帶有紅外接口的移動式溫度數(shù)據(jù)采集儀的研制

摘要：介紹了基于單片機的移動式溫度數(shù)據(jù)采集儀的硬件設計，串行紅外接口的應用及用可視化編程工具VB6.0實現(xiàn)的WINDOWS界面的數(shù)據(jù)接收、處理軟件。

關鍵詞：熱電耦 溫度測量 數(shù)據(jù)采集 紅外串口通信

在電子工業(yè)中，隨著整機集成度的提高和元器件的微型化、復雜化，在印制板上焊接元件時對各種焊接設備（波峰焊、回流焊、SMT等）內的溫度工藝要求越來越高。這就需要一種可移動的溫度數(shù)據(jù)采集儀器，能隨傳送帶進入焊爐內，測量記錄下不同焊點（印制板上的焊盤孔、過孔等）在焊爐內不同位置時的溫度參數(shù)，并能將測量數(shù)據(jù)方便地傳送給電腦，進行數(shù)據(jù)曲線的顯示、分析和打印，以便制定和執(zhí)行合適的工藝流程。

無線通信可以去除設備對線纜和連接器的依賴。IrDA紅外通信是一種低價且適應性廣的短距離無線通信技術，只要通信雙方都支持IrDA協(xié)議，就能很快建立通信鏈路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。近來紅外通信在電子設備中得到了廣泛的應用。為此，研制了帶有紅外接口的移動式溫度數(shù)據(jù)采集儀。該儀器由可充電電流供電，以1Hz的采集率同時對≤8的溫度測量點采集600s的數(shù)據(jù)。溫度測量范圍為0℃～300℃，測量精度為滿量程的1%。測量數(shù)據(jù)存于E2PROM中，可掉電保存，直到下次采集數(shù)據(jù)更新。通過串行紅外接口，儀器可將存儲的測量數(shù)據(jù)方便地傳送給電腦。用可視化編程工具Visual Basic6.0制作了Windows界面的數(shù)據(jù)接收和處理軟件，既方便硬件間的連接又便于測量數(shù)據(jù)的輸出與分析。

1 采集儀的硬件原理

儀器的硬件設計貫徹了確保性能、縮小外形（特別是高度要求苛刻）、便于移動、降低功耗和內隔熱的原則。硬件框圖如圖1所示。圖1中數(shù)據(jù)存儲單元是具有I2C串行接口的E2PROM，用于保存測量數(shù)據(jù)。紅外接口電路采用Vishay公司的TFDS4500串行紅外收發(fā)模塊及其控制器TOIM3232。

1.1 信號調理及AD595芯片的作用

八個通道的K分度號熱電偶將溫度信號轉換成mV級電壓信號輸入給采集儀。信號調理電路包括多路切換電路和熱偶信號調理專用電路AD595.在實際的熱電偶測溫中，必須進行冷端被償、調零、電壓放大和線性化等比較繁瑣的工作，否則會造成很大的誤差。AD595是AD公司針對上述問題設計的專用芯片，內部具有放大、冷端被償、冰點基準、溫差電偶故障報警等電路。被測溫度與AD595輸出電壓的關系是10mV/℃，芯片在+5V～+30V范圍內都可正常工作。隨所測溫度量程增大，電源電壓應相應提高。圖2是模擬開關電路CD4051與AD595組成的信號調理電路。需注意的是，AD595的第1腳要求接熱電偶正極且接地，模擬開關切換的是各熱電偶的負極。圖2中電位器W用于微調冷端補償電壓。AD595的7腳是負電源端，由于不測0℃以下溫度，不用負壓供電，所以7腳可接地。AD595的12、13腳是熱偶故障報警電路的輸出端，13端接地后，集電極開路的12腳接上拉電阻。熱偶正常時輸出高電平，斷偶故障時輸出低電平。將這個邏輯是怦引入單片機，用于對14腳熱偶電壓的正確判斷。

1.2 模數(shù)轉換及MAX144電路的應用

模數(shù)轉換電路是以單片機核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，這里采用美信公司12bit串行輸出的A/D器件MAX144。它具有兩個輸入通道，通道CH1用于轉換來自信號調理電路的溫度測量信號；另一通信CH0用來轉換儀器內的電池電壓信號（電池電壓的高低，在電腦顯示數(shù)據(jù)曲線的同時告知用戶）。MAX144是8腳μMAX封裝，非常適合于微小型手持儀器，其引腳功能及周邊接線如圖3所示。MAX144的引腳5是基準電壓引入端，用4.096V的AD292作為外接基準源，模擬輸入信號1mV對應于數(shù)字輸出1個字，相當于溫度0.1℃的分辨率。MAX144的串行輸出是SPI/QSP兼容接口。CS、SCLK、DOUT分別接單片機的三條I/O口線，其讀入A/D轉換結果的子程序框圖如圖4所示。轉換結果的第13位用來判別讀入的是哪個A/D通道。每個測量值兩個字節(jié)，按順序存入E2PROM中。

1.3 串行紅外輸出及TFDS4500，TOIM3232的應用

紅外輸出主要由Vishay公司的串行紅外收發(fā)模塊TFDS4500完成。此模塊為低拉耗、側式封裝，符合IrDA1.2串行紅外傳輸標準，其最高的紅外傳輸速度為115.2Kbit/s。腳SC控制收發(fā)模塊的靈敏度。SC為高電平時，模塊的靈敏度提高，可以感測到非常微弱的紅外信號，這樣可以擴大傳輸距離，但其抗干擾能力被降低；當SC為低電平時，模塊的靈敏度降低，但其抗干擾能力有所提高，在本設計中，傳輸距離不太遠，故將SC接地。引腳Vcc-SD為電源/關閉引腳。當該腳為低電平時，紅外傳輸模塊關閉，達到低功耗目的。

根據(jù)IrDA紅外傳輸標準，串行紅外傳輸采用特定的脈沖編碼標準，該標準與RS232串行傳輸標準不同。這里采用TOIM3232傳輸控制器，以進行RS232編碼和IrDA編碼之間的轉換。在輸出模式下，TOIM3232可把RS232信號轉換成符合IrDA標準的信號以驅動紅外發(fā)射器；在接收模式下，它可鈄IrDA輸入信號轉換成符合RS232標準的信號。該控制器可通過RS232口進行編程，以控制輸出脈沖寬度和波特率，其輸出脈沖寬度可程控為1.627μs或3/16位長。因3/16位長功耗大，在本設計中使用前者。圖5為紅外通信主要信號接線圖。

1.4 整機微功耗設計

由于采集儀是電池供電，對功耗的要求比較高，主要采取了以下措施：

（1）盡量使用微功耗器件；

（2）通過模擬開關CD4051的熱偶信號是負電壓，按一般要求其第7引腳VEE需接負電源。但實驗證明，CD4051在VEE接地的情況下