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本文研發(fā)出了一種無(wú)線(xiàn)測溫系統。該系統使用K型熱電偶作為感溫原件，測溫范圍大，適用于波峰焊、回流焊等高溫領(lǐng)域。而且本系統具有獨立的溫度補償電路，從而解決了某些集成溫度補償芯片溫度采集速度慢的問(wèn)題，提高了溫度測量的靈敏度。由于本系統是無(wú)線(xiàn)收發(fā)，使用CCl000作為無(wú)線(xiàn)通訊芯片，故可以在一定距離由上位機接收數據并實(shí)時(shí)監控。另外，本系統還有實(shí)時(shí)記錄數據的功能，并可在無(wú)線(xiàn)通訊出現障礙時(shí)，把數據保存下來(lái)，而后等溫度采集結束后，由上位機軟件讀出。 1 系統硬件設計 本系統采用SOC芯片C8051F020作為主控制芯片。這款單片機采用25MIPS 8051 CPU流水線(xiàn)指令結構，具備片內64 KB Flash程序存儲器、256 KB+4 KB片內RAM及兩個(gè)外部RAM擴展接口、5個(gè)16位定時(shí)器和JTAG非侵入式在系統調試等特性。C8051F020作為一個(gè)片上系統，具有豐富而強大的外設，其AD轉換器具有12位，可以有效提高熱電偶的輸入采集精度。 另外，采用Atmegal6相配合的目的是為了提高系統的采集速度，進(jìn)而提高溫度測量的靈敏度。通過(guò)CCl000完成短距離無(wú)線(xiàn)通信。FLASH芯片可對溫度數據進(jìn)行存儲，以在無(wú)線(xiàn)通信故障時(shí)讀取。C8051F020通過(guò)CP2102的轉換后，可用USB端口與上位機通信。本系統的硬件結構框圖如圖1所示。 1.1 以C8051F020為中心的系統控制模塊 本模塊包含C805lF020控制模塊、FLASH存儲模塊、CP2102通信模塊。當系統處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，C805lF020用于對熱電偶的輸入模擬信號進(jìn)行采集，并將采集信號經(jīng)12位AD轉換器轉換為數字信號，然后由C805lF020對數據進(jìn)行查表，再將其轉換為溫度數據，對數據進(jìn)行處理、打包。最后將數據寫(xiě)入FLASH芯片，并通過(guò)串口發(fā)送給Atmegal6。 當系統處于等待狀態(tài)時(shí)，它將與上位機通過(guò)IJSB接口進(jìn)行通信。CP2102可完成串口與USB接口的轉換。如果系統接到上位機的命令，要求讀取數據，則C805lF020將從FLASH芯片將數據讀出，然后通過(guò)串口發(fā)送出去，再經(jīng)CP2102，由USB接口輸入上位機。 1.2 以CCl000為中心的無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊 無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊包括CCl000、Atmegal6和天線(xiàn)。其中CCl000是根據Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，在0.35μm CMOS工藝下制造的一種理想超高頻單片收發(fā)通信芯片。CCl000的工作頻帶在315、433、868及915 MHz。而且很容易通過(guò)編程使其工作在300"1000 MHz范圍內。AVR單片機Atmegal6可用于完成對CCl000的初始化，以及和CCl000的通信，同時(shí)也和主控芯片C805lF020保持通信。當系統處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，Atmegal6接收到C8051F020發(fā)來(lái)的數據包后，便通過(guò)CC1000向外發(fā)送。 1. 3 以熱電偶為中心的溫度采集模塊 本模塊包括電壓式溫度傳感器TMP35和K型熱電偶。其中熱電偶的工作原理是根據熱端和冷端的溫度差而產(chǎn)生電勢差。由于實(shí)際測量時(shí)，冷端的溫度往往不是O℃，所以要對熱電偶進(jìn)行溫度補償。熱電偶溫度補償公式如下： E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0) 其中，E(t0，0)是實(shí)際測量的電動(dòng)勢，t代表熱端溫度，t0代表冷端溫度，0代表O℃。在現場(chǎng)溫度測量中，由于熱電偶冷端溫度一般不為O℃，而是在一定范圍內變化著(zhù)，因此測得的熱電勢為E(t，t0)。如果要測得真實(shí)的被測溫度所對應的熱電勢E(t，0)，就必須補償冷端不是0℃所需的補償電勢E(t0，0)，而且，該補償電勢隨冷端溫度變化的特性必須與熱電偶的熱電特性相一致，這樣才能獲得最佳補償效果。 