单片K型热电偶放大与数字转换器MAX667

1 .0
1 .1
模拟 SPI 的串行时钟输出端 SCK，P 模拟 SPI 的从 1 .2
机选择端 SSB。下面给出相应的温度值读取程序及
数据转换程序。
； 温度值读取程序
； 位定义
SO B I T P 1.0
； 数据输入
CS B I T P 1.1 SCK B I T P 1.2 ； 数据字节定义
DA TAH DATA 30H
R
AMB
２．２ 冷端补偿
热电偶的功能是检测热、 冷两端温度的差值， 热电偶热节点温度可在 0℃～+1023.75℃范围变化。 冷端即安装 MAX6675 的电路板周围温度， 此温度 在 －20℃～+85℃范围内变化。当冷端温度波动时， MAX6675 仍能精确检测热端的温度变化。
M AX6675 是通过冷端补偿检测和校正周围温 度 变 化 的 。该 器 件 可 将 周 围 温 度 通 过 内 部 的 温 度 检 测 二 极 管 转 换 为 温 度 补 偿 电 压 ，为 了 产 生 实 际 热 电 偶温度测量值， M AX6675 从热电偶的输出和检测 二 极 管 的 输 出 测 量 电 压 。该 器 件 内 部 电 路 将 二 极 管 电压和热电偶电压送到 ADC 中转换， 以计算热电 偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等 时 ，M A X6 675可 获 得 最 佳 的 测 量 精 度 。因 此 在 实 际
－ A1
+
－ A2
+
S4
T－
S1
30kO
2
1MO 20pF
参考电压 30kO
1
数字 控制器
ADC
5 SCK 7 SO 6 CS
自热引起的测量误差， 可 在布线时使用大面积接地 技术提高 MAX6675 温度测 量精度。 ２．４ 噪声补偿
M AX6675 的 测 量 精 度 对电源耦合噪声较敏感。 为降低电源噪声的影响， 可在 MAX6675 的电源引脚
MAX6675与 AT89C2051单片机的接口电路如图 5 所示。
VCC
U1
R1 10kO
+ C4 10µF
AT89C2051
P1.0 RESET P1.1
P1.2
11.0592MHz
P1.3
C2
P1.4
30pF
XTAL2 P1.5 P1.6
P1.7
C3
P3.0
P3.1
C1
P3.2
ห้องสมุดไป่ตู้
30pF
XTAL1 P3.3 P3.4
SCK
在 测 温 应 用 中 ， 芯片自热将 SO
降低 MAX6675 温度测量精度，误
D15
D3 D2 D1 D0 图４ ＭＡＸ６６７５ ＳＰＩ接口时序
42
２００３．９
NEWPRODUCT& TECH 新器件新技术
号给 SCK，由 SO读取测量结果。CS变低将停止任何 转 换 过 程；CS 变 高 将 启 动 一 个 新 的 转 换 过 程 。一 个 完整串行接口读操作需 16 个时钟周期， 在时钟的 下降沿读 16 个输出位， 第 1 位和第 15 位是一伪标
图２ ＭＡＸ６６７５内部结构框图
是 M AX6675 周 围 温 度 与 0℃实际参考值之间的差
值。对于 K 型热电偶，电压变化率为 41 μV/℃，电
压可由线性公式 Vout=（41 μV/℃）×（tR － tAMB）来
近似热电偶的特性。 上式中，Vout 为热电偶输出电
压 （mV）， t 是测量点温度 ；t 是周围温度。
MAX6675 采用标准的 SPI串行外设总线与 MCU 接口，且 MAX6675 只能作为从设备。MAX6675 SO 端输出温度数据的格式如图 3 所示， MAX6675 SPI 接口时序如图 4 所示。MAX6675 从 SPI 串行接口输 出数据的过程如下 ： MCU 使CS变低并提供时钟信
RLC A
；读 D15~D8 高 8 位数据
SETB CLK
NOP
CLR CLK
DJNZ R2，READH
Ｍ Ｏ Ｖ Ｄ Ａ Ｔ Ａ Ｈ ，A ；将读取的高 8 位数据 ； 保存
M OV R2，#08H
Ｒ ＥＡ Ｄ Ｌ ： M OV C，SO ；读 D7~D0 低 8 位数据
RLC A
SETB CLK
测温应用 时， 应尽 量避免在 MA X6675 附近放置
位
空标 志位
位 15
0
14 MSB
12 位温度读 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3
