带冷端补偿的热电偶采集方案MAX31855

1.什么是热电偶

热电偶是一种利用塞贝克效应（Seebeck Effect） 实现温度测量的传感器，其核心原理是两种不同材料的导体或半导体组成闭合回路时，若两个接点处的温度不同，回路中就会产生热电势（温差电动势），通过测量该电势可间接获得温度信息。

1.1 热电偶的基本结构

热电偶通常由以下关键部分组成：
热电极：两种不同材质的导体（如金属丝），是产生热电势的核心。
测量端（热端 / 工作端）：两个热电极的一端焊接在一起，直接接触被测对象，感受温度变化。
参考端（冷端 / 自由端）：两个热电极的另一端处于已知温度环境（通常为室温或通过恒温装置控制），作为电势测量的基准。
绝缘套管：包裹热电极，防止短路或外界干扰。
保护套管：保护热电极免受被测环境（如高温、腐蚀、振动）的损坏。

1.2工作原理

当两种不同材料的导体 A 和 B 组成闭合回路时：
若测量端温度T与参考端温度T 0不同（T≠T 0），回路中会产生热电势EAB​ (T,T0 )。
热电势的大小与两种材料的特性、以及两端的温度差相关，其关系可表示为：

通过校准曲线，可将测得的热电势转换为测量端的温度T。

1.3常见类型及特点

热电偶的类型由热电极材料决定，不同类型适用于不同的温度范围和环境，常见类型如下：

1.4应用场景

工业测温：冶金、化工、电力等领域的高温炉、管道、反应釜温度监测。
科研实验：实验室中的精确温度测量，如材料烧结、低温物理研究。
日常生活：烤箱、热水器等家电的温度控制。
极端环境：航空航天、核工业等高温、辐射环境下的温度检测。

使用注意事项
冷端补偿：参考端温度变化会影响测量精度，需通过电子电路（如补偿电桥）或恒温装置消除误差。
接线要求：延长线需使用与热电极材料相同或兼容的导线，避免引入额外热电势。
环境适配：根据被测环境（氧化、还原、腐蚀等）选择合适类型，必要时加装保护套管。

2.带冷端补偿的热电偶采集方案MAX31855

2.1主要特点

MAX31855是冷端补偿热电偶至数字输出转换器，高精度热电偶数字转换器IC，有效简化设计并降低系统成本。

典型应用：

MAX31855 是一款具有冷端补偿功能的热电偶至数字输出转换器，以下将从其特点、工作原理、应用领域等方面进行详细介绍：

主要特点：
多种热电偶类型支持：可处理 K、J、N、T、E 型热电偶信号，部分情况下也能处理 S 和 R 型热电偶信号（需联系厂家）。

高精度温度测量：内置 14 位模 / 数转换器（ADC），温度分辨率达 0.25℃，能测量的温度范围为 - 270℃至 + 1800℃，对于 K 型热电偶，在 - 200℃至 + 700℃温度范围内，精度可达 ±2℃。

冷端补偿功能：集成冷端补偿电路，利用片上温度传感器监测冷端真实温度值，自动修正最终计算得到的目标物体实际温度，消除冷端环境温度对测量结果的影响。

SPI 兼容接口：采用简单的 SPI 兼容接口，且为只读格式，便于与各种微控制器如 Arduino、Raspberry Pi 等进行通信，减少了 I/O 引脚的使用，降低了硬件设计的复杂度。

故障检测功能：能够检测热电偶与 GND 或 VCC 短路以及热电偶开路等故障状态，提高了系统的可靠性和稳定性。

2.2工作原理

工作原理
热电偶信号输入：热电偶基于塞贝克效应，当两端存在温差时会生成微弱电压信号，MAX31855 接收来自 K 型或其他类型热电偶产生的微弱电压信号，并进行放大和线性化处理。

