一種K型熱電偶溫度控制系統(tǒng)

[摘要]在工業(yè)生產(chǎn)過程中，熱電偶廣泛應(yīng)用于溫度測量，文章針對(duì)工業(yè)過程測量溫度高、難控制的特點(diǎn)，介紹一種熱電偶溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的溫度信號(hào)檢測采用K型熱電偶，結(jié)合熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX6675完成數(shù)據(jù)采集，控制器采用STC89C52單片機(jī)，通過控制可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量、溫度顯示和恒溫控制等功能。經(jīng)實(shí)踐，該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，滿足實(shí)際的測量要求。
引言
　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度信號(hào)是各種生產(chǎn)流程中常見的重要參數(shù)，如鍋爐爐膛煙氣溫度、加熱爐爐溫、煤氣化爐溫度等，對(duì)這些溫度信號(hào)的精準(zhǔn)測量和控制對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定有著重要作用。如鍋爐爐膛溫度，如果過高會(huì)導(dǎo)致鍋爐過熱器結(jié)焦事故，嚴(yán)重時(shí)使過熱器出現(xiàn)堆渣，堵塞過熱器各管屏之間的空隙，使?fàn)t膛負(fù)壓升高，鍋爐無法滿負(fù)荷運(yùn)行。因此準(zhǔn)確及時(shí)地獲取溫度信號(hào)并維持溫度的基本恒定在一些工業(yè)系統(tǒng)控制中具有重要意義。
　　獲取溫度信號(hào)儀器通常為測溫傳感器元件，而在工業(yè)生產(chǎn)中，需測量的溫度信號(hào)一般較高，普通的測溫儀器難以滿足測量要求，這就需要采用測量溫度范圍寬的測溫元件。熱電偶是溫度測量中常用的一種測溫元件，具有測溫精度高、測量范圍廣、構(gòu)造簡單、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于環(huán)境惡劣的工業(yè)場合中。文章介紹了一種利用熱電偶作為測溫元件的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制核心，以電熱爐溫度作為研究控制對(duì)象，配合按鍵控制、顯示器和繼電器等控制電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱爐溫度的實(shí)時(shí)測量、顯示和恒溫控制功能。
1.系統(tǒng)概述
　　熱電偶溫度控制系統(tǒng)由熱電偶測溫元件、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制單元、按鍵、繼電器控制電路、數(shù)碼顯示屏及部分LED指示燈等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。以電熱爐的溫度為控制對(duì)象，采用熱電偶傳感器對(duì)電熱爐爐溫進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，熱電偶采集的模擬信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行放大處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，然后把數(shù)字量送入單片機(jī)控制器，單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)度計(jì)算后得到實(shí)測爐溫的溫度值，并送數(shù)碼管輸出顯示，同時(shí)將實(shí)測溫度值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器電路，接通或切斷電熱爐加熱模塊，從而實(shí)現(xiàn)電熱爐的恒溫控制。另外在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可通過LED燈指示系統(tǒng)的各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)情況。
 
