基于K型熱電偶的多路溫控系統(tǒng)的研究

[摘要]對(duì)多種高溫測(cè)量與控制系統(tǒng)進(jìn)行了比較研究,設(shè)計(jì)了一種基于K型熱電偶的多路溫度采集與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由以S3C2440ARM9芯片為核心的上位機(jī)和以C8051F020單片機(jī)為核心的下位機(jī)構(gòu)成。上位機(jī)用于人機(jī)界面交互并通過(guò)Modbus串行通信協(xié)議控制下位機(jī)工作。下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令執(zhí)行相應(yīng)的溫度采集動(dòng)作并根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的預(yù)設(shè)溫度曲線參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的PID參數(shù)控制發(fā)熱模塊加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)測(cè)溫范圍大測(cè)溫精度高系統(tǒng)穩(wěn)定性好能很好的滿足各種工業(yè)溫控需要。
1引言
　　在電子裝配、冶金、機(jī)械制造、化工等工業(yè)領(lǐng)域高溫(如1000℃)測(cè)量是一個(gè)經(jīng)常性的課題溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的工藝參數(shù)之一。溫度測(cè)控系統(tǒng)的質(zhì)量經(jīng)常成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵因素。溫度測(cè)量方式一般分為接觸式和非接觸式兩類。非接觸式測(cè)溫通過(guò)熱輻射原理測(cè)量溫度受物體的發(fā)射率、測(cè)量距離煙塵和水氣等外界因素的影響其測(cè)量誤差較大。接觸式測(cè)溫系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單.運(yùn)行相對(duì)可靠.且測(cè)量精度較高。在高溫測(cè)量領(lǐng)域接觸式測(cè)量比較常用的測(cè)溫元件有基于力學(xué)原理的玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)和基于電學(xué)原理的熱電阻和熱電偶等'2。比較而言采用熱電阻和熱電偶的溫控系統(tǒng)測(cè)控電路簡(jiǎn)單測(cè)溫范圍大能長(zhǎng)時(shí)間的自動(dòng)運(yùn)行。采用廉價(jià)的K型(鎳鉻鎳硅)熱電偶的溫控系統(tǒng)相比采用其它型號(hào)熱電偶或熱電阻的溫控系統(tǒng)而言成本更低適用范圍更廣。設(shè)計(jì)-套帶有友好的人機(jī)界面的、溫控效果好、價(jià)格便宜.方便攜帶、具有很好的移植性的溫控系統(tǒng)很有必要。選用K型熱電偶比較了溫度轉(zhuǎn)換芯片MAX6675和AD595的測(cè)溫效果,設(shè)計(jì)了一套帶LCD驅(qū)動(dòng)顯示的溫控系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)在32位的實(shí)時(shí)嵌入式窗口操作系統(tǒng)windowsCE5.0下能高效穩(wěn)定的運(yùn)行。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1k型熱電偶測(cè)溫的原理
　　兩種不同的導(dǎo)體組成的閉合回路就構(gòu)成了熱電偶,兩種不同材質(zhì)導(dǎo)體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì)同一導(dǎo)體當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)兩者珈即為電偶回路總熱電動(dòng)勢(shì)"。電偶回路總熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T,Tr)可用式(1)表示。
 