圖2所示是一個(gè)溫度補償電路的原理圖。圖中，溫度傳感器TMP35很好的完成了溫度補償工作，TMP35輸出的電壓先經(jīng)電阻分壓，再經(jīng)放大器放大，就是K型熱電偶對應的E(t0，O)。 2 系統軟件設計 發(fā)射板的軟件設計主要包括以C8051F020的主控制模塊程序和以Atmegal6為中心的無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊程序。主控程序模塊主要完成溫度采集、數據處理、向無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)送數據以及測試溫度數據的保存、和上位機的通訊等。無(wú)線(xiàn)發(fā)射程序模塊主要負責對CC1000的初始化，在等待狀態(tài)時(shí)接收C805lF020的數據包，并通過(guò)CC1000發(fā)送。 2.1 主控制模塊程序設計 主控制模塊程序主要完成的功能是對熱電偶的輸入模擬信號進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行查表，以將查表數據轉換成溫度數據并打包。當發(fā)送標志允許時(shí)，寫(xiě)入FLASH保存，同時(shí)通過(guò)串口發(fā)送給Atmegal6。其系統軟件模塊流程圖如圖3所示。 本系統在上電復位后，應首先對C8051F020的各功能模塊進(jìn)行初始化。包括串口0、串口1、AD轉換器、計數器TO、Tl、T2和中斷程序等。系統每50 ms通過(guò)12位AD轉換器對輸入信號進(jìn)行一次采樣，并將采樣信號查表轉換成溫度數據。然后對數據加上幀頭，幀尾和校驗位。最后將幾幀數據打成一個(gè)數據包。 當發(fā)送標志允許時(shí)，C805lF020每50 ms將數據包寫(xiě)入FLASH芯片AT45DB041D。同時(shí)將數據包通過(guò)串口發(fā)送給Atmegal6。 2.2 無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊程序設計 無(wú)線(xiàn)發(fā)射程序的主要功能是通過(guò)Atmegal6完成對CCl000的初始化，從C805lF020接收數據，并由CCl000發(fā)送出去。無(wú)線(xiàn)發(fā)射程序的流程如圖3 (b)所示。 在設計無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊的程序時(shí)，首先應通過(guò)Atmegal6完成端口初始化，以及TO和T1的初始化，同時(shí)還有串口初始化和中斷程序，并對CC1000進(jìn)行初始化編程。然后，Atmegal6進(jìn)入循環(huán)等待。當確認接收到數據時(shí)，先確認數據有效，然后喚醒CC1000并將數據包發(fā)送出去。 3 系統性能分析 本測溫系統的特點(diǎn)在于使用了雙CPU和獨立的溫度補償電路，其意義在于有效提高了溫度采集的速度，進(jìn)而提高測量溫度變化的靈敏度。實(shí)際測試表明，本系統的測量精度為O.5%，溫度采集速度為50 ms。 本系統采用的獨立溫度補償電路是以電壓式溫度傳感器TMP35為溫度補償原件。熱電偶的輸入電動(dòng)勢經(jīng)溫度補償之后，經(jīng)精密軌對軌運放OP747進(jìn)一步放大，再輸入到C8051F020的AD轉換器。這樣可避免使用某些集成熱電偶溫度補償芯片所帶來(lái)的速度受限問(wèn)題。 本系統采用C8051F020作為新一代的SOC芯片，具有豐富而強大的外設，它具有2個(gè)AD轉換器，其中ADO具有12位精度，故可有效保證溫度信號的精確采集。 而采用雙CPU結構C805lF020和Atmegal6，則可確保系統50 ms的采集時(shí)間。因為無(wú)線(xiàn)發(fā)射和寫(xiě)FLASH往往要占用大多數時(shí)間，而采用雙CPU就可以將兩者分開(kāi)，這樣就有效的保證了系統的速度和穩定性。 采用FLASH芯片AT45DB041D則可在溫度采集時(shí)實(shí)時(shí)將數據寫(xiě)入FLASH，以便在無(wú)線(xiàn)發(fā)射出現障礙時(shí)仍可有效保存數據。測試系統保存的數據可由上位機通過(guò)USB接口讀取。 4 結束語(yǔ) 與國內外目前的主流無(wú)線(xiàn)溫度測量系統相比，本系統在測溫精度上達到了較高的水平。而在溫度采集速度上，由于使用了獨立的溫度補償電路，同時(shí)采用了雙CPU的系統結構，因而有效的提高了溫度測量的靈敏度和系統穩定性。另外，由于使用了FLASH芯片，可以保存實(shí)時(shí)數據，也提高了系統的可靠性和實(shí)用性。 |
