（项目八 燃气灶检测） - 任务一

《传感器应用》主讲教师：XXX

项目八燃气灶检测器PART08※热电偶传感器的选型与检测※实现燃气灶检测器08项目概述近日某公司生产的钢化玻璃燃气灶突然发生爆炸，发现由于燃气灶可燃气泄漏超过一定时间，未有任何的提示，当杨先生发现时已经酿成大祸。现某公司开始发现问题需要在自家燃气灶中加入检测器功能并加入报警功能与手机联动，小林作为公司的产品研发工程师，需要将其实现。使用树莓派开发套件编写程序调试实现上述功能，便于后续产品的研发。认识热电偶传感器的原理和选型01认识热电偶传感器检测方法02学习目标objective掌握MAX6675模块的时序01掌握Python语言中list列表的使用02技能目标objective掌握Python实现燃气灶检测的方法03TASKONE任务一热电偶传感器的选型与检测4任务概述储备知识任务实施任务目标231本次任务：在掌握热电偶传感器的原理后，连接好电路板，使用Python程序编写K型热电偶的驱动程序，获取800℃左右燃气灶的温度数据。任务概述4任务概述储备知识任务实施任务目标231TASKONE任务一热电偶传感器的选型与检测01.了解热电偶传感器的工作原理和类型02.了解热电偶和热电阻传感器之间的区别任务目标03.掌握热电偶的选型与基本检测04.认识MAX6675作用以及时序05.掌握Python程序K型热电偶的数据4任务概述储备知识任务实施任务目标231TASKONE任务一热电偶传感器的选型与检测01.热电偶传感器储备知识02.热电偶的选型03.热电偶的测试04.MAX6675模数转换器01.热电偶传感器1.1.热电偶的定义热电偶传感器一种利用热电效应（即将温度转换为电动势能）的测温元件结构简单，使用方便。具有较高的准确度、稳定性及复现性。温度测量范围宽。一种有源元件，测量时并不需要外加电源。热电偶在工程领域的应用极为广泛。因此1.2.热电偶的工作原理——热电效应两结合点的温度不同，就会在两者间会产生电动势（热电势），致使受热物体中的电子随着温度梯度由高温区往低温区移动，也就是在回路中就会有一定大小的电流。这种现象称为热电效应或者塞贝克效应。把两种不同材料的导体或者半导体串接成一个闭合回路。如果具体如右图所示A与B是由两种成分不同且具有一定热电特性的材料所构成的热电极，把它们的一端互相焊接，而另一端连接起来形成回路，便成为一个热电偶传感器。热电偶的焊接端温度较高称为工作端或热端，使用时将此端置于被测温度部位。另一端温度较低称为自由端或冷端，值得注意的是自由端通常处于某个恒定的温度下。不同金属导体的自由电子密度不同，当A、B两种金属带焊接在一起后，它们的接触处就会发生电子扩散，电子扩散的速度与自由电子的密度差及连接点所处的温度成正比。由于因此，热电偶传感器的两个上端子之间就将有电动势出现，这个电动势称为热电动势。在单位时间内如果由A扩散到B的电子数比由B扩散到A的多，则A由于失去电子而带正电，B得到电子而带负电。热电动势的大小与电极的形状、尺寸无关，只取决于两种金属的特性和热、冷端的温差。反映这种特性的参数称为热电偶的温度系数，它表示热端温度每变化1℃在两个冷端之间所引起的电动势变化。故用不同的金属材料可以组成各种特性的热电偶传感器。1.3.热电偶补偿导线在使用热电偶测温时要求热电偶的参考端(冷端)温度必须保持恒定。热端则会使用价格较高的贵金属材料。因此一般做得长度较短，这就使热电偶冷端离被测对象很近，导致参考端温度较高且波动很大。补偿导线在此情况下应运而生，它是在一定温度范围内（0～100℃）具有与所匹配热电偶热电动势相同标称值的一对带有绝缘层的导线，用它们连接热电偶与测量装置，来补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差。应该用较长的热电偶，把参考端延长到温度比较稳定的地方，但是考虑到经济性和铺设等问题这并不实际。