　　式中T,To-熱端和冷端溫度SAB---賽貝克系數(shù)其大小取決于熱電極材料的相對(duì)特性。
　　對(duì)K型熱電偶當(dāng)溫度變化1℃時(shí)電壓變化為41μV。因
　　此K型熱電偶的電壓-溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系如式(2)所示。由公式可知,T。確定時(shí)能測(cè)得EAB(T,T0)則可求得T。通常將工作端置于被測(cè)溫度場(chǎng)中,自由端通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線連入測(cè)控電路。為了簡(jiǎn)化測(cè)量電路選用集成了測(cè)量T0溫度功能的溫度轉(zhuǎn)換芯片即集成了熱電偶的冷端補(bǔ)償電路的溫度轉(zhuǎn)換芯片。
2.2系統(tǒng)構(gòu)成
　　設(shè)計(jì)的系統(tǒng)上位機(jī)采用的是一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式微處理器S3C2440,該處理器主要面向手持式設(shè)
　　備以及高性價(jià)比、低功耗方面的應(yīng)用。人機(jī)界面采用帶觸摸屏的8英寸LCD。下位機(jī)的核心采用的是集成混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片C8051F020。該單片機(jī)運(yùn)行速度高(可達(dá)25MIPS)具有64個(gè)數(shù)字I0引腳片內(nèi)集成有ADC硬件支持PWM功能和兩路串口。溫控系統(tǒng)采用閉環(huán)控制。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
　　8路K型熱電偶放置于測(cè)溫點(diǎn),K型熱電偶產(chǎn)生的電壓信號(hào)傳遞給測(cè)溫電路進(jìn)行處理。測(cè)溫電路中的溫度轉(zhuǎn)換芯片將溫度值(對(duì)基于Max6675測(cè)溫方案)或放大后的電壓值(對(duì)基于AD595的測(cè)溫方案)傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理單片機(jī)在PID算法的控制下發(fā)出PWM信號(hào)控制固態(tài)繼電器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)熱芯加熱。S3C2440通過(guò)串行Modbus協(xié)議發(fā)送相應(yīng)的測(cè)溫、加熱指令給單片機(jī)定時(shí)讀回各測(cè)溫點(diǎn)的溫度值并圖形化顯示于LCD上。
3溫控電路的設(shè)計(jì)與比較
3.1模擬多路開(kāi)關(guān)的選擇
　　如果每一路測(cè)溫電路都采用各自的輸入回路,獨(dú)立的溫度轉(zhuǎn)換芯片、采放大濾波電路,不僅會(huì)使系統(tǒng)體積龐大急劇增加成本而且由于模擬器件阻容元件參數(shù)都具有一定的離散性這使得系統(tǒng)的校準(zhǔn)具有很大困難。因此系統(tǒng)并不是將K型熱電偶的冷端直接連接到溫度轉(zhuǎn)換芯片的輸入端。而是先將K型熱電偶的冷端連接到一模擬多路選擇開(kāi)關(guān)然后將模擬多路開(kāi)關(guān)的公共輸出端和接地端連接到溫度轉(zhuǎn)換芯片的輸入端。由于K型熱電偶的賽貝克系數(shù)只有41μ/℃為了保證測(cè)量精度模擬多路開(kāi)關(guān)的的選擇非常關(guān)鍵。對(duì)本系統(tǒng)而言主要需要考慮如下幾個(gè)指標(biāo)通道數(shù)N漏電流Is導(dǎo)通電阻Ron。由多路開(kāi)關(guān)所引起的電壓誤差Ud由公式(3)決定根據(jù)系統(tǒng)精度的需要選擇了-款某公司生產(chǎn)的8通道的低泄漏(0.01nA)低導(dǎo)通電阻(4.50)的模擬多路開(kāi)關(guān)Max47818。Ud≈NxIsxRon(3)
3.2基于Max6675測(cè)溫電路設(shè)計(jì)
　　目前比較常用的兩種K型熱電偶的測(cè)溫芯片是Max6675和AD595。Max6675價(jià)格比較便宜帶有冷端溫度補(bǔ)償線性校正、熱電偶斷線檢測(cè)等功能。芯片手冊(cè)注明其測(cè)溫范圍為(0~1023.75)C溫度分辨能力為0.125℃在(0~700)℃范圍內(nèi)溫度測(cè)試誤差不大于8LSB.冷端補(bǔ)償范圍為(-20~+85)℃工作電壓(+3.0-+5.5)VH。其能將K型熱電偶上的電壓信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成12位的溫度量并通過(guò)SPI總線輸出。當(dāng)輸出的12位數(shù)據(jù)都為0時(shí)表示溫度為0℃當(dāng)輸出全為1時(shí)表示溫度為(+1023.75)℃。
 