LSB
图３ ＭＡＸ６６７５ ＳＯ端输出数据的格式
热电偶 输入
2
设备 身份
状态
1
0
0 三态
发热器件或元件，因为这样会造 CS 成冷端误差。
２．３ 热补偿
志位，并总为 0；第 14 位到第 3 位为以 MSB 到 LSB
顺序排列的转换温度值；第 2 位平时为低，当热电 偶输入开放时为高， 开放热电偶检测电路完全由 MAX6675 实现，为开放热电偶检测器操作， T－ 必 须接地，并使接地点尽可能接近 GND 脚；第 1位为 低以提供 MAX6675 器件身份码， 第 0 位为三态。
41 ２００３．９ Mi crocontrol lers & Emb edded Systems
新器件新技术 NEW PRODUCT & TECH
VCC
差大小依赖于 MAX6675 封
装的热传导性、安装技术
0.1µf
和通风效果。 为降低芯片
4 冷端补偿二极管 S5
T+ S3
300kO
3
S2
30kO
M AX6675 内部具有将热电偶信号转换为与 ADC 输入通道兼容电压的信号调节放大器， T+ 和 T－ 输入端连接到低噪声放大器 A1，以保证检测输 入的高精度， 同时使热电偶连接导线与干扰源隔 离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器 A1放大， 再经过 A2 电压跟随器缓冲后，被送至 ADC的输入 端 。在 将 温 度 电 压 值 转 换 为 相 等 价 的 温 度 值 之 前 ， 它 需 要 对 热 电 偶 的 冷 端 温 度 进 行 补 偿 ，冷 端 温 度 即
CLR C
RLC A M OV D ATAL，A
； 数据整体右移1 位，
M OV A，DATAH ；以去掉 D15 伪志位
RLC A
SWAP A
；将 DATAH 中的数
M OV B，A
；据高低 4 位互换 ；数据暂存于 B 中
M OV A，#0FH ；得到温度值的D11~D8位， ；并将 D15~D12 位置 0
附近接入 1 只 0.1 μF陶瓷旁 路电容。 ２．５ 测量精度的提高
热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来 提高：① 尽量采用不能从测量区域散热的大截面 导线；② 如必须用小截面导线，则只能应用在测 量 区 域 ，并 且 在 无 温 度 变 化 率 区 域 用 扩 展 导 线；③ 避免受能拉紧导线的机械挤压和振动；④ 当热电 偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；⑤ 在 温度额定值范围内使用热电偶导线；⑥ 避免急剧 温度变化；⑦ 在恶劣环境中，使用合适的保护套 以保护热电偶导线；⑧ 仅在低温和小变化率区域 使用扩展导线；⑨ 保持热电偶电阻的事件记录和 连续记录。 ２．６ ＳＰＩ串行接口
Maxim公司新近推出的 MAX6675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 性能特点
MA X6675 的主要特性如下 ： ① 简单的 SPI 串行口温度值输出 ； ② 0℃~+1024℃的测温范围 ； ③ 12 位 0.25℃的分辨率 ； ④ 片内冷端补偿； ⑤ 高阻抗差动输入； ⑥ 热电偶断线检测； ⑦ 单一 +5V 的电源电压 ； ⑧ 低功耗特性； ⑨ 工作温度范围 －20℃~ +85℃ ；
NOP
CLR CLK
DJNZ R2，READL
Ｍ Ｏ Ｖ Ｄ Ａ Ｔ Ａ Ｌ，A ；将读取的低 8 位数据 ； 保存
SETB CS
； 启动另一次转换过程
RET
；数据转换子程序，将读得的 16 位数据转换为 12 位温度
值， 去掉无用的位。 D16T 12： M OV A，DATAL
； 从机选择 ； 时钟
； 读取数据高位
DATAL DATA 31H ；读取数据低位
TDATAH DATA 32H ；温度高位 TD ATAL DATA 33H ；温度低位
； 读温度值子程序
READT ： CLR CS
； 停止转换并输出数据
CLR CLK ；时钟变低
M OV R2，#08H ；
READH ： M OV C，SO
３ 测温应用