2.1測溫元件
　　系統(tǒng)的測溫元件采用熱電偶傳感器。目前工業(yè)上常用的有4種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,分別為B型(鉑銠30-鉑銠6).S型(鉑銠10-鉑)、K型(鎳鉻~鎳硅)和EA-2(鎳鉻-康銅)熱電偶。B型、S型熱電偶測量溫度高、性能穩(wěn)定，但是熱電勢小、價(jià)格貴、靈敏度低;EA-2型熱電偶熱電勢大、價(jià)格便宜，但測溫范圍小，容易受氧化;K型熱電偶測溫范圍是-200℃~1300℃,熱電勢大、靈敏度高、線性好、穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜引，因此選用K型熱電偶。
　　K型熱電偶材料主要采用鎳鉻鎳硅合金構(gòu)成，是工業(yè)自動(dòng)化控制中最常用的一種熱電偶。K型熱電偶在使用時(shí)，需要注意以下問題。
(1)冷端補(bǔ)償。從K型熱電偶的熱電效應(yīng)原理可知，熱電偶測溫時(shí)產(chǎn)生的熱電勢與工作端(也稱為熱端)和參考端(也稱為冷端)的溫度有關(guān)，當(dāng)參考端溫度恒為0℃時(shí)，可以由K型熱電偶分度表獲得工作端溫度值。但在實(shí)際應(yīng)用場合中，熱電偶的參考端通常靠近被測對(duì)象，常會(huì)受到周圍環(huán)境溫度的影響B(tài)3l，不可能恒為0℃，為此，必須對(duì)熱電偶采取冷端補(bǔ)償措施。
熱電偶常用的冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ斜》ā㈦姌蜓a(bǔ)償法等。冰浴法是指把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中，使參考端溫度一直保持0℃,這種方法適合在實(shí)訓(xùn)室及精密測量中使用，在工業(yè)現(xiàn)場難以達(dá)到要求。電橋補(bǔ)償法是指在測溫電路中加入補(bǔ)償電橋電路，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶因參考端波動(dòng)引起的熱電勢的變化，但是這種方法需要在硬件設(shè)計(jì)時(shí)加入補(bǔ)償電橋電路，增加電路復(fù)雜度，調(diào)試較為麻煩。.
(2)信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換。根據(jù)熱電效應(yīng)，熱電偶的測量輸出信號(hào)為微弱的熱電動(dòng)勢模擬信號(hào)，為了將輸出信號(hào)送入控制器進(jìn)行下一步處理，需要將輸出模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
(3)非線性誤差。由于熱電偶的非線性，熱電偶輸出熱電勢與被測溫度之間存在非線性問題,容易引起較大的測量誤差，需要進(jìn)行必要的修正處理。
2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器
　　為了解決上述K型熱電偶在實(shí)際使用中的問題，系統(tǒng)選用熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片MAX6675作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。MAX6675是美國MAXIM公司生產(chǎn)的一種串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其具有冷端補(bǔ)償、線性校正、熱電偶斷線檢測等功能[5]，可直接將K型熱電偶模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。MAX6675芯片的精度為12位，溫度分辨能力為0.25℃.冷端補(bǔ)償范圍為-20~+85℃，工作電壓為3.0V~5.5V。當(dāng)熱電偶冷端的溫度變化時(shí)，MAX6675可通過內(nèi)置的冷端補(bǔ)償電路來進(jìn)行溫度補(bǔ)償和修正,同時(shí)MAX6675內(nèi)部集成的非線性校正電路、斷線檢測電路、信號(hào)放大電路都可以很好地解決K型熱電偶在實(shí)際使用中的問題,滿足工業(yè)溫度測量控制的要求。MAX6675的硬件接線如圖2所示。MAX6675的T+端接K型熱電偶正極，T-端接K型熱電偶負(fù)極;SO為轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)輸出端，與單片機(jī)的P2.5端口相連，由該端口將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)一步處理;SCK為串行時(shí)鐘輸入端，接入單片機(jī)的P2.6端口，由單片機(jī)提供控制脈沖時(shí)鐘信號(hào);CS為片選端口，低電平有效，接入單片機(jī)P2.7口，單片機(jī)輸出低電平使能串行接口后，可在SO引腳上讀取數(shù)據(jù)。MAX6675的工作電源為5V，在電源端附近放置一個(gè)0.1μF的陶瓷電容，可減少電源耦合噪聲的影響，提高測量的精度。
 
