基于K型热电偶的中低温度测量系统的设计

李　静，曲贵波，吴东艳

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)



基于K型热电偶的中低温度测量系统的设计

李静，曲贵波，吴东艳

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

温度在工业领域应用非常广泛，而一般的温度传感器测量范围较窄，只能实现低温测量。K型热电偶是国内外仪器仪表行业中最常见的一种测温元件。本系统通过K型热电偶传感器对温度信号进行采集，MAX6675芯片对信号变换后，通过SPI串行接口与STM32F103RCT6单片机进行通信，实现中低温度的测量。为了实现较远距离控制，通过红外遥控模块输入对比温度，当测量温度大于或小于设定值时，进行声光报警。通过实验验证，本系统具有较高的精度，能满足中低温度的测量。

K型热电偶传感器；单片机；红外遥控；报警；显示

温度是一个非常基本的物理量，很多的物理量都与它有着密切的联系，所以对温度的精准测量以及精确的控制在农业和工业生产、人们的日常生活、科学研究方面都有着十分重要的意义[1]。目前，热电偶传感器是国内外仪器仪表行业中最常见的一种测温元件，也是目前接触式测温领域中应用最为广泛的一种热电式传感器。

K型热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。但K型热电偶应用时，却存在着以下几方面的问题[2]。

1)非线性。热电偶输出热电势与温度之间非线性，因此，应用时必须进行线性化处理。

2)冷补偿[3]。热电偶输出的热电势为冷端保持0 ℃时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿[4]。

3)信号输出。K型热电偶输出信号为模拟信号，为了方便与后续单片机电路相连，需要将模拟信号转换成数字信号。

Maxim公司新近推出的MAX6675[5]即是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。

1　系统设计

本设计以单片机STM32F103RCT6[6]为整个系统的核心，使用K型热电偶传感器对所测环境温度信号进行采集，经转换芯片MAX6675转换后输入给单片机处理。同时本设计还有报警功能，通过红外遥控模块HS0038输入对比温度值，与采集到的温度进行比较并进行声光报警，测得温度通过液晶屏JLX12864显示。系统结构如图1所示。

图1　系统结构

2　系统硬件设计

2.1K型热电偶与MAX6675

MAX6675与热电偶连接电路如图2所示。

图2　MAX6675与热电偶连接电路

2.2红外遥控传感器

工业领域进行温控时，需要设定参考温度，当大于或者小于某个值时进行报警，而某些场合无法使用按键输入，本系统采用红外遥控器输入设定值。HS0038是一种红外接收器，输出的TTL信号可以被单片机接收到 ，它的电路如图3所示。

图3　HS0038红外遥控电路

2.3显示电路

本设计的显示屏选用比较常见的12 864字符型液晶显示。JLX12864液晶显示屏是一种集数字显示、符号与字母显示的显示器，功耗低，具有很高的性价比。显示电路如图4所示。

图4　显示电路

2.4报警电路

当检测到的温度在允许范围内时，电路不报警；当检测到的温度超出设定的温度值时，蜂鸣器响。蜂鸣器报警电路如图5所示。

图5　蜂鸣器报警电路

3　系统软件设计

系统的软件部分采用C语言编写，程序设计模块化。本系统先从MAX6675芯片中读取数据，并判断热电偶是否开路，然后将数据传到单片机中进行处理，同时由红外遥控传感器输入对比温度值与采集到的温度进行比较，并进行声光报警。系统软件主流程如图6所示。

图6　系统软件主流程

4　实验验证

完成基于K型热电偶的中低温度测量系统的设计后，受实验条件限制，在室内测量了不同条件下水和烟头的温度，并与0.1℃精度的水银温度计在10～70℃温度范围进行比对。测试结果如表1所示。在测试范围内，相对误差不超过0.2%。

表1　温度测试数据

5　结束语

本文以STM32F103RCT6单片机为整个系统的核心，通过K型热电偶传感器对温度信号进行采集，通过MAX6675芯片对信号进行放大、冷端补偿等处理，完成温度的获取。本系统还有报警功能，通过红外遥控模块输入对比温度值，与采集到的温度进行比较并进行声光报警，显示当前温度值和设定温度值。该系统结构简单，抗干扰能力强，测量精度高，测量温度范围广，设定温度值采用红外遥控形式输入，可以实现非接触设定。经实际测试表明，本设计测量温度的范围较宽，能实现中低温度的测量，精度较高，相对误差小于0.2°C。

[1]杨秋兰.浅谈温度测量的发展现状[J].科技传播，2010(14)：116.

[2]吴东艳，韩喜春，高旭东.PSOC在高精度温度测量中的应用[J].黑龙江工程学院学报(自然科学版)，2012，27(2)：45-49.

[3]吕鹏飞，裴东兴，沈大伟.基于K型热电偶的瞬态测温技术的研究[J].传感技术学报，2014(6)：775-780.

[4]陈学利，张东风.热电偶测温误差的分析及修正方法[J].科技信息(科学教研)，2008(11)：304.

[5]李敏，孟臣.单片K型热电偶放大与数字转换器MAX6675[J].单片机与嵌入式系统应用，2003(9)：41-43.

[6]周江.STM32单片机原理及硬件电路设计研究[J].数字技术与应用，2015(11)：1-2.

[责任编辑：郝丽英]

Design of middle-and-low temperature measurement system based on K-type thermocouple

LI Jing，QU Guibo，WU Dongyan

(College of Electrical and Information Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China)

In industrial production,the temperature is one of the most important parameters,but the general temperature sensors can only measure the low temperature.The K thermocouple sensor is one of the most common temperature measuring devices in the domestic and foreign instrument industries.This system proposed can collect the temperature signal by the K thermocouple sensor,change the signal by the MAX6675,then use serial data transmission of SPI interface to communication with STM32F103RCT6.In order to have long distance control,this system has an alarm function by using infrared control module input temperature value,and comparing with the collected temperature and sound-light.Experiments show this system has high precision that can measure the middle-low temperature.

K-type thermocouple sensor；MCU；infrared remote sensor；alarm；display

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.05.012

2016-07-13

李静(1980-)，女，讲师，研究方向：测控技术及仪器.

TM762

A

1671-4679(2016)05-0043-03