Adafruit MAX31856 通用熱電偶放大器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

一、概述

在電子工程領(lǐng)域，熱電偶是一種常用的溫度測(cè)量元件，但它非常敏感，需要一個(gè)優(yōu)秀的放大器以及冷補(bǔ)償參考，同時(shí)還需要處理非線性問題的計(jì)算。此前，我們常推薦 MAX31855K 開發(fā)板，不過它僅適用于 K 型熱電偶。現(xiàn)在，Adafruit 推出了一款出色的新型熱電偶放大器/轉(zhuǎn)換器——MAX31856，它幾乎可以處理任何類型的熱電偶，甚至能在溫度超出范圍或出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出通知。

文件下載：3263.pdf

這款轉(zhuǎn)換器通過 4 線 SPI 進(jìn)行通信，可與 K、J、N、R、S、T、E 或 B 型熱電偶接口。開發(fā)板集成了芯片、3.3V 穩(wěn)壓器和電平轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過組裝和測(cè)試。它還配備了 2 針端子塊（用于連接熱電偶）和引腳頭（可插入面包板或穿孔板），并且按照 Maxim 的建議，板上添加了串聯(lián)電阻和濾波電容以提高穩(wěn)定性。

其主要特性如下：

1. 廣泛的熱電偶兼容性：適用于 K、J、N、R、S、T、E 或 B 型熱電偶。
2. 寬溫度范圍和高分辨率：輸出范圍為 -210°C 至 +1800°C，分辨率為 0.0078125°。不過要注意，許多熱電偶的精度約為 ±2°C 至 ±6°C，具體取決于溫度和類型，所以分辨率比精度要高很多。
3. 內(nèi)部溫度讀取：可以讀取芯片內(nèi)部的溫度。
4. 電源和邏輯電平兼容性：支持 3.3 至 5V 電源和邏輯電平。
5. SPI 數(shù)據(jù)接口：只需要 4 個(gè)數(shù)字 I/O 引腳。

二、引腳說明

1. 電源引腳

• Vin：這是電源引腳。由于傳感器芯片使用 3VDC，板上集成了一個(gè)穩(wěn)壓器，可將 3 - 5VDC 安全轉(zhuǎn)換。為開發(fā)板供電時(shí)，應(yīng)使用與微控制器邏輯電平相同的電源，例如對(duì)于 5V 的 Arduino 微控制器，使用 5V 電源。
• 3Vo：這是穩(wěn)壓器的 3.3V 輸出，可從中獲取高達(dá) 100mA 的電流。
• GND：電源和邏輯的公共接地端。

2. SPI 邏輯引腳

所有進(jìn)入開發(fā)板的引腳都有電平轉(zhuǎn)換電路，使其在 3 - 5V 邏輯電平下安全。使用 Vin 上的邏輯電平即可。

• SCK：SPI 時(shí)鐘引腳，是芯片的輸入。
• SDO：串行數(shù)據(jù)輸出/微控制器輸入、傳感器輸出引腳，用于從 MAX31856 向處理器發(fā)送數(shù)據(jù)。
• SDI：串行數(shù)據(jù)輸入/微控制器輸出、傳感器輸入引腳，用于從處理器向 MAX31856 發(fā)送數(shù)據(jù)。
• CS：芯片選擇引腳，將其拉低可開始 SPI 事務(wù)，是芯片的輸入。如果要將多個(gè) MAX31856 連接到一個(gè)微控制器，可以讓它們共享 SDI、SDO 和 SCK 引腳，然后為每個(gè)芯片分配一個(gè)唯一的 CS 引腳。

3. 額外引腳

• FLT：故障輸出引腳。如果使用 MAX31856 的閾值通知功能，可以監(jiān)控此引腳，當(dāng)它變?yōu)榈碗娖綍r(shí)表示有故障。
• DRDY：用于高級(jí)應(yīng)用，可讓傳感器開始讀數(shù)，然后等待此引腳變?yōu)榈碗娖?。在庫代碼中，為了簡(jiǎn)單起見使用了延遲/等待方式，不過如果需要也可以使用此引腳。

三、組裝步驟

1. 準(zhǔn)備引腳排

必要時(shí)將引腳排裁剪到合適的長度。將其插入面包板（長引腳朝下），這樣焊接會(huì)更容易。

2. 添加開發(fā)板

將開發(fā)板放在引腳上，使短引腳穿過開發(fā)板的焊盤。

3. 焊接

確保焊接所有 5 個(gè)引腳，以實(shí)現(xiàn)可靠的電氣連接。如果需要焊接技巧，可以查看 Adafruit 優(yōu)秀焊接指南。接下來安裝端子塊，這是用于連接熱電偶的，因?yàn)椴荒苤苯雍附訜犭娕?。端子塊安裝在頂部，開口端朝外，然后像焊接普通引腳排一樣焊接兩個(gè)焊盤，由于焊盤較大，需要較多的焊料。最后插入熱電偶線，用小的 Phillips 或平頭螺絲刀擰緊夾子。

