)選擇端SSB。下面給出相應(yīng)的溫度值讀取程序及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序。

；溫度值讀取程序

；位定義

SO BIT T1.0 ；數(shù)據(jù)輸入

CS BIT P1.1 ；從機(jī)選擇

SCK BIT P1.2 ；時(shí)鐘

；數(shù)據(jù)字節(jié)定義

DATAH DATA 30H ；讀取數(shù)據(jù)高位

DATAL DATA 31H ；讀取數(shù)據(jù)低位

TDATAH DATA 32H ；溫度高位

TDATAL DATA 33H ；溫度低位

；讀溫度值子程序

READY：CLR CS ；停止轉(zhuǎn)換并輸出數(shù)據(jù)

CLR CLK ；時(shí)鐘變低

MOV R2，#08H

READH：MOV C，SO

RLC A ；讀D15～D8高8位數(shù)據(jù)

SETB CLK

NOP

CLR CLK

DJNZ R2，READH

MOV DATAH，A；將讀取的高8位數(shù)據(jù)保存

MOV R2，#08H

READL：MOV C，SO ；讀D7～D0低8位數(shù)據(jù)

RLC A

SETB CLK

NOP

CLR CLK

DJNZ R2，READL

MOV DATAL，A；將讀取的低8位數(shù)據(jù)保存

SETB CS

；啟動(dòng)另一次轉(zhuǎn)換過(guò)程

RET

；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(wú)用的位。

D16T12：MOV A，DATAL

CLR C

RLC A

MOV DATAL，A

；數(shù)據(jù)整體右移1位，

MOV A，DATAH；以去掉D15偽志位

RLC A

SWAP A ；將DATAH中的數(shù)據(jù)高低4位互換

MOV B，A ；數(shù)據(jù)暫存于B中

MOV A，#0FH ；得到溫度值的D11～D8位，并將D15～D12位置0

MOV TDATAH，A；轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送溫度高位

MOV A，B；取出溫度值的D7～D4位

ANL A，#0F0H

MOV B，A；暫存B中

MOV A，DATAL

ANL A，#0F0H ；取出溫度值的D3～D0

SWAP，A

ORL A，B ；合并成低位字節(jié)

MOV TDATAL，A ；轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送溫度高位

RET

結(jié)語(yǔ)

MAX6675將熱電偶測(cè)溫應(yīng)用時(shí)復(fù)雜的線性化、冷端補(bǔ)償及數(shù)字化輸出等問(wèn)題集中在一個(gè)芯片上解決，簡(jiǎn)化了將熱電偶測(cè)溫方案應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí)復(fù)雜的軟硬件設(shè)計(jì)，因而該器件是將熱電偶測(cè)溫方案應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的理想選擇。

責(zé)任編輯：gt

閱讀全文