2.3控制器單元
　　系統(tǒng)控制器的功能主要為按鍵檢測、溫度預(yù)設(shè)、對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)度計(jì)算并判斷，發(fā)出控制和報(bào)警信號(hào)，顯示實(shí)時(shí)溫度等。控制器單元選用高速單片機(jī)，是一種低功耗、性能高的CMOS8位微控制器。該控制器外部有40個(gè)引腳，通用I/O口32個(gè)，內(nèi)部含有3個(gè)16位可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器，8k字節(jié)Flash,512字節(jié)RAM，可支持ISP在系統(tǒng)可編程/IAP在應(yīng)用可編程工作，工作溫度范圍為40C~+85°CI6]，抗干擾性強(qiáng)，加密性好，低功耗，使用簡單方便，能滿足一般系統(tǒng)控制的要求。
　　當(dāng)溫度控制系統(tǒng)_上電運(yùn)行時(shí)，STC89C52RC單片機(jī)首先對(duì)外部按鍵信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，可先設(shè)定初始溫度，然后開始啟動(dòng)測量，對(duì)電熱爐內(nèi)溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，經(jīng)過相應(yīng)的濾波處理和轉(zhuǎn)換計(jì)算后，若當(dāng)前實(shí)時(shí)測量溫度低于預(yù)設(shè)溫度值時(shí)，控制器輸出信號(hào)控制繼電器電路導(dǎo)通，接通電熱爐內(nèi)加熱模塊進(jìn)行加熱，同時(shí)點(diǎn)亮指示燈指示正加熱狀態(tài);若當(dāng)前實(shí)時(shí)測量溫度達(dá)到或高于預(yù)設(shè)溫度值時(shí)，控制器輸出信號(hào)切斷繼電器電路，停止電熱爐繼續(xù)加熱，使電熱爐爐溫始終保持在一個(gè)恒定狀態(tài)，此時(shí)指示燈指示停止加熱狀態(tài)。
2.4繼電器控制
　　在現(xiàn)代自動(dòng)控制設(shè)備中，若要使用單片機(jī)來控制不同電壓或較大電流的負(fù)載，可通過繼電器來控制。繼電器一方面能夠控制電氣電路中的執(zhí)行元件，另一方面可以為電氣電路提供良好的隔離，保護(hù)人身和電路的安全。
　　由于系統(tǒng)研究的控制對(duì)象為電熱爐，為大電壓負(fù)載，單片機(jī)需要控制電熱爐加熱模塊的電路通斷，因此設(shè)計(jì)繼電器驅(qū)動(dòng)控制輸出電路實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)控制選用歐姆龍G3MB交流固態(tài)繼電器(SSR)，固態(tài)繼電器是一種沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)、不含運(yùn)動(dòng)零件的繼電器，其特點(diǎn)是全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)元件，利用電子元器件的電磁和光特性來完成輸入和輸出的可靠隔離，利用大功率三極管、功率場效應(yīng)管、單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達(dá)到無觸點(diǎn)、無火花接通和斷開被控電路[7]。固態(tài)繼電器具有壽命長、可靠性高、靈敏度高、轉(zhuǎn)換快速、電磁干擾少等優(yōu)點(diǎn)。圖3為固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)控制電路，固態(tài)繼電器的3引腳、4引腳為輸入控制端，1引腳、2引腳為輸出端。圖中單片機(jī)P2.4口為控制信號(hào)輸出口，連接到晶體三極管基極，固態(tài)繼電器的輸入控制端連接到晶體三極管，當(dāng)單片機(jī)P2.4口輸出低電平控制信號(hào)時(shí)，晶體三極管導(dǎo)通，固態(tài)繼電器SSR通電，輸出端1、輸出端2從斷態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥☉B(tài)，接通電熱爐電路。
 
2.5系統(tǒng)硬件仿真設(shè)計(jì)圖
　　圖4為熱電偶溫度控制系統(tǒng)的硬件仿真原理圖。其中按.鍵輸入設(shè)置4個(gè)按鍵SB1、SB2、SB3、SB4。SB1為加熱啟動(dòng)/加熱停止的轉(zhuǎn)換控制按鍵，SB2為顯示當(dāng)前溫度/顯示預(yù)置溫度轉(zhuǎn)換控制按鍵，SB3為預(yù)置溫度加1"C控制，SB4為預(yù)置溫度減1"C設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，可按下按鍵SB3和SB4,單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的加一和減一程序功能，設(shè)定溫度預(yù)置值。圖中單片機(jī)的P2.4口連接三極管和繼電器電路，用來發(fā)出控制信號(hào)通斷加熱裝置;系統(tǒng)設(shè)計(jì)了8個(gè)LED燈指示電路，通過單片機(jī)的P1口進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)指示系統(tǒng)的各種狀態(tài)。采用四位數(shù)碼管顯示屏實(shí)時(shí)顯示溫度測量信號(hào)，測量信號(hào)由單片機(jī)PO口輸出，數(shù)碼管位選端由單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2和P2.3經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。
 
3系統(tǒng)軟件構(gòu)成
　　系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，使用C語言編寫相關(guān)程序。系統(tǒng)程序由主程序、數(shù)據(jù)測量處理子程序、按鍵控制子程序和LED數(shù)碼顯示子程序等幾部分構(gòu)成。
3.1主程序.
　　主程序主要對(duì)單片機(jī)I/O口、定時(shí)器中斷、數(shù)碼管顯示部分等進(jìn)行初始化設(shè)置。程序設(shè)置使用單片機(jī)的TO定時(shí)器中斷功能，設(shè)定定時(shí)工作模式1，定時(shí)時(shí)間為5000μS，直接啟動(dòng)功能。程序上電，四位數(shù)碼管先自檢，顯示“8888”字型;程序上電自檢后，定時(shí)掃描檢測按鍵輸入信號(hào)。若檢測到按鍵啟動(dòng)測溫，則調(diào)用數(shù)據(jù)測量子程序執(zhí)行溫度測量，單片機(jī)對(duì)獲得的測量信號(hào)進(jìn)行標(biāo)度變換計(jì)算，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值;當(dāng)測量溫度值未達(dá)到預(yù)置溫度時(shí)，從單片機(jī)P2.4口輸出低電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器電路接通電熱爐電源電路，開始對(duì)電熱爐進(jìn)行加熱。當(dāng)電熱爐加熱到一定程度，所測量溫度信號(hào)達(dá)到預(yù)置溫度時(shí)，單片機(jī)P2.4口輸出高電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器切斷加熱電路，停止對(duì)電爐繼續(xù)加熱。所測量溫度信號(hào)可以實(shí)時(shí)在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前溫度值。主程序流程圖如圖5所示。
 
