基于K型熱電偶的電廠爐溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　溫度測(cè)量是一門應(yīng)用極其廣泛的技術(shù)，無論是能源動(dòng)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(fèi)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(fèi),還會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染，因此研究鍋爐溫度的監(jiān)測(cè)與控制，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
　　電廠爐溫監(jiān)測(cè)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(gè)系統(tǒng)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)變成電信號(hào),然后把電信號(hào)送入具有信號(hào)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(hào)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(huì)輸出低電平，經(jīng)過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器閉合實(shí)現(xiàn)電阻絲對(duì)鍋爐加熱,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成，分別是:信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)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(shí),回路中就會(huì)有電流通過,此時(shí)兩端之間就存在熱電動(dòng)勢(shì),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(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)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(shí)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(shí),只要該材料2個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)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(cè)溫時(shí)，，可接入測(cè)量?jī)x表,測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。
2.2熱電偶冷端補(bǔ)償方案確定
　　熱電偶測(cè)量端為熱端，通過導(dǎo)線與測(cè)量電路連接的端稱為熱端，熱電偶在測(cè)量溫度時(shí)要求熱電偶的冷端溫度保持不變,其測(cè)出來的熱電動(dòng)勢(shì)才會(huì)準(zhǔn)確,杯會(huì)影響測(cè)量效果,所以要對(duì)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(duì)溫度進(jìn)行數(shù)字化測(cè)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(dòng)勢(shì)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(cè)量結(jié)果。由于第2種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,芯片體積小,測(cè)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(hào)處理電路與單片機(jī)的接口實(shí)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(shí)鐘由p3.5提供,它是單片機(jī)的串行輸出口TXD,對(duì)應(yīng)于SCK的串行時(shí)鐘輸入,片選信號(hào)由p3.6提供,對(duì)應(yīng)于CS,最后由SO口讀取測(cè)量結(jié)果。圖2為MAX6675與STC89C52連接圖。

2.4報(bào)警電路
　　圖3為系統(tǒng)的報(bào)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(duì)于某些緊急狀態(tài),比如系統(tǒng)檢測(cè)到的錯(cuò)誤狀態(tài)等,為了使操作人員不忽視系統(tǒng)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，及時(shí)采取措施,還需要某些更容易弓|起別人注意的信號(hào)。通常有3種方法來提示別人系統(tǒng)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。第一種是閃光警示,可以提醒人們注意;第二種是鳴音報(bào)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(bào)警,它不僅能在系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)發(fā)出語音警報(bào),而且還會(huì)提示出系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤的類型。
　　該系統(tǒng)采用的是蜂鳴器報(bào)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(bào)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(gè)端子,較長(zhǎng)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(dòng),需要利用放大電路來驅(qū)動(dòng),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(shí)，三極管導(dǎo)通,發(fā)射極的5V電壓就會(huì)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管和蜂鳴器工作。本系統(tǒng)采用的報(bào)警方式為一旦系統(tǒng)達(dá)到報(bào)警要求,發(fā)光二極管閃亮,蜂鳴器鳴叫報(bào)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(hào)采集,以MAX6675芯片進(jìn)行采集信號(hào)的處理包括信號(hào)放大，模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,以及冷端補(bǔ)償功能,采集到的信號(hào)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(bào)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(xiàng)研究的主要結(jié)果是顯示被測(cè)量鍋爐的溫度，并且計(jì)算出系統(tǒng)的平衡熱量。