式中N--MAX6675輸出的讀數(shù)。
　　基于MAX6675溫度轉(zhuǎn)換芯片的測(cè)溫原理圖如圖2所示。
 
　　C8051F020集成了標(biāo)準(zhǔn)SPI總線接口,同時(shí)也可以通過(guò)普通I0口模擬SPI總線時(shí)序,與MAX6675進(jìn)行通信。C8051F020的P3.2.P33、P3.4用于選擇模擬多路開(kāi)關(guān)接通的通道。為測(cè)試該測(cè)溫電路的質(zhì)量需要進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定的原理是采用一塊標(biāo)定用溫度表,該表能線性的輸出某一溫度下K型熱電偶回路對(duì)應(yīng)所產(chǎn)生的電壓值該電壓通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線輸入到一個(gè)溫度采集通道C8051F020通過(guò)串口將溫度值輸出。比較標(biāo)定表設(shè)定的溫度值和C8051F020輸出的溫度值就可對(duì)測(cè)溫電路進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)溫電路的溫度偏差較大達(dá)8℃數(shù)據(jù)跳動(dòng)為(±1)℃。經(jīng)分析這主要是因?yàn)镸AX6675芯片上存在缺陷所造成的其將芯片的溫度當(dāng)做K型熱電偶冷端的溫度而芯片體積比較小由于電路板發(fā)熱、芯片自身發(fā)熱使得芯片的溫度比K型熱電偶冷端的實(shí)際溫度要高由此引入較大的誤差。進(jìn)-步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)為　　　MAX6675芯片增散熱片實(shí)行風(fēng)冷時(shí)其測(cè)量結(jié)果有所改善但溫度偏差依舊達(dá)5℃。因此基于MAX6675溫度轉(zhuǎn)換芯片的測(cè)溫電路其測(cè)量精度比較低只能用于一些測(cè)量溫度比較高但精度要求不是很嚴(yán)格的場(chǎng)合。
3.3基于AD595的測(cè)溫電路
　　AD595是某公司生產(chǎn)的一款熱電偶放大器,它集成了運(yùn)算放大和熱電偶冷端補(bǔ)償功能。為了減少因芯片自身發(fā)熱引|起的測(cè)量誤差A(yù)D595采用了低能耗設(shè)計(jì),一個(gè)無(wú)負(fù)載的AD595的總工作電流是160μA,帶負(fù)載工作時(shí)也只會(huì)參數(shù)額外的5mA的電流同時(shí)AD595使用了低熱阻抗的封裝。AD595能夠用一個(gè)單端電壓供電對(duì)供電電壓要求并不嚴(yán)格。如果用負(fù)電壓則可以測(cè)量0C以下的溫度。AD595通過(guò)激光微調(diào)來(lái)與K型熱電偶特性相匹配計(jì)算了冷端溫度并經(jīng)過(guò)校正放大后將熱電偶的電壓直接轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生-個(gè)10mVPC的輸出。K型熱電偶的賽貝克系數(shù)為41μV/°C,因此AD595的放大倍數(shù)為247.3(10mVPC除以41μV/C)。為了保證在259C時(shí)的輸出電壓為250mV,熱電偶的輸入電壓經(jīng)過(guò)了校正校正系數(shù)為11μV。熱電偶的輸入電壓VK與AD595的輸出電壓Vout如式(5)所示為Vout(VA+11μV)x247.3(5)
　　由K型熱電偶的特性可知K型熱電偶的輸出電壓并不完全正比于冷熱端溫度差但在一個(gè)小的溫度變化范圍內(nèi)(比如10C或209C可根據(jù)K型熱電偶的溫度電壓特性曲線分段選取)仍然可以線性化處理。這樣當(dāng)獲得AD595的輸出電壓Vout后按公式(5)求出熱電偶的輸入電壓VK然后線性插值就可求得K型熱電偶的測(cè)試端溫度值。C8051F020內(nèi)部含有片內(nèi)12位SARADC(ADC0),-個(gè)9通道輸入多路選擇開(kāi)關(guān)和可編程增益放大器。該ADC工作在100ksps的最大采樣速率時(shí)可提供真正的12位精度INL為(+1)LSB?；贏D595的測(cè)溫電路示意圖如圖3所示。
 