 
3.2數(shù)據(jù)測量處理
　　系統(tǒng)采用的MAX6675芯片可以讀取熱電偶的輸入數(shù)據(jù)并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值由串行接口發(fā)送出去。其工作時(shí)序如圖6所示，當(dāng)CS由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，MAX6675芯片將停止轉(zhuǎn)換信號(hào)，在SCK時(shí)鐘脈沖下降沿時(shí)，從SO引腳上輸出數(shù)據(jù)。MAX6675芯片輸出一串完整的測量數(shù)據(jù)是16位數(shù)據(jù)，從最高位D15開始，到最低位D0，其中D15是一個(gè)假信號(hào)，輸出為0;D14~D3為相應(yīng)的12位溫度數(shù)據(jù)位;D2是一個(gè)標(biāo)志位，正常為0，當(dāng)熱電偶開路時(shí)則為1;D1是ID,通常為0。其中12位溫度數(shù)據(jù)量輸出的最小值為0，對(duì)應(yīng)模擬量溫度為0℃，輸出最大值為4095，對(duì)應(yīng)模擬量溫度為1023.75℃。
　　溫度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量處理子程序流程圖如7所示。系統(tǒng)啟動(dòng)測溫時(shí)，單片機(jī)將MAX6675芯片引腳CS由初始化狀態(tài)變換為低電平，使能MAX6675芯片，停止轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，同時(shí)在SCK引腳上輸入高電平脈沖信號(hào)，等待讀取SO引腳中的測量輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)SCK引腳輸出低電平，脈沖信號(hào)出現(xiàn)下降沿時(shí)，SO引腳上輸出一位數(shù)據(jù)，單片機(jī)循環(huán)產(chǎn)生16個(gè)脈沖信號(hào)，分別輸出16位測量數(shù)據(jù)。MAX6675讀取數(shù)據(jù)的相關(guān)程序段如下:
 
 
3.3按鍵控制程序
　　系統(tǒng)設(shè)置了4個(gè)功能按鍵SB1、SB2、SB3、SB4，采用定時(shí)中斷掃描檢測各個(gè)按鍵輸入信號(hào)。系統(tǒng)將SB1設(shè)定為一鍵控制加熱啟動(dòng)和加熱停止的功能，因此定義位變量.n，n=1時(shí)代表開始加熱狀態(tài)，n=0時(shí)代表開始停止加熱狀態(tài)，加熱啟動(dòng)后，不能更改預(yù)置溫度。SB2設(shè)定一鍵控制顯示當(dāng)前溫度和顯示預(yù)置溫度功能，定義位變量m表示狀態(tài)，m=1顯示預(yù)置溫度狀態(tài)，m=0顯示當(dāng)前溫度狀態(tài)。另外定義位變量bz1、bz2分別表示SB1、SB2閉合斷開的標(biāo)志位。按鍵控制程序相關(guān)程序段如下:
 
 
4結(jié)束語
　　在現(xiàn)代的工業(yè)控制系統(tǒng)中，溫度控制系統(tǒng)是較為常見的一種控制系統(tǒng)，介紹了一種利用熱電偶測溫的控制系統(tǒng)，采用了單片機(jī)完成系統(tǒng)控制，K型熱電偶進(jìn)行溫度信號(hào)采集，通過熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片MAX6675完成溫度信號(hào)的冷端補(bǔ)償、放大和轉(zhuǎn)換等處理。該系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)測量顯示溫度和當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)指示功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，經(jīng)硬件軟件聯(lián)合調(diào)試測試，系統(tǒng)操作方便、性能較穩(wěn)定，滿足測溫要求，可應(yīng)用于簡易的工業(yè)測溫等領(lǐng)域中，具有一定的應(yīng)用前景。