基于max6675的分布式温度测量系统设计

宜城龙山 发表于 2023-10-26 10:36

<div class='showpostmsg'> 本帖最后由宜城龙山于 2023-10-26 11:09 编辑

基于max6675的分布式温度测量系统设计

 

热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。但是将热电偶自身存在以下不足：①非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，故在应用时须进行线性化处理。②冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0℃时与测量端的电势差值，实际应用时冷端的温度会随着环境温度的变化而变化，因此需进行冷端补偿。③输出量值小：热电偶的输出为模拟小信号，通常在mv量级，不能直接与MCU连接，需经线性放大后经AD转换后输入到MCU进行处理。因此，在工业应用中通常做法是：先将热电偶的输出信号经运放对信号放大、A/D转换送入MCU，在使用分段查表线性化、温度补偿等软件处理后，能获得所需的结果，不仅软硬件设计复杂，而且系统误差较大，给一般使用者带来较大的难度。工程开发人员迫切需求一款集信号采集放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能的热电偶温度转换单芯片。

ADI公司推出的MAX6675即是一款集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换及SPI串口通信的热电偶温度转换芯片。

1、性能特点

MAX6675的主要特性如下：

<ul>
<li>通信接口：SPI串行口输出温度值</li>
<li>测温范围：0℃～+1024℃</li>
<li>分辨率：12位，0.25℃</li>
<li>冷端补偿：片内</li>
<li>输入方式：高阻抗差动</li>
<li>电源电压：单一+5V</li>
<li>工作温度范围：-20℃～+85℃</li>
<li>ESD：2000V</li>
<li>具有热电偶断线检测功能</li>
</ul>

该器件采用8引脚SO帖片封装。引脚排列如图1所示，引脚功能如表1所列。

 

<div style="text-align: center;">
<div style="text-align: center;"></div>

图1 MAX6675 引脚图
</div>

表1 MAX6675 引脚功能

<table align="center" style="border-collapse:collapse; border:none">
<tbody>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:1px solid black; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
序号
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:1px solid black; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
名称
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:1px solid black; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
功   能
</td>
</tr>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
1
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
GND
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
接地端
</td>
</tr>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
2
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
T-
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
K型热电偶负极
</td>
</tr>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
3
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
T+
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
K型热电偶正极
</td>
</tr>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
4
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
VCC
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
电源正
</td>
</tr>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
5
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
SCK
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
时钟信号输入端
</td>
</tr>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
6
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">


 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
片选信号，
为低时启动串行口

 
</td>
</tr>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
7
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
SO
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
串行数据输出端
</td>
</tr>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
8
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
N.C.
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
空引脚
</td>
</tr>
</tbody>
</table>

2、工作原理

MAX6675的内部结构如图2所示。内部主要由信号调节放大器(A1、A2)、12位的模拟/数字转换器(ADC)、冷端补偿传感和校正(COLD_JUNCTION COMPENSATION DIODE)、数字控制器(DIGTAL CONTROLLER)、1个SPI兼容接口及相关的逻辑控制。

 

<div style="text-align: center;">
<div style="text-align: center;"></div>

图2 MAX6675 内部结构图
</div>

 

2.1 温度变换

MAX6675的T+和T-输入端连接到低噪声放大器A1，以保证检测输入的高精度，同时可起到将热电偶连接导线与干扰源隔离的作用。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大，再经过A2电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。在将温度电压值转换为对应的温度值之前，需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。对于K型热电偶，电压变化率为41μV/℃，输出电压可由下面的线性公式来近似热电偶的输出电压值：

Vout=41×(tR-tAMB)

上式中，Vout为热电偶输出电压（mV），tR是测量点温度；tAMB是周围温度。

2.2 冷端补偿

热电偶是通过检测热、冷两端温度的差值，其节点温度可在0℃～+1023.75℃范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，其温度变化范围在-20℃～+85℃内。当冷端温度波动时，需要通过补偿来消除检测误差。

MAX6675是通过内部的温度检测二极管将周围温度转换为温度补偿电压，并与电偶电压一起送到ADC中转换，以计算热电偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675可获得最佳的测量精度。因此在实际测温应用时，应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。

2.3 噪声补偿

MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声影响，可在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1μF陶瓷旁路电容。

2.4 SPI串行接口

MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与MCU接口如图3所示，且MAX6675只能作为从设备。MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图4所示，MAX6675 SPI接口时序如图5所示。依据MAX6675手册可知，MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：MCU使CS变低并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。CS变低将停止任何转换过程；CS变高将启动一个新的转换过程。一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读16个输出位，第1位和第15位是一伪标志位，并总为0；第14位到第3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；第2位一般为低，当热电偶输入端开路时为高，因此，可依据该位检测热电偶输入端是否开路；第1位为低以提供MAX6675器件身份码，第0位为三态。

<div style="text-align: center;"></div>

图3 MAX6675 与MCU连接示意图

 

<table style="border-collapse:collapse; border:none">
<tbody>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:1px solid black; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
位
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:1px solid black; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
空标志位
</td>
<td colspan="12" style="border-bottom:1px solid black; border-top:1px solid black; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
12位温度值
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:1px solid black; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
热电偶输入
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:1px solid black; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
设备身份
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:1px solid black; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
状态
</td>
</tr>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
位
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
15
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
14
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
13
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
12
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
11
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
10
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
9
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
8
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
7
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
6
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
5
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
4
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
3
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
2
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
1
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
0
</td>
</tr>
<tr>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:1px solid black" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
0
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
MSB
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
LSB
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
<td style="border-bottom:1px solid black; border-top:none; border-right:1px solid black; border-left:none" valign="top">
 
