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基于Proteus的Arduino学习笔记08-MAX6675与热电偶高温测量的实现

2013-05-27 15:42阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1647970383

在上一节的学习笔记《DS18B20与数字式温度测量的实现》中，我们学会使用数字式温度传感器DS18B20，通过单总线实现了温度的测量，下面我们接着上一节的学习笔记，继续下面的学习，这次我们使用热电偶和MAX6675实现高温测量，并且串口输出温度测量值。
一、热电偶工作原理
两种不同成份的导体两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。
热电偶就是利用热点效应原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
热电偶的实物如图1所示。
基于Proteus的Arduino学习笔记08-MAX6675与热电偶高温测量的实现

图1 热电偶实物图
热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：
1、热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；
2、热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；
3、当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这时候的热电偶热电势仅是工作端温度的单值函数。
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流。
二、MAX6675工作原理
根据热电偶测温原理，热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，需要测量出冷端温度，从而才能准确地测量出真实的温度。下面将介绍集成冷端补偿的芯片MAX6675。
MAX6675是MAXIM公司的K型热电偶串行模数转换器，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出功能。
MAX6675内部集成有冷端补偿电路；带有简单的3位串行SPI接口；可将温度信号转换成12位数字量，温度分辨率达0.25℃；内含热电偶断线检测电路。冷端补偿的温度范围-20℃～80℃，可以测量0℃～1023.75℃的温度。 MAX6675为SO-8脚封装，工作电压为+5V直流电压，功耗为47.1mW，电流为50mA，适用于体积不大，不利散热的装置条件下使用，其引脚图如图2所示。其中SO为SPI串行输出端口引脚； CS为片选信号；SCK为串行时钟输入；T+、T-分别接热电偶的测量端和冷端。
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图2 MAX6675引脚图
首先，我们需要proteus仿真里面添加K型热电偶和MAX6675，在元器件搜索栏中输入“TCK”和“MAX6675”，并添加至元器件选择栏中，如图3和4所示。然后，并将K型热电偶的红色端和蓝色端分别接至MAX6675的T+(2脚)和T-(3脚)，MAX6675的SO、SCK、CS分别接至Arduino UNO的数字口8、9、10，热电偶仿真图如图5所示。最后点击MAX6675，设置冷端温度为25℃。如图6所示。
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图3 添加K型热电偶
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 图4 添加AMX6675
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图5 热电偶仿真图
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图6 设置冷端补偿温度
Arduino代码清单：
#include 'Max6675.h'
Max6675 ts(8, 9, 10);
// Max6675 module: SO on pin #8, SS on pin #9, CSK on pin #10 of Arduino UNO
// Other pins are capable to run this library, as long as digitalRead works on SO,
// and digitalWrite works on SS and CSKl
void setup()
{
ts.setOffset(0);
// set offset for temperature measurement.
// 1 stannds for 0.25 Celsius
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
Serial.print(ts.getCelsius(), 2);
Serial.print(' C / ');
Serial.print(ts.getFahrenheit(), 2);
Serial.print(' F / ');
Serial.print(ts.getKelvin(), 2);
Serial.print(' K');
delay(3000);
}
编译成功之后，导入proteus仿真软件进行仿真。通过调节K型热电偶的温度值，可以看到串口输出的温度数值，串口输出的温度值为热电偶的温度+MAX6675中设置的冷端温度。【注】冷端温度为25℃，热电偶温度为240℃、49℃的仿真图如图7、8所示。
【注】由于仿真环境为理想环境，传感器为理想模型，仅能验证能否对传感器进行读写操作，初步地验证程序的正确性。实际测量过程中，测量温度与实际温度会有一定的误差，误差大小和传感器、环境等都有关系。


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图7 热电偶为240℃时的仿真图
基于Proteus的Arduino学习笔记08-MAX6675与热电偶高温测量的实现
图8 热电偶为49℃时的仿真图
最后奉上视频

参考文献：
文献1：http://arduino.cc/

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