熱電偶測溫，如何“一鍵”實現(xiàn)？

現(xiàn)代電子產(chǎn)品、工廠設(shè)備，溫度檢測無處不在——

穿戴設(shè)備中，人體溫度需要檢測；汽車中，電池溫度需要檢測；工廠中，鍋爐加熱需要檢測。

雖然測溫一件蠻簡單的事，但如果選錯溫度傳感器，是測不出來溫度的，你看豆豆可不就做錯了嗎——

# 0 1

「 幾種常用測溫方式 」

測溫的環(huán)境不同，而溫度傳感產(chǎn)品又多種多樣 ，這給工程師們制造了一些小麻煩。今天，針對測溫，我們就來整理幾種最常用的測溫方式。

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熱敏電阻

這個電路符號就是熱敏電阻，在很多電路圖中都可以看到。

熱敏電阻是敏感元件的一類，電阻值會隨著溫度的變化而改變。溫度越高電阻值越大就是正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC），相反，溫度越高電阻值越低就是負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）。

在電路中，用上一個電阻就可以測溫，很明顯這樣的測溫方式成本低，尺寸小，應(yīng)用簡單。盡管熱敏電阻線性度較差，但在一些需要快速響應(yīng)和小尺寸的應(yīng)用場景中，依然能看到它的身影。

02

電阻溫度檢測器(RTD)

這是一種內(nèi)置某種金屬探頭，阻值隨著溫度的升高而增大或降低的溫度傳感器。雖然名字中也有電阻，但是它和熱敏電阻的區(qū)別還是很大的。RTD是最精確和最穩(wěn)定的溫度傳感器之一，在一些需要高精度測溫的場合可以用RTD，但是RTD的響應(yīng)速度較慢，而且價格偏高。

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集成(IC)溫度傳感器

這類測溫傳感器，大家最熟悉的就是DS18B20了。集成（IC）溫度傳感器是將溫度傳感器集成在一個芯片上，可完成溫度測量及信號輸出功能的專用IC。

集成（IC）溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控測，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。

集成（IC）溫度傳感器按輸出信號類型可分為模擬集成溫度傳感器(LM35) 和數(shù)字集成溫度傳感器(DS18B20)兩種。

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熱 電偶傳感器

熱電偶測溫是兩種不同成分的材質(zhì)導體組成閉合回路，當兩端存在溫度差時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，根據(jù)熱電動勢的大小可以計算出兩端的溫度差。

熱電偶的一個優(yōu)勢是其無需外部供電。另外，熱電偶還有測溫范圍寬、適應(yīng)各種大氣環(huán)境等優(yōu)點，但其缺點是測量精度不高，所以在高精度的測量和應(yīng)用中通常不會選擇熱電偶。

這里我們整理了幾種測溫方式的優(yōu)缺點：

# 0 2

「 熱電偶測溫 」

上面介紹的四種測溫方式，都有其應(yīng)用場景。熱敏電阻、RTD以及IC溫度傳感器，這三種是我們硬件工程師比較常用的，而熱電偶由于常在工業(yè)應(yīng)用“大顯身手”，有些小伙伴不是很了解，接下來就重點學習下熱電偶測溫吧。

前面說了熱電偶的測溫原理，這是源自于“ 塞貝克效應(yīng) ”。把兩種不同材料的導體焊接在一起，形成一個閉合回路。把其中一個端，可以稱為工作端或測量端，處于高溫環(huán)境中，而另一個端，也就是冷端或參考端，處于較低溫度的環(huán)境中時，兩端之間就會產(chǎn)生電動勢。通過測量這個電動勢的大小，可以推算出熱電偶工作端所處的溫度。

這兩種不同成分的材料連接是標準的，根據(jù)采用的兩種材料的不同，熱電偶可分為K型熱電偶、S型熱電偶、E型熱電偶、N型熱電偶、J型熱電偶等等。

每種熱電偶都有一個分度表，就是參考端是0℃的時候，測量端溫度對應(yīng)的熱電動勢標準值，從分度表可以看出電壓信號是mV級，很小。

在實際應(yīng)用中，由于熱電偶參考端溫度不可能保持在0℃不變，也不可能固定在某一個溫度不變，而由于熱偶電勢又與參考度溫度有關(guān)，如果參考端溫度變化，必然會引起測量誤差。為了消除這種誤差，須進行冷端溫度補償。