冷端补偿电路：热电偶的输出受冷端环境温度影响，MAX31855 通过内置冷端补偿功能，监测冷端温度，修正目标物体实际温度。

模数转换与滤波：初步放大的模拟信号送入高分辨率 ADC 进行数字化转换，同时在 ADC 之前加入低通滤波器，去除高频成分，提高抗干扰能力、降低噪声水平。

2.3应用领域

工业领域：在工业生产过程中，常用于各种设备和工艺流程的温度监测与控制，如熔炉、热处理设备、化工反应釜等，以确保生产过程的稳定性和产品质量。

汽车行业：可用于汽车发动机的温度监测、排气系统温度测量以及车内空调系统的温度控制等，有助于提高汽车的性能和安全性。

HVAC 系统：即暖通空调系统，用于监测和控制室内温度、湿度等环境参数，实现舒适的室内环境调节，同时也有助于优化能源消耗。

智能家居：可实现对室内温度的精确测量和自动调节，配合其他智能设备，为用户提供更加舒适、便捷的家居环境。

实验室研究：在物理、化学、材料科学等实验室研究中，用于精确测量各种实验过程中的温度变化，为实验数据的准确性提供保障。

2.4读取精度

MAX31855 的测温精度因热电偶类型和温度范围而异。

对于 K 型热电偶，在 - 200℃至 + 700℃温度范围内，精度可达 ±2℃。对于 J 型热电偶，在 - 40℃至 + 750℃温度范围内，精度为 ±2℃。

对于 N 型热电偶，在 - 200℃至 + 700℃温度范围内，精度是 ±2℃。对于 E 型热电偶，在 - 40℃至 + 700℃温度范围内，精度为 ±2℃。

此外，MAX31855 的冷端补偿精度在 - 20℃至 + 85℃范围内最大值为 ±0.7℃。

3.STM32F103读取MAX31855代码演示

3.1main.c

#include "stm32f10x.h"
#include "max31855.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include <stdio.h>int main(void) {uint32_t rawData;float thermocoupleTemp, coldJunctionTemp;uint8_t error;// 初始化RCC_Configuration();USART_Configuration();  // 初始化串口用于输出delay_init();           // 初始化延时函数MAX31855_Init();        // 初始化MAX31855printf("MAX31855 Test Program\r\n");while (1) {// 读取原始数据rawData = MAX31855_ReadRawData();// 检查错误error = MAX31855_CheckError(rawData);if (error != 0) {printf("Error: 0x%02X\r\n", error);switch (error) {case 1: printf("Thermocouple open circuit\r\n"); break;case 2: printf("Thermocouple short to GND\r\n"); break;case 4: printf("Thermocouple short to VCC\r\n"); break;default: printf("Unknown error\r\n"); break;}} else {// 读取并打印温度thermocoupleTemp = MAX31855_ReadThermocoupleTemp(rawData);coldJunctionTemp = MAX31855_ReadColdJunctionTemp(rawData);printf("Thermocouple Temp: %.2f C\r\n", thermocoupleTemp);printf("Cold Junction Temp: %.2f C\r\n", coldJunctionTemp);}delay_ms(1000);  // 1秒读取一次}
}

3.2max31855.c

#include "max31855.h"
#include "delay.h"// 初始化MAX31855的SPI通信引脚
void MAX31855_Init(void) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;// 使能GPIO时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(MAX31855_CS_CLK | MAX31855_SCK_CLK | MAX31855_SO_CLK, ENABLE);// 配置CS和SCK为推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MAX31855_CS_PIN;GPIO_Init(MAX31855_CS_PORT, &GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MAX31855_SCK_PIN;GPIO_Init(MAX31855_SCK_PORT, &GPIO_InitStructure);// 配置SO为输入GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MAX31855_SO_PIN;GPIO_Init(MAX31855_SO_PORT, &GPIO_InitStructure);// 初始状态：CS拉高MAX31855_CS_HIGH;
}// 从MAX31855读取32位原始数据
uint32_t MAX31855_ReadRawData(void) {uint32_t rawData = 0;uint8_t i;MAX31855_CS_LOW;  // 拉低CS，开始通信delay_us(1);      // 短暂延时// 读取32位数据，高位先出for (i = 0; i < 32; i++) {rawData <<= 1;// 时钟信号：先拉低GPIO_ResetBits(MAX31855_SCK_PORT, MAX31855_SCK_PIN);delay_us(1);// 读取数据if (GPIO_ReadInputDataBit(MAX31855_SO_PORT, MAX31855_SO_PIN)) {rawData |= 1;}// 时钟信号：再拉高GPIO_SetBits(MAX31855_SCK_PORT, MAX31855_SCK_PIN);delay_us(1);}MAX31855_CS_HIGH;  // 拉高CS，结束通信return rawData;
}// 解析热电偶温度
float MAX31855_ReadThermocoupleTemp(uint32_t rawData) {int16_t tempData;float temperature;// 检查是否有错误if (MAX31855_CheckError(rawData) != 0) {return -1000.0f;  // 返回一个特殊值表示错误}// 提取热电偶温度数据（D30-D18位）tempData = (rawData >> 18) & 0x1FFF;// 处理负数if (tempData & 0x1000) {tempData |= 0xE000;  // 扩展符号位}// 转换为实际温度值（分辨率0.25℃）temperature = tempData * 0.25f;return temperature;
}// 解析冷端温度
float MAX31855_ReadColdJunctionTemp(uint32_t rawData) {int16_t tempData;float temperature;// 提取冷端温度数据（D15-D4位）tempData = (rawData >> 4) & 0x07FF;// 处理负数if (tempData & 0x0400) {tempData |= 0xF800;  // 扩展符号位}// 转换为实际温度值（分辨率0.0625℃）temperature = tempData * 0.0625f;return temperature;
}// 检查错误状态
uint8_t MAX31855_CheckError(uint32_t rawData) {// D16位为错误标志位，D2-D0位为错误代码if ((rawData & 0x00010000) != 0) {return (rawData & 0x00000007);  // 返回错误代码}return 0;  // 无错误
}

3.3max31855.h

#ifndef __MAX31855_H
#define __MAX31855_H#include "stm32f10x.h"// 引脚定义
#define MAX31855_CS_PORT    GPIOA
#define MAX31855_CS_PIN     GPIO_Pin_4
#define MAX31855_CS_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA#define MAX31855_SCK_PORT   GPIOA
#define MAX31855_SCK_PIN    GPIO_Pin_5
#define MAX31855_SCK_CLK    RCC_APB2Periph_GPIOA#define MAX31855_SO_PORT    GPIOA
#define MAX31855_SO_PIN     GPIO_Pin_6
#define MAX31855_SO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA// 宏定义
#define MAX31855_CS_HIGH    GPIO_SetBits(MAX31855_CS_PORT, MAX31855_CS_PIN)
#define MAX31855_CS_LOW     GPIO_ResetBits(MAX31855_CS_PORT, MAX31855_CS_PIN)// 函数声明
void MAX31855_Init(void);
uint32_t MAX31855_ReadRawData(void);
float MAX31855_ReadThermocoupleTemp(uint32_t rawData);
float MAX31855_ReadColdJunctionTemp(uint32_t rawData);
uint8_t MAX31855_CheckError(uint32_t rawData);#endif

4.MAX31855电路原理图