四、接線與測(cè)試

1. SPI 接線

可以使用硬件或“軟件”SPI 進(jìn)行接線。為了使所有 Arduino 的接線相同，先使用“軟件”SPI。接線如下：

• 將 Vin 連接到電源，3V 或 5V 均可，使用與微控制器邏輯電平相同的電壓。對(duì)于大多數(shù) Arduino，是 5V。
• 將 GND 連接到公共電源/數(shù)據(jù)接地端。
• 將 SCK 引腳連接到數(shù)字引腳 #13（后續(xù)可以使用任何引腳）。
• 將 SDO 引腳連接到數(shù)字引腳 #12（后續(xù)可以使用任何引腳）。
• 將 SDI 引腳連接到數(shù)字引腳 #11（后續(xù)可以使用任何引腳）。
• 將 CS 引腳連接到數(shù)字引腳 #10（后續(xù)可以使用任何引腳）。

2. 下載 Adafruit_MAX31856 庫

要開始讀取傳感器數(shù)據(jù)，需要從 Arduino 庫管理器中安裝 Adafruit MAX31856 庫。打開 Arduino 庫管理器，搜索 Adafruit MAX31856 庫并安裝。也可以查看 Arduino 庫安裝教程。

3. 連接熱電偶

需要連接一個(gè)熱電偶，本演示使用 K 型熱電偶，如果沒有 K 型熱電偶，可以調(diào)整演示代碼。

4. 加載演示

打開 File -> Examples -> Adafruit_MAX31856 -> max31856，將代碼上傳到連接了傳感器的 Arduino。如有必要，調(diào)整 max.setThermocoupleType(MAX31856_TCTYPE_K) 行。上傳代碼后，打開串口監(jiān)視器，波特率設(shè)置為 115200，即可看到冷端溫度（微控制器芯片的溫度）和熱電偶溫度（熱電偶探頭末端檢測(cè)到的溫度）的輸出。還可以通過斷開一個(gè)引腳來檢測(cè)一些可檢測(cè)的故障。

5. 庫參考

• 創(chuàng)建對(duì)象：可以使用軟件 SPI 創(chuàng)建 MAX31856 對(duì)象，所有四個(gè)引腳可以是任何 I/O 引腳：

  // 使用軟件 SPI: CS, DI, DO, CLK
  Adafruit_MAX31856 max = Adafruit_MAX31856(10, 11, 12, 13);

  也可以使用硬件 SPI，但必須使用 Arduino 的硬件 SPI 引腳（每種 Arduino 類型的引腳不同），可以查看 SPI 參考。在這種情況下，可以使用任何 CS 引腳，其他三個(gè)引腳是固定的：

  // 使用硬件 SPI，只需傳入 CS 引腳
  Adafruit_MAX31856 max = Adafruit_MAX31856(10);

• 初始化傳感器：使用 max.begin() 初始化傳感器。
• 設(shè)置熱電偶類型：使用 max.setThermocoupleType(MAX31856_TCTYPE_xxx) 設(shè)置熱電偶類型，可選類型有：
  • MAX31856_TCTYPE_B
  • MAX31856_TCTYPE_E
  • MAX31856_TCTYPE_J
  • MAX31856_TCTYPE_K
  • MAX31856_TCTYPE_N
  • MAX31856_TCTYPE_R
  • MAX31856_TCTYPE_S
  • MAX31856_TCTYPE_T
  • MAX31856_VMODE_G8
  • MAX31856_VMODE_G32 最后兩個(gè)不是熱電偶類型，是“普通”電壓讀數(shù)模式（更多細(xì)節(jié)可查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，庫中未使用這些模式）。如果不確定當(dāng)前模式，可以使用 max.getThermocoupleType() 查詢。
• 讀取溫度：可以讀取冷端溫度（返回浮點(diǎn)型攝氏度讀數(shù)，即 MAX31856 芯片內(nèi)部檢測(cè)到的溫度）：max.readCJTemperature()；也可以讀取熱電偶末端的溫度：max.readThermocoupleTemperature()。
• 故障檢測(cè)：MAX31856 有廣泛的故障檢測(cè)機(jī)制，可以通過引腳或函數(shù)在出現(xiàn)問題時(shí)發(fā)出警報(bào)。使用 max.readFault() 讀取故障，它將返回一個(gè) uint8_t 類型，每個(gè)位代表 8 種不同的故障類型之一。可以使用以下代碼測(cè)試每種故障類型：

  uint8_t fault = max.readFault();
  if (fault) {
  if (fault & MAX31856_FAULT_TCRANGE) Serial.println("Thermocouple Range Fault");
  if (fault & MAX31856_FAULT_CJHIGH) Serial.println("Cold Junction High Fault");
  if (fault & MAX31856_FAULT_CJRANGE) Serial.println("Cold Junction Range Fault");
  if (fault & MAX31856_FAULT_CJLOW) Serial.println("Cold Junction Low Fault");
  if (fault & MAX31856_FAULT_TCHIGH) Serial.println("Thermocouple High Fault");
  if (fault & MAX31856_FAULT_TCLOW) Serial.println("Thermocouple Low Fault");
  if (fault & MAX31856_FAULT_OVUV) Serial.println("Over/Under Voltage Fault");
  if (fault & MAX31856_FAULT_OPEN) Serial.println("Thermocouple Open Fault");
  }