所以原则上1.4.热电偶与热电阻的区别信号的性质，热电阻本身是电阻，温度的变化，使电阻产生正的或者是负的阻值变化；而热偶，是产生感应电压的变化，他随温度的改变而改变。 两种传感器检测的温度范围不一样，热阻一般检测0-150度温度范围（当然可以检测负温度），热偶可检测0-1000度的温度范围（甚至更高）所以，前者是低温检测，后者是高温检测。从材料上分，热阻是一种金属材料，具有温度敏感变化的金属材料，热偶是双金属材料，即两种不同的金属，由于温度的变化，在两个不同金属丝的两端产生电势差。热电偶的基本工作原理是温度变化使其两端电位大小不同；热电阻也可以称是一种热敏传感器，但其是随温度变化电阻发生变化。1.5.热电偶的优缺点使用热电偶的优点温度范围广坚固耐用响应快无自发热信号调理复杂精度低冷补偿数字化输出使用热电偶的缺点从低温到喷气引擎废气，热电偶适用于大多数实际的温度范围。热电偶测量温度范围在–200°C和2500°C之间,具体取决于所使用的金属线。温度范围广热电偶属于耐用器件，抗冲击振动性好，适合于危险恶劣的环境。坚固耐用使用热电偶的优点因为它们体积小，热容量低，热电偶对温度变化响应快，尤其在感应接合点裸露时。它们可以在毫秒范围内对温度变化做出响应。响应快由于热电偶不需要激励电源，因此不易自发热。无自发热将热电偶电压转换成可用的温度读数必需进行大量的信号调理。一直以来，信号调理耗费大量设计时间，处理不当就会引入误差，导致精度降低。信号调理复杂除了由于金属特性导致的热电偶内部固有不精确性外，热电偶的冷端通常接近被测对象，温度并不是恒定不变的，容易收到环境干扰。因此热电偶测量精度只能达到参考接合点温度的测量精度，一般在1℃和2℃内。精度低使用热电偶的缺点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。冷补偿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，必须进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性线、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。 数字化输出02.热电偶的选型选择热电偶需综合考虑——所需精度测定对象的性能经济效益使用温度范围响应时间使用环境K型热电偶镍铬(镍硅（镍铝）热电偶)01K型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，可测量0～1300℃的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用。S型热电偶（铂铑10-铂热电偶）02E型热电偶（镍铬-铜镍［康铜］热电偶）03E型热电偶为一种较新产品，在常用的热电偶中，热电势最大，即灵敏度最高;它的应用范围虽不及K型偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用;使用中的限制条件与K型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏感。N型热电偶(镍铬硅-镍硅热电偶)04该热电偶的主要特点：在1300℃以下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性能好，另外，在400～1300℃范围内，N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好。J型热电偶(铁-康铜热电偶)05J型热电偶：价格便宜，适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从-200～800℃，但常用温度只在500℃以下。T型热电偶(铜-铜镍热电偶)）07在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电极的均匀性好;它的使用温度是-200～350℃，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃。R型热电偶(铂铑13-铂热电偶)06B型热电偶(双铂铑热电偶)08B型热电偶可以长期测量1600℃，短期最高测量1800℃，稳定性好准确度高，测温温区宽，其明显的优点是不需要用补偿导线进行补偿。03.热电偶的测试热电偶的输出是mV级的，用普通万用表是无法检测其输出的，但是可以通过万用表测量两输出端的通断情况,如果开路此热电偶传感器一定是坏的。在大多数情况下，只要电偶部分（在两根线的交点熔接处）是通的，再把其从护套中抽出来做外观检查，若没有被氧化，则没坏。数字万用表可粗测，判断好坏。就要用标准热电偶，来比较、测量它输出的mV值了。简而言之04.MAX6675模数转换器作为现代生活中每个人日常做饭的必要工具，其中就有使用热电偶传感器来增加一层安全保护。燃气灶因此使用了K型热电偶来进行温度检测，避免熄火状态下的可燃气的泄漏。由于热电偶获取的是模拟量数据，需要进行数模转换才能更好地对数据进行处理。温度：800℃～1300℃左右美信公司推出的一款支持K型热电偶接口的12位串行模数转换器。MAX6675温度分辨率达0.25℃，测量范围为0℃~+1023.75℃。配合微控制器，可直接用于热电偶输出量的读取。A/D转换器冷端补偿SPI串口的热电偶放大器数字转换器温度补偿功能热电偶放大器集成适用于体积不大，不利散热的装置条件下使用，其引脚图如图所示。SO-8脚封装MAX6675工作电压：+5V直流电压功耗：47.1mW电流：50mA其中SO为SPI串行输出端口引脚；CS为片选信号；SCK为串行时钟输入；T+、T-分别接热电偶的测量端和冷端。4.1.MAX6675的主要特性0102030405简单的SPI串行口温度值输出0℃～+1024℃的测温范围12位0.25℃的分辨率片内冷端补偿高阻抗差动输入0607080910热电偶断线检测单一+5V的电源电压低功耗特性工作温度范围-20℃～+85℃2000V的ESD信号备注：该器件采用8引脚SO帖片封装。Max6675引脚定义引脚名称功能1GND接地端2T-K型热电偶负极3T+K型热电偶正极4VCC正电源端5SCK串行时钟输入6CS片选端，CS为低时、启动串行接口7SO串行数据输出8N.C.空引脚4.2.MAX6675工作原理MAX6675对其内部元器件的参数进行了激光修正,从而对热电偶的非线性进行了内部修正。热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关,而且与冷端的温度有关,在以往的应用中,有很多种冷端补偿方法,如冷端冰点法或电桥补偿法等,但调试都比较麻烦。另外,由于热电偶的非线性,以往是采用微处理器表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身非线性带来的测量误差,但这些都增加了程序编制及调试电路的难度。根据热电偶测温原理MAX6675内部集成均给K型热电偶的使用带来了极大的方便。非线性校正电路冷端补偿电路断线检测电路内部集成4.3.MAX6675工作时序如上图，当MAX6675的CS引脚从高电平变为低电平时,MAX6675将停止任何信号的转换并在时钟SCK的作用下向外输出已转化的数据。相反,当CS从低电平变回高电平时,MAX6675将进行新的转换。SCK拉高形成方波，此时第一个字节D15将出现在引脚SO，必须注意数据读取是SCK下降沿有效，所以SCK接着拉低获取到一位有效数据。一个完整的数据读过程需要16个时钟周。在CS引脚从高电平变为低电平时MAX6675的输出数据为16位,其中D15始终无用,D14～D3对应于热电偶模拟输入电压的数字转换量。D2用于检测热电偶是否断线(D2为1表明热电偶断开)D1：MAX6675的标识符D0：三态4任务概述储备知识任务实施任务目标231TASKONE任务一热电偶传感器的选型与检测05.控制继电器开关双色灯任务实施05.Python程序测试热电偶传感器任务所需软件如下所示：VNC-Viewer环境准备任务所需硬件如下所示：树莓派4BMAX6675热电偶模块5.1.根据引脚说明和连线图连接设备步骤1：各设备对应接口如以下表说明K型热电偶MAX6675红+蓝-树莓派T型转接板MAX66755V*VCCGNDGNDGND-G6SCK-G5SO-G13CS（2）如图所示，使用杜邦线将树莓派连接面包板后的GPIO与MAX6675模块连接起来，由板载的5V为模块供电。 图：树莓模块连接图5.2.Python程序实现检测传感器步骤1：打开mu开发环境，新建Python文件开启树莓派电源->打开“VNC-Viewer”软件连接树莓派->输入IP地址->用户名密码。连接成功后，在点击左上方【树莓派】图标->选择【编程】->点击打开【mu】软件。打开“mu”软件，单击“mu”软件界面上的“新建”按钮，新建一个名为“relay.py”的Python文件，保存在“/home/pi/mu_code”目录下。步骤2：编写和验证代码#-*-coding:utf-8-*-#支持中文注释importRPi.GPIOas

