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)測溫范圍大測溫精度高系統(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。溫度測控系統(tǒng)的質(zhì)量經(jīng)常成為解決問題的關(guān)鍵因素。溫度測量方式一般分為接觸式和非接觸式兩類。非接觸式測溫通過熱輻射原理測量溫度受物體的發(fā)射率、測量距離煙塵和水氣等外界因素的影響其測量誤差較大。接觸式測溫系統(tǒng)相對(duì)比較簡單.運(yùn)行相對(duì)可靠.且測量精度較高。在高溫測量領(lǐng)域接觸式測量比較常用的測溫元件有基于力學(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)測控電路簡單測溫范圍大能長時(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)勢兩者珈即為電偶回路總熱電動(dòng)勢"。電偶回路總熱電動(dòng)勢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)能測得EAB(T,T0)則可求得T。通常將工作端置于被測溫度場中,自由端通過補(bǔ)償導(dǎo)線連入測控電路。為了簡化測量電路選用集成了測量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型熱電偶放置于測溫點(diǎn),K型熱電偶產(chǎn)生的電壓信號(hào)傳遞給測溫電路進(jìn)行處理。測溫電路中的溫度轉(zhuǎn)換芯片將溫度值(對(duì)基于Max6675測溫方案)或放大后的電壓值(對(duì)基于AD595的測溫方案)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通過串行Modbus協(xié)議發(fā)送相應(yīng)的測溫、加熱指令給單片機(jī)定時(shí)讀回各測溫點(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模擬多路開關(guān)的選擇
　　如果每一路測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關(guān)然后將模擬多路開關(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/℃為了保證測量精度模擬多路開關(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)的模擬多路開關(guān)Max47818。Ud≈NxIsxRon(3)
3.2基于Max6675測溫電路設(shè)計(jì)
　　目前比較常用的兩種K型熱電偶的測溫芯片是Max6675和AD595。Max6675價(jià)格比較便宜帶有冷端溫度補(bǔ)償線性校正、熱電偶斷線檢測等功能。芯片手冊注明其測溫范圍為(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關(guān)接通的通道。為測試該測溫電路的質(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補(bǔ)償導(dǎo)線輸入到一個(gè)溫度采集通道C8051F020通過串口將溫度值輸出。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)測溫電路進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該測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)換芯片的測溫電路其測量精度比較低只能用于一些測量溫度比較高但精度要求不是很嚴(yán)格的場合。
3.3基于AD595的測溫電路
　　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|起的測量誤差A(yù)D595采用了低能耗設(shè)計(jì),一個(gè)無負(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)電壓則可以測量0C以下的溫度。AD595通過激光微調(diào)來與K型熱電偶特性相匹配計(jì)算了冷端溫度并經(jīng)過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。基于AD595的測溫電路示意圖如圖3所示。
 
　　8路k型熱電偶的輸出端分別接到兩片MAX4781多路開關(guān)的輸入引腳_上。多路開關(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電偶的測溫結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該測溫電路的測溫精度能達(dá)到±1℃能滿足系統(tǒng)的測溫需要。
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)通信比較簡單。.上位機(jī)軟件的開發(fā)環(huán)境是windowsce5.0,開發(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)然后通過調(diào)用底層的串C驅(qū)動(dòng)把Modbus命令通過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)軟件開發(fā)得以簡化。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
　　比較了兩種測溫電路的性能,分析測溫誤差產(chǎn)生的主要原因,并給出了一種AD595測溫電路數(shù)據(jù)處理的方法,最后將AD595的測溫電路應(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。