如何進行冷端補償呢？即使沒有用過熱電偶的人應(yīng)該也想到，可以用補償導線將熱電偶延長到環(huán)境溫度變化較穩(wěn)定的地方，又或者把熱電偶處在恒定0℃的容器中。有一些電子基礎(chǔ)的人可能會想到采用電路補償，也就是專業(yè)的叫法電橋補償。

這幾種方式確實是可以讓熱電偶能測到正確的溫度，但是實施起來，有一些不便之處。 有沒有更方便的補償方式呢？有！

# 0 3

「 EPSH TCM 856測溫模塊 」

這個是原ADI老牌代理商世健開發(fā)的 EPSH TCM 856測溫模塊 。現(xiàn)在，世健已被WT文曄科技收購。

在這個測溫模塊中，用到了來自ADI的MAX31856，一款高精度、帶線性補償?shù)臒犭娕紨?shù)字轉(zhuǎn)換器，可以對任何類型熱電偶的信號進行冷端補償和數(shù)字轉(zhuǎn)換，輸出以攝氏度為單位的數(shù)據(jù)，允許讀取高達+1800°C 以及低至 210°C ( 取決于熱電偶類型)的溫度讀數(shù)。

前面要說到了熱電偶的熱電動勢只有mV級，需要進行數(shù)據(jù)處理，MAX31856內(nèi)部集成了熱電偶測溫所需的外圍電路，內(nèi)置的輸入放大器和 ADC 對熱電偶的輸出電壓進行放大和數(shù)字轉(zhuǎn)換，片內(nèi)溫度傳感器測量冷端溫度，然后利用內(nèi)部查找表 (LUT)確定所選熱電偶類型與冷端溫度對應(yīng)的 ADC 數(shù)值，再將熱電偶數(shù)值和冷端數(shù)值進行求和，產(chǎn)生與冷端補償后的熱電偶溫度對應(yīng)的數(shù)值，并轉(zhuǎn)換成以 °C 為單位的輸出值，最后通過 SPI 接口將結(jié)果發(fā)送給 MCU，MCU 經(jīng) RS485將數(shù)據(jù)上傳到 PC 端。

MAX31856內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

# 0 4

「 熱電偶實測溫度 溫模塊 」

有了這個測溫模塊，再配合WT文曄開發(fā)的上位機軟件，就可以一鍵開啟測溫了。

1）硬件連接

通過電源接口輸入12-24v，或者通過USB TypeC 輸入 5V，給EPSH TCM 856供電；通過傳感器接口連接熱電偶；通過RS485 數(shù)字接口將模塊輸出連接至PC端。

2）軟件連接

打開上位機軟件，選擇對應(yīng)的串口：

3）配置主界面

根據(jù)功能有五個分區(qū)，寄存器配置區(qū)，實時冷端補償溫度，實時線性化熱電偶溫度也就是實際的溫度、錯誤狀態(tài)，寄存器列表以及溫度的實時曲線圖。

對于熱電偶的一些功能配置，通過寄存器配置區(qū)配置就可以。這里有6個寄存器，分別代表不同的功能。通過鼠標選擇，就可以把0或者1對應(yīng)寫入寄存器中。

WT文曄技術(shù)團隊把這個寄存器配置直接模塊化，可視化了，功能、怎么配置一目了然。直接通過這個上位機，就可以給板子發(fā)指令，修改內(nèi)部寄存器。這樣不僅可以減少學習寄存器的時間，還可以減少自己修改源碼而產(chǎn)生的問題，這樣簡單的操作，工程師是最喜歡了。在寄存器列表中，還能實時看到寄存器的值在變化。

4）讀取溫度

模塊對于溫度顯示有兩種：數(shù)值顯示和線性圖形。

通過上手測試，我們發(fā)現(xiàn)雖然熱電偶常常在工業(yè)設(shè)備、電力這些惡劣的環(huán)境里使用，但有了EPSH TCM 856這個測溫模塊，讓熱電偶測溫非常便捷，為工程師節(jié)省了很多時間。