基于K型熱電偶的中低溫度測量系統

摘要:溫度在工業領域應用非常廣泛,而一般的溫度傳感器測量范圍較窄,只能實現低溫測量。K型熱電偶是國內外儀器儀表行業中最常見的一-種測溫元件。本系統通過K型熱電偶傳感器對溫度信號進行采集,MAX6675芯片對信號變換后,通過SPI串行接口與STM32F103RCT6單片機進行通信,實現中低溫度的測量。為了實現較遠距離控制,通過紅外遙控模塊輸人對比溫度,當測量溫度大于或小于設定值時,進行聲光報警。通過實驗驗證，本系統具有較高的精度,能滿足中低溫度的測量。
　　溫度是一個非常基本的物理量,很多的物理量都與它有著密切的聯系,所以對溫度的正確測量以及精確的控制在農業和工業生產、人們的日常生活、科學研究方面都有著十分重要的意義以。目前，熱電偶傳感器是國內外儀器儀表行業中最常見的一種測溫元件,也是目前接觸式測溫領域中應用最為廣泛的一種熱電式傳感器。
　　K型熱電偶作為一種主要的測溫元件,具有結構簡單、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點。但K型熱電偶應用時,卻存在著以下幾方面的問題。
1)非線性。熱電偶輸出熱電勢與溫度之間非線性，因此,應用時必須進行線性化處理。
2)冷補償]。熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持0℃時與測量端的電勢差值,而在實際應用中冷端的溫度是隨著環境溫度而變化的，故需進行冷端補償。
3)信號輸出。K型熱電偶輸出信號為模擬信號,為了方便與后續單片機電路相連,需要將模擬信號轉換成數字信號。
MAX6675[0]即是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、A/D轉換器及SPI串口的熱電偶放大器與數字轉換器。
1.系統設計
　　本設計以單片機STM32F103RCT6[6]為整個系統的核心,使用K型熱電偶傳感器對所測環境溫度信號進行采集,經轉換芯片MAX6675轉換后輸人給單片機處理。同時本設計還有報警功能,通過紅外遙控模塊HS0038輸入對比溫度值,與采集到的溫度進行比較并進行聲光報警,測得溫度通過液晶屏JLX12864顯示。系統結構如圖1所示。
 
2系統硬件設計
2.1K型熱電偶與MAX6675
　　MAX6675與熱電偶連接電路如圖2所示。
 
2.2紅外遙控傳感器
　　工業領域進行溫控時,需要設定參考溫度,當大于或者小于某個值時進行報警,而某些場合無法:使用按鍵輸人,本系統采用紅外遙控器輸人設定值。HS0038是--種紅外接收器,輸出的TTL信號可以被單片機接收到,它的電路如圖3所示。
 
2.3顯示電路
　　本設計的顯示屏選用比較常見的12864字符型液晶顯示。JLX12864液晶顯示屏是一種集數字顯示符號與字母顯示的顯示器,功耗低,具有很高的性價比。顯示電路如圖4所示
 
2.4報警電路
　　當檢測到的溫度在允許范圍內時，電路不報警;當檢測到的溫度超出設定的溫度值時，蜂鳴器響。蜂鳴器報警電路如圖5所示。
 
3系統軟件設計
　　系統的軟件部分采用C語言編寫,程序設計模塊化。本系統先從MAX6675芯片中讀取數據,并判斷熱電偶是否開路,然后將數據傳到單片機中進行處理,同時由紅外遙控傳感器輸人對比溫度值與采集到的溫度進行比較,并進行聲光報警。系統軟件主流程如圖6所示。
 
4實驗驗證
　　完成基于K型熱電偶的中低溫度測量系統的設計后,受實驗條件限制,在室內測量了不同條件下水和煙頭的溫度,并與0.1℃精度的水銀溫度計在10~70℃溫度范圍進行比對。測試結果如表1所示。在測試范圍內,相對誤差不超過0.2%。
 
結束語
　　本文以STM32F103RCT6單片機為整個系統的核心,通過K型熱電偶傳感器對溫度信號進行采集,通過MAX6675芯片對信號進行放大、冷端補償等處理，完成溫度的獲取。本系統還有報警功能，通過紅外遙控模塊輸人對比溫度值,與采集到的溫度進行比較并進行聲光報警,顯示當前溫度值和設定溫度值。該系統結構簡單,抗干擾能力強，測量精度高,測量溫度范圍廣,設定溫度值采用紅外遙控形式輸人，可以實現非接觸設定。經實際測試表明,本設計測量溫度的范圍較寬,能實現中低溫度的測量,精度較高,相對誤差小于0.2℃。