　　8路k型熱電偶的輸出端分別接到兩片MAX4781多路開(kāi)關(guān)的輸入引腳_上。多路開(kāi)關(guān)的輸出腳連接到AD595的輸入弓腳。AD595采用+12V單路供電經(jīng)過(guò)AD595處理后的信號(hào)從AD595的第9腳輸出。AD595的輸出的電壓經(jīng)過(guò)兩級(jí)運(yùn)算放大器濾波放大(放大系數(shù)為13)處理后輸出到單片機(jī)C8051F020第18腳AIN0.0,即C8051F020內(nèi)部12ADC的輸入弓|腳。單片機(jī)將采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后插值求得溫度值。由于溫度量是一個(gè)緩慢變化量,因此在數(shù)據(jù)采集的時(shí)候可以一次采集10組數(shù)據(jù)然后經(jīng)過(guò)將最大值與最小值的平均值作為某時(shí)刻該路K電偶的測(cè)溫結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該測(cè)溫電路的測(cè)溫精度能達(dá)到±1℃能滿足系統(tǒng)的測(cè)溫需要。
3.4加熱模塊設(shè)計(jì)
　　溫控系統(tǒng)的控制對(duì)象為兩個(gè)紅外加熱器和一個(gè)電阻絲加熱器。可以通過(guò)PWM方式調(diào)節(jié)加熱模塊的輸出功率。為減小外界對(duì)溫控系統(tǒng)的干擾,采用光耦將驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)的輸出口隔離。單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)一-級(jí)光耦隔離輸出到固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器的輸入控制端工作電壓為24V輸出端工作為220V交流電。一路的加熱電路如圖4所示。
 
　　光耦的第二個(gè)弓|腳連接到單片機(jī)的P3.4腳。加熱模塊與基于AD595的加熱模塊構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),系統(tǒng)采用PID算法進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。
4軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)中,下位機(jī)與下位機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口連接為保證通信質(zhì)量采用了工業(yè)領(lǐng)域最流行的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議Modbus。S3C2440與C8051F020都集成有標(biāo)準(zhǔn)的串口,這使得上位機(jī)與下位機(jī)通信比較簡(jiǎn)單。.上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境是windowsce5.0,開(kāi)發(fā)工具是eMebeddedVisualC++。上位機(jī)軟件主要需要實(shí)現(xiàn)加熱溫度曲線的設(shè)置與管理溫度參數(shù)的發(fā)送溫度狀態(tài)的監(jiān)控。要實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，上位機(jī)還需要實(shí)現(xiàn)Modbus主站協(xié)議。整個(gè)上位機(jī)軟件結(jié)果如圖5所示。
 
　　在人機(jī)交互界面中用戶設(shè)定相應(yīng)的溫度曲線參數(shù)或直接調(diào)用系統(tǒng)中已經(jīng)儲(chǔ)存的溫度曲線參數(shù)然后操作相應(yīng)的加熱溫度采用、溫度顯示按鈕。根據(jù)用戶發(fā)出的命令相應(yīng)的溫度參數(shù)設(shè)定或溫度監(jiān)控模塊會(huì)調(diào)用Modbus協(xié)議棧函數(shù)Modbus協(xié)議棧函數(shù)然后通過(guò)調(diào)用底層的串C驅(qū)動(dòng)把Modbus命令通過(guò)RS232串口發(fā)送出去并接受下位機(jī)的相應(yīng)的應(yīng)答。Modbus處理完下位機(jī)的應(yīng)答信號(hào)然后返回給溫度參數(shù)設(shè)定或溫度監(jiān)控模塊處理并最終顯示在用戶界面上。下位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)Modbus從站協(xié)議與上位機(jī)通信。由于C8051F020單片機(jī)片上串口功能定時(shí)器功能都很完備這使得下位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)得以簡(jiǎn)化。下位機(jī)的主流程圖和串口中斷流程如圖6所示。
 
　　另需一個(gè)定時(shí)中斷里面進(jìn)行根據(jù)設(shè)定的參數(shù)和采得的溫度值進(jìn)行PID調(diào)節(jié),根據(jù)PID算法的結(jié)果去調(diào)節(jié)相應(yīng)的加熱通道的PWM波形,從而實(shí)現(xiàn)加熱系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
5結(jié)論
　　比較了兩種測(cè)溫電路的性能,分析測(cè)溫誤差產(chǎn)生的主要原因,并給出了一種AD595測(cè)溫電路數(shù)據(jù)處理的方法,最后將AD595的測(cè)溫電路應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)中。最后實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)加ARM的溫控系統(tǒng)溫度控制精度達(dá)(±1)℃能實(shí)時(shí)的將溫度值顯示于LCD.上,并能存儲(chǔ)于flash文件中。充分的利用了WindowsCE操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高和圖形設(shè)備接[功能強(qiáng)大的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的采集控制界面方便用戶操作。系統(tǒng)成本比較低方便攜帶系統(tǒng)具有很強(qiáng)的移植性能很方便的移植滿足于不同的工業(yè)生產(chǎn)需要。