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，熱電偶廣泛應用于溫度測量，文章針對工業(yè)過程測量溫度高、難控制的特點，介紹一種熱電偶溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的溫度信號檢測采用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，通過控制可以實現(xiàn)實時測量、溫度顯示和恒溫控制等功能。經(jīng)實踐，該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，滿足實際的測量要求。
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，對這些溫度信號的精準測量和控制對于生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定有著重要作用。如鍋爐爐膛溫度，如果過高會導致鍋爐過熱器結(jié)焦事故，嚴重時使過熱器出現(xiàn)堆渣，堵塞過熱器各管屏之間的空隙，使爐膛負壓升高，鍋爐無法滿負荷運行。因此準確及時地獲取溫度信號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，可以廣泛應用于環(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)采用單片機為控制核心，以電熱爐溫度作為研究控制對象，配合按鍵控制、顯示器和繼電器等控制電路，可以實現(xiàn)對電熱爐溫度的實時測量、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象，采用熱電偶傳感器對電熱爐爐溫進行數(shù)據(jù)測量，熱電偶采集的模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行放大處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，然后把數(shù)字量送入單片機控制器，單片機經(jīng)過數(shù)據(jù)標度計算后得到實測爐溫的溫度值，并送數(shù)碼管輸出顯示，同時將實測溫度值與預設值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果發(fā)出相應控制信號驅(qū)動繼電器電路，接通或切斷電熱爐加熱模塊，從而實現(xiàn)電熱爐的恒溫控制。另外在系統(tǒng)運行時可通過LED燈指示系統(tǒng)的各個運行狀態(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種標準化熱電偶,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、價格貴、靈敏度低;EA-2型熱電偶熱電勢大、價格便宜，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，價格便宜引，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)自動化控制中最常用的一種熱電偶。K型熱電偶在使用時，需要注意以下問題。
(1)冷端補償。從K型熱電偶的熱電效應原理可知，熱電偶測溫時產(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，當參考端溫度恒為0℃時，可以由K型熱電偶分度表獲得工作端溫度值。但在實際應用場合中，熱電偶的參考端通常靠近被測對象，常會受到周圍環(huán)境溫度的影響B(tài)3l，不可能恒為0℃，為此，必須對熱電偶采取冷端補償措施。
熱電偶常用的冷端溫度補償?shù)姆椒ㄓ斜》?、電橋補償法等。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℃,這種方法適合在實訓室及精密測量中使用，在工業(yè)現(xiàn)場難以達到要求。電橋補償法是指在測溫電路中加入補償電橋電路，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因參考端波動引起的熱電勢的變化，但是這種方法需要在硬件設計時加入補償電橋電路，增加電路復雜度，調(diào)試較為麻煩。.
(2)信號輸出轉(zhuǎn)換。根據(jù)熱電效應，熱電偶的測量輸出信號為微弱的熱電動勢模擬信號，為了將輸出信號送入控制器進行下一步處理，需要將輸出模擬信號進行放大處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
(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型熱電偶模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。MAX6675芯片的精度為12位，溫度分辨能力為0.25℃.冷端補償范圍為-20~+85℃，工作電壓為3.0V~5.5V。當熱電偶冷端的溫度變化時，MAX6675可通過內(nèi)置的冷端補償電路來進行溫度補償和修正,同時MAX6675內(nèi)部集成的非線性校正電路、斷線檢測電路、信號放大電路都可以很好地解決K型熱電偶在實際使用中的問題,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型熱電偶負極;SO為轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)輸出端，與單片機的P2.5端口相連，由該端口將數(shù)據(jù)送入單片機進一步處理;SCK為串行時鐘輸入端，接入單片機的P2.6端口，由單片機提供控制脈沖時鐘信號;CS為片選端口，低電平有效，接入單片機P2.7口，單片機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、溫度預設、對采集到的信號進行標度計算并判斷，發(fā)出控制和報警信號，顯示實時溫度等?？刂破鲉卧x用高速單片機，是一種低功耗、性能高的CMOS8位微控制器。該控制器外部有40個引腳，通用I/O口32個，內(nèi)部含有3個16位可編程定時器計數(shù)器，8k字節(jié)Flash,512字節(jié)RAM，可支持ISP在系統(tǒng)可編程/IAP在應用可編程工作，工作溫度范圍為40C~+85°CI6]，抗干擾性強，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。
　　當溫度控制系統(tǒng)_上電運行時，STC89C52RC單片機首先對外部按鍵信號進行實時檢測，可先設定初始溫度，然后開始啟動測量，對電熱爐內(nèi)溫度信號進行實時檢測，經(jīng)過相應的濾波處理和轉(zhuǎn)換計算后，若當前實時測量溫度低于預設溫度值時，控制器輸出信號控制繼電器電路導通，接通電熱爐內(nèi)加熱模塊進行加熱，同時點亮指示燈指示正加熱狀態(tài);若當前實時測量溫度達到或高于預設溫度值時，控制器輸出信號切斷繼電器電路，停止電熱爐繼續(xù)加熱，使電熱爐爐溫始終保持在一個恒定狀態(tài)，此時指示燈指示停止加熱狀態(tài)。
2.4繼電器控制
　　在現(xiàn)代自動控制設備中，若要使用單片機來控制不同電壓或較大電流的負載，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，保護人身和電路的安全。
　　由于系統(tǒng)研究的控制對象為電熱爐，為大電壓負載，單片機需要控制電熱爐加熱模塊的電路通斷，因此設計繼電器驅(qū)動控制輸出電路實現(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械運動、不含運動零件的繼電器，其特點是全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關元件，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、功率場效應管、單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點、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。圖3為固態(tài)繼電器的驅(qū)動控制電路，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P2.4口為控制信號輸出口，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，當單片機P2.4口輸出低電平控制信號時，晶體三極管導通，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)硬件仿真設計圖
　　圖4為熱電偶溫度控制系統(tǒng)的硬件仿真原理圖。其中按.鍵輸入設置4個按鍵SB1、SB2、SB3、SB4。SB1為加熱啟動/加熱停止的轉(zhuǎn)換控制按鍵，SB2為顯示當前溫度/顯示預置溫度轉(zhuǎn)換控制按鍵，SB3為預置溫度加1"C控制，SB4為預置溫度減1"C設置。當系統(tǒng)啟動時，可按下按鍵SB3和SB4,單片機執(zhí)行相應的加一和減一程序功能，設定溫度預置值。圖中單片機的P2.4口連接三極管和繼電器電路，用來發(fā)出控制信號通斷加熱裝置;系統(tǒng)設計了8個LED燈指示電路，通過單片機的P1口進行控制，當系統(tǒng)運行時指示系統(tǒng)的各種狀態(tài)。采用四位數(shù)碼管顯示屏實時顯示溫度測量信號，測量信號由單片機PO口輸出，數(shù)碼管位選端由單片機P2.0、P2.1、P2.2和P2.3經(jīng)三極管驅(qū)動控制，實現(xiàn)動態(tài)顯示。
 