GPIOimport

timeGPIO.setmode(GPIO.BCM)GPIO.setup(13,GPIO.OUT)GPIO.setup(6,GPIO.OUT)GPIO.setup(5,GPIO.IN)def

MAX6675_Read():

value=0

GPIO.output(6,0)

GPIO.output(13,0)

for

x

in

range(16):

GPIO.output(6,1)

value<<=1

value|=GPIO.input(5)

GPIO.output(6,0)

GPIO.output(13,1)return

valuedef

main():

temp=0

con_flag=0

while(1):

temp=MAX6675_Read()

con_flag=temp&0x04

con_flag=con_flag>>2

if

con_flag==0:

temp=temp<<1

temp=temp>>4

real_temp=temp/4

print("当前的温度是："+real_temp+"℃")

else:

print("MAX6675不在线请检查")if__name__=='__main__':

main()运行结果（3）单击“mu”软件界面上的按钮，执行代码，烧写到树莓派板上，观察Python控制台的输出信息，例如图所示。现在，你会听到嘀嗒声，那是常闭端口打开，常开端口闭合的声音。代码详解（1）表示本任务使用GPIO的BCM模式，即T型板转接板上的引脚编码。GPIO.setmode(GPIO.BCM)（2）表示设置编号为17的引脚为GPIO的输出引脚，根据前面接线说明，此处即控制继电器的信号端口。GPIO.setup(17，GPIO.OUT)（3）MAX6675_Read()是一个自定义的函数用来得到max6675上转换好的16位数据，为CS和SCK拉为低电平开始获取数据，循环16次从而获得16位数字信号，