基于K型熱電偶的電廠爐溫監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　溫度測量是一門應(yīng)用極其廣泛的技術(shù)，無論是能源動力工程中，還是大規(guī)模集成電路、生物技術(shù)、航天科技等新興技術(shù)領(lǐng)域中，或者是與我們?nèi)粘Ｉ钕嚓P(guān)的領(lǐng)域中，發(fā)揮著非常重要的作用。
　　中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國。大部分的發(fā)電廠鍋爐、工業(yè)鍋爐是以煤炭作為主要燃料的，然而傳統(tǒng)的燒煤方式比較落后，許多鍋爐都采用老式的控制方式，這樣就造成了控制加煤炭量的不準(zhǔn)確，造成煤炭的浪費,還會造成嚴(yán)重的空氣污染，因此研究鍋爐溫度的監(jiān)測與控制，具有非常重要的現(xiàn)實意義。
1系統(tǒng)總體設(shè)計方案
　　電廠爐溫監(jiān)測系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)總控制器，,使用K型熱電偶作為溫度傳感器,運(yùn)用1602液晶顯示屏顯示,整個系統(tǒng)力求結(jié)構(gòu)簡單功能完善。
　　該系統(tǒng)首先運(yùn)用傳感器-K型熱電偶把物理信號變成電信號,然后把電信號送入具有信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、冷端補(bǔ)償功能的MAX6675芯片中，芯片再把經(jīng)過處理的信號變成16位數(shù)字量傳送到單片機(jī)的I/O口中進(jìn)行顯示,完成系統(tǒng)的顯示工作。系統(tǒng)的控制工作也是由單片機(jī)控制,如果鍋爐內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度，單片機(jī)就會輸出低電平，經(jīng)過三極管驅(qū)動繼電器閉合實現(xiàn)電阻絲對鍋爐加熱,從而實現(xiàn)對鍋爐溫度的控制。圖1為該系統(tǒng)的總框圖。

2系統(tǒng)硬件組成
　　熱電偶溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由4個部分組成，分別是:信號采集模塊、MAX6675模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制及外圍電路、液晶顯示部分。
2.1熱電偶工作原理
　　熱電偶是一種感溫元件,它把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號,通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是2種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在熱電動勢,這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。2種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端,溫度較低的一端為自由端,自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系,制成熱電偶分度表;分度表是自由端溫度在0C時的條件下得到不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第3種金屬材料時,只要該材料2個接點的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢將保持不變，即不受第3種金屬接入回路中的影響。因此,在熱電偶測溫時，，可接入測量儀表,測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。
2.2熱電偶冷端補(bǔ)償方案確定
　　熱電偶測量端為熱端，通過導(dǎo)線與測量電路連接的端稱為熱端，熱電偶在測量溫度時要求熱電偶的冷端溫度保持不變,其測出來的熱電動勢才會準(zhǔn)確,杯會影響測量效果,所以要對熱電偶的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
　　冷端補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ蟹至⒃骷涠搜a(bǔ)償方案和集成電路溫度補(bǔ)償方案。案-的分立元器件冷端補(bǔ)償方案,溫度補(bǔ)償器件體積大,使用不方便。方案二采用熱電偶冷端補(bǔ)償專用芯片MAX6675,MAX6675溫度轉(zhuǎn)換芯片具有冷端溫度補(bǔ)償以及對溫度進(jìn)行數(shù)字化測量2種主要功能，利用內(nèi)置溫度敏感二極管將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償電壓，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換把補(bǔ)償后的熱電動勢轉(zhuǎn)換為代表溫度的數(shù)字量，然后直接從串行接口輸出測量結(jié)果。由于第2種方案實現(xiàn)簡單,芯片體積小,測量準(zhǔn)確,所以本系.統(tǒng)采用第2種方案進(jìn)行熱電偶的冷端補(bǔ)償。
2.3MAX6675信號處理電路與單片機(jī)的接口實現(xiàn)
　　MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口,因此它只能作為從設(shè)備即串行接口芯片。SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使單片機(jī)與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換數(shù)據(jù)。串行外部時鐘由p3.5提供,它是單片機(jī)的串行輸出口TXD,對應(yīng)于SCK的串行時鐘輸入,片選信號由p3.6提供,對應(yīng)于CS,最后由SO口讀取測量結(jié)果。圖2為MAX6675與STC89C52連接圖。

2.4報警電路
　　圖3為系統(tǒng)的報警電路圖。

　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，一般的工作狀態(tài)可以通過指燈或者數(shù)碼顯示來指示,供操作人員參考,了解系統(tǒng)的工作狀態(tài),但是對于某些緊急狀態(tài),比如系統(tǒng)檢測到的錯誤狀態(tài)等,為了使操作人員不忽視系統(tǒng)出現(xiàn)的錯誤，及時采取措施,還需要某些更容易弓|起別人注意的信號。通常有3種方法來提示別人系統(tǒng)出現(xiàn)了錯誤。第一種是閃光警示,可以提醒人們注意;第二種是鳴音報警,發(fā)出特定的聲響,作用于人的聽覺器官，易于引起別人的察覺;第三種是語音報警,它不僅能在系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤時發(fā)出語音警報,而且還會提示出系統(tǒng)發(fā)生錯誤的類型。
　　該系統(tǒng)采用的是蜂鳴器報警，蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器,采用直流電壓供電,作發(fā)生器件,廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。在單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用中，蜂鳴器大多用來提示或者報警,比如按鍵按下、開始工作、工作結(jié)束故障發(fā)生等。常見的蜂鳴器有2個端子,較長的是正極,較短的是負(fù)極。蜂鳴器的工作電流一般比較大,但單片機(jī)的I/O口無法直接驅(qū)動,需要利用放大電路來驅(qū)動,一般使用三極管放大電流。在本系統(tǒng)中如果單片機(jī)P2.0口輸出低電平時，三極管導(dǎo)通,發(fā)射極的5V電壓就會驅(qū)動發(fā)光二極管和蜂鳴器工作。本系統(tǒng)采用的報警方式為一旦系統(tǒng)達(dá)到報警要求,發(fā)光二極管閃亮,蜂鳴器鳴叫報敬。
3結(jié)束語
　　本系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)為核心控制器，以K型熱電偶為傳感器進(jìn)行信號采集,以MAX6675芯片進(jìn)行采集信號的處理包括信號放大，模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,以及冷端補(bǔ)償功能,采集到的信號直接送給單片機(jī).進(jìn)行溫度的顯示，并由單片機(jī)控制選擇是否報警。加熱部分由單片機(jī)控制繼電器的通斷，從而控制電路是否給鍋爐加熱,當(dāng)單片機(jī)輸出高電平，繼電器導(dǎo)通，加熱器工作給鍋爐加熱。此項研究的主要結(jié)果是顯示被測量鍋爐的溫度，并且計算出系統(tǒng)的平衡熱量。