3系統(tǒng)軟件構(gòu)成
　　系統(tǒng)程序采用模塊化設計，使用C語言編寫相關程序。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.
　　主程序主要對單片機I/O口、定時器中斷、數(shù)碼管顯示部分等進行初始化設置。程序設置使用單片機的TO定時器中斷功能，設定定時工作模式1，定時時間為5000μS，直接啟動功能。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，定時掃描檢測按鍵輸入信號。若檢測到按鍵啟動測溫，則調(diào)用數(shù)據(jù)測量子程序執(zhí)行溫度測量，單片機對獲得的測量信號進行標度變換計算，轉(zhuǎn)換為對應的溫度值;當測量溫度值未達到預置溫度時，從單片機P2.4口輸出低電平信號驅(qū)動固態(tài)繼電器電路接通電熱爐電源電路，開始對電熱爐進行加熱。當電熱爐加熱到一定程度，所測量溫度信號達到預置溫度時，單片機P2.4口輸出高電平信號驅(qū)動固態(tài)繼電器切斷加熱電路，停止對電爐繼續(xù)加熱。所測量溫度信號可以實時在數(shù)碼管上顯示當前溫度值。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。其工作時序如圖6所示，當CS由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，MAX6675芯片將停止轉(zhuǎn)換信號，在SCK時鐘脈沖下降沿時，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是一個假信號，輸出為0;D14~D3為相應的12位溫度數(shù)據(jù)位;D2是一個標志位，正常為0，當熱電偶開路時則為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，對應模擬量溫度為0℃，輸出最大值為4095，對應模擬量溫度為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)啟動測溫時，單片機將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)，同時在SCK引腳上輸入高電平脈沖信號，等待讀取SO引腳中的測量輸出數(shù)據(jù)。當SCK引腳輸出低電平，脈沖信號出現(xiàn)下降沿時，SO引腳上輸出一位數(shù)據(jù)，單片機循環(huán)產(chǎn)生16個脈沖信號，分別輸出16位測量數(shù)據(jù)。MAX6675讀取數(shù)據(jù)的相關程序段如下:
 
 
3.3按鍵控制程序
　　系統(tǒng)設置了4個功能按鍵SB1、SB2、SB3、SB4，采用定時中斷掃描檢測各個按鍵輸入信號。系統(tǒng)將SB1設定為一鍵控制加熱啟動和加熱停止的功能，因此定義位變量.n，n=1時代表開始加熱狀態(tài)，n=0時代表開始停止加熱狀態(tài)，加熱啟動后，不能更改預置溫度。SB2設定一鍵控制顯示當前溫度和顯示預置溫度功能，定義位變量m表示狀態(tài)，m=1顯示預置溫度狀態(tài)，m=0顯示當前溫度狀態(tài)。另外定義位變量bz1、bz2分別表示SB1、SB2閉合斷開的標志位。按鍵控制程序相關程序段如下:
 
 
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)，采用了單片機完成系統(tǒng)控制，K型熱電偶進行溫度信號采集，通過熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片MAX6675完成溫度信號的冷端補償、放大和轉(zhuǎn)換等處理。該系統(tǒng)具備實時測量顯示溫度和當前運行狀態(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，可應用于簡易的工業(yè)測溫等領域中，具有一定的應用前景。