</td>
</tr>
</tbody>
</table>

图4 MAX6675 SO端输出数据的格式

<div style="text-align: center;"></div>

图5 MAX6675 SPI接口时序

3、测温应用

下面给出MAX6675应用于嵌入式系统的具体方法。我们在实际开发应用过程中，需要进行多点温度测量，考虑到系统测量误差的一致性，这里我们选择多路开关控制测量端热电偶的接入，变换电路采用单片MAX6675，主控MCU选择沁恒CH32V307VCT6，图6给出MAX6675与MCU构成的测温电路，及相应的温度值读取、转换程序。

MAX6675与CH32V307VCT6 MCU的接口电路如图6所示。

<div style="text-align: center;"></div>

<div style="text-align: center;"></div>

图6  MAX6675与CH32V307VCT6 MCU的接口电路图

 

<div>本例使用CH32V307VCT6 MCU的SPI1总线接口与MAX6675进行通信，PA5为SPI1的串行时钟输出端(SCK)，PA6为SPI1的串行数据输入端(MISO), PA4为MAX6675的片选信号(</div>

)，TCS0、TCS1、TCS2为多路开关的选择信号，000~111分别对应1~8号热电偶。由于涉及到一些商业问题，图中仅给出MAX6675的信号连接部分，请谅解。

 

下面给出相应的温度值读取程序及数据转换程序。SPI_MAX6675_Init()为SPI1端口初始化函数，MAX6675_ReadByte()为读SPI端口数据函数，Get_max6675temp()为温度读取转换函数。程序运行结果如图7。

<div style="text-align: center;"></div>

图7 运行结果

4 总结

由以上实例，我们可以看出，MAX6675具有电路设计简单、使用方便、可扩展性好等特点，但我们也应该看到MAX6675也有自身的不足，单此转换时间较长，按照手册说明要求，转换时间大于0.2S。因此，对于一些高速场景不太适合。整体来说，MAX6675是一款高性价比的K型热电偶温度转换芯片。

 

<pre>
<code>MAX6675_SP.c

#include <MAX6675_SP.h>

#include "stdio.h"

#include "ch32v30x.h"

max6675_read Read_max6675_temp;

uint8_t MAX6675_ReadByte(uint8_t cc);

//MAX6675初始化

void SPI_MAX6675_Init(void)

{

 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

 SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

 /* 使能 SPI1 时钟 */

 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);

 /* ---------通信I/O初始化----------------

 * PA5-SPI1-SCK :MAX6675_SCK

 * PA6-SPI1-MISO:MAX6675_SO

 * PA7-SPI1-MOSI:MAX6675_SI

 */

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;

 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;

 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用输出

 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

 /* ---------控制I/O初始化----------------*/

 /* PA4-SPI1-NSS:MAX6675_CS */ // 片选

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;

 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;

 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推免输出

 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

 GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); // 先把片选拉高，真正用的时候再拉低

 /* SPI1 配置 */

 SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;

 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;

 SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;

 SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;

 SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;

 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;

 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8;

 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;

 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;

 SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

/* 使能 SPI1 */

 SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

 printf("max6675 Init Ok! \r\n");

}

//读数据

uint8_t MAX6675_ReadByte(uint8_t cc)

{

 while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);

 SPI_I2S_SendData(SPI1, 0xff);

 while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);

 return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);

}

//读温度

/*

********************************************************************************

** @name ： Get_max6675temp

** @函数功能：获取MAX6675读取的热电偶的值

** @函数说明：K型热电偶读取函数

** @输入参数：K型热电偶读取函数

** @输出参数：成功返回TRUE 否者热电偶

********************************************************************************

*/

float Get_max6675temp()

{

 uint8_t c=0x00,flag;

 u16 i,t;

 float temprature;

 Read_max6675_temp.readtemp_timer = 0;

 MAX6675_CSL();

 c = MAX6675_ReadByte(c);

 i = c;

 i = i<<8;

 c = MAX6675_ReadByte(c);

 MAX6675_CSH();

 i = i|c; //i是读出来的原始数据

 flag = i&0x04; //flag保存了热电偶的连接状态

 t = i>>3;

 temprature =(float)1023.75*t/4096;

 if(i!=0) //max6675有数据返回

 {

 if(flag==0) //热电偶已连接

 {

 printf("temperature: %4.2f \r\n",temprature);

 }

 }

 else //max6675没有数据返回

 {

 printf("The thermocouple is not connected\r\n");

 }

 return temprature;

}

</code></pre>

<pre>
<code>MAX6675_SP.h

#ifndef _MAX6675_H

#define _MAX6675_H

#include "stdio.h"

#define MAX6675_CS_PORT GPIOA

#define MAX6675_CS_PIN GPIO_Pin_4

#define MAX6675_CSL() GPIO_ResetBits(MAX6675_CS_PORT, MAX6675_CS_PIN)

#define MAX6675_CSH() GPIO_SetBits(MAX6675_CS_PORT, MAX6675_CS_PIN)

void SPI_MAX6675_Init(void);

float Get_max6675temp();

#endif</code></pre>

 

 
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