  對(duì)于冷端溫度和熱電偶溫度的高低閾值，可以使用以下函數(shù)設(shè)置：

  // 冷端溫度閾值
  max.setColdJunctionFaultThreshholds(lowtemp, hightemp);
  // 熱電偶溫度閾值
  setTempFaultThreshholds(lowtemp, hightemp);

  其中，冷端溫度閾值范圍為 -127 至 +127 攝氏度，熱電偶溫度閾值是浮點(diǎn)型數(shù)字，范圍為 -4096 至 +4096，分辨率為 0.0625 攝氏度。

五、Python 與 CircuitPython 的使用

1. 接線

• CircuitPython 微控制器接線：將 MAX31856 按照前面 Arduino 的接線方式連接到開發(fā)板。例如，將 Feather M0 連接到傳感器：
  • 開發(fā)板 3V 連接到傳感器 VIN
  • 開發(fā)板 GND 連接到傳感器 GND
  • 開發(fā)板 SCK 連接到傳感器 SCK
  • 開發(fā)板 MISO 連接到傳感器 SDO
  • 開發(fā)板 MOSI 連接到傳感器 SDI
  • 開發(fā)板 D5 連接到傳感器 CS（或任何其他空閑數(shù)字 I/O 引腳） 連接到微控制器后，確保將熱電偶連接到開發(fā)板的端子上。
• Python 計(jì)算機(jī)接線：以 Raspberry Pi 為例，接線如下：
  • Pi 3V 連接到傳感器 VIN
  • Pi GND 連接到傳感器 GND
  • Pi SCK 連接到傳感器 SCK
  • Pi MISO 連接到傳感器 SDO
  • Pi MOSI 連接到傳感器 SDI
  • Pi D5 連接到傳感器 CS（或任何其他空閑數(shù)字 I/O 引腳） 連接到 Raspberry Pi 后，同樣要將熱電偶連接到開發(fā)板的端子上。

2. 庫安裝

• CircuitPython 安裝 MAX31856 庫：首先確保運(yùn)行的是適用于開發(fā)板的最新版本的 Adafruit CircuitPython。然后從 Adafruit 的 CircuitPython 庫包中安裝必要的庫，例如對(duì)于非 Express 開發(fā)板（如 Trinket M0、Gemma M0 和 Feather/Metro M0 basic），需要手動(dòng)從庫包中安裝以下文件：
  • adafruit_max31856.mpy
  • adafruit_bus_device 在繼續(xù)之前，確保開發(fā)板的 lib 文件夾中已經(jīng)復(fù)制了 adafruit_max31856.mpy 和 adafruit_bus_device 文件和文件夾。最后連接到開發(fā)板的串行 REPL，進(jìn)入 CircuitPython >>> 提示符。
• Python 安裝 MAX31856 庫：需要安裝提供 Python 中 CircuitPython 支持的 Adafruit_Blinka 庫，這可能還需要在平臺(tái)上啟用 I2C 并驗(yàn)證運(yùn)行的是 Python 3。由于每個(gè)平臺(tái)有所不同，且 Linux 經(jīng)常變化，請(qǐng)查看 CircuitPython on Linux 指南 準(zhǔn)備好計(jì)算機(jī)。完成后，從命令行運(yùn)行以下命令：

  sudo pip3 install adafruit-circuitpython-max31856

  如果默認(rèn) Python 是版本 3，可能需要運(yùn)行 'pip' 而不是 'pip3'，但要確保不使用 Python 2.x，因?yàn)椴恢С帧?/p>

3. 使用示例

以下是使用 CircuitPython 讀取溫度的示例代碼：

import board
import digitalio
import adafruit_max31856

# 創(chuàng)建 SPI 連接
spi = board.SPI()
# 分配 CS 引腳并設(shè)置方向
cs = digitalio.DigitalInOut(board.D5)
cs.direction = digitalio.Direction.OUTPUT
# 創(chuàng)建熱電偶對(duì)象
thermocouple = adafruit_max31856.MAX31856(spi, cs)
# 讀取溫度
print(thermocouple.temperature)

六、下載資源

• Fritzing 對(duì)象：Adafruit Fritzing 庫中的 Fritzing 對(duì)象
• EagleCAD PCB 文件：GitHub 上的 EagleCAD PCB 文件
• 庫文件：GitHub 上的庫
• MAX31856 數(shù)據(jù)手冊(cè)：MAX31856 數(shù)據(jù)手冊(cè)

通過以上介紹，你應(yīng)該對(duì) Adafruit MAX31856 通用熱電偶放大器有了全面的了解。在實(shí)際應(yīng)用中，你可以根據(jù)自己的需求選擇合適的接線方式和編程語言，利用其強(qiáng)大的功能進(jìn)行溫度測(cè)量和故障檢測(cè)。你在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。