下面给出 MA X6675 应用于嵌入式系统的具体 方法。 这里以 A T 89 C2 05 1 单片机为例， 给出 MA X6675 与单片机接口构成的测温电路及相应的 温度值读取、 转换程序。
M A X6 675 为 单 片 数 字 式 热 电 偶 放 大 器 ，其 工 作 时 无 需 外 接 任 何 的 外 围 元 件 ，这 里 为 降 低 电 源 耦 合 噪声，在其电源引脚和接地端之间接入了 1只容量 为 0.1 μF 的电容。
U2
MAX6675
7 SO
6 5 CS
SCK
3 T+ T－ 2
VCC 4 VCC
C5 0.1µF
GND 1
图５ ＭＡＸ６６７５与ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机接口电路
由于 AT89C2051 不具备 SPI 总线接口， 故这里
采用模拟 SPI 总线的方法来实现与 M AX6675 的接
P 口 。 其 中 模拟 SPI 的数据输入端 （MISO），P
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单片 Ｋ型热电偶放大与数字转换器ＭＡＸ６６７５
■ 黑龙江八一农垦大学 李敏 孟臣
摘 要 关键词
ＭＡＸ６６７５ 是 Ｍａｘｉｍ 公司推出的具有冷端补偿的单片 Ｋ 型热电偶放大器与数字转换器。文中介 绍 器 件 的 特 点 、工 作 原 理 及 接 口 时 序 ，并 给 出 与 单 片 机 的 接 口 电 路 及 温 度 读 取 、转 换 程 序 。
M OV T DATAH，A ；转换后的数据送
⑩ 2000V 的 ESD 保护。
该器件采用 8
引脚 SO贴片封装。 引脚排列如图 1 所 示 ，引 脚 功 能 如 表 1 所列。
GND 1 T－ 2 T+ 3
VCC 4
MAX6675
8 NC 7 SO 6 CS 5 SCK
图１ ＭＡＸ６６７５引脚排列
引脚 1 2 3 4 5 6 7 8
表１ ＭＡＸ６６７５ 引脚功能
热 电 偶 放 大 器 冷 端 补 偿 数 字 输 出
热 电 偶 作 为 一 种 主 要 的 测 温 元 件 ，具 有 结 构 简 单 、制 造 容 易 、使 用 方 便 、测 温 范 围 宽 、测 温 精 度 高 等 特 点 。但 是 将 热 电 偶 应 用 在 基 于 单 片 机 的 嵌 入 式系统领域时，却存在着以下几方面的问题。① 非 线性 ： 热电偶输出热电势与温度之间的关系为非 线 性 关 系 ，因 此 在 应 用 时 必 须 进 行 线 性 化 处 理 。② 冷端补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为 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。 ③ 数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数 字 化 输 出 及 数 字 化 接 口 ，而 作 为 模 拟 小 信 号 测 温 元 件 的 热 电 偶 显 然 无 法 直 接 满 足 这 个 要 求 。因 此 ，若 将 热 电 偶 应 用 于 嵌 入 式 系 统 时 ，须 进 行 复 杂 的 信 号 放大、A/D 转换、查表线性化、温度补偿及数字化 输 出 接 口 等 软 硬 件 设 计 。如 果 能 将 上 述 的 功 能 集 成 到 一 个 集 成 电 路 芯 片 中 ，即 采 用 单 芯 片 来 完 成 信 号 放 大 、冷 端 补 偿 、线 性 化 及 数 字 化 输 出 功 能 ，则 将 大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。
名称
GND T－ T+
VCC SCK CS
功能
接地端
K 型热电偶负极 K 型热电偶正极 正电源端
串行时钟输入 片选端，CS 为低时、启动串行接口
SO N.C.
串行数据输出 空引脚
２ 工作原理
MAX6675 的内部结构如图 2 所示。该器件是一 复 杂 的 单 片 热 电 偶 数 字 转 换 器 ，内 部 具 有 信 号 调 节 放大器、12 位的模拟 / 数字化热电偶转换器、冷端 补偿传感和校正、 数字控制器、 1 个 SPI 兼容接口 和 1 个相关的逻辑控制。 ２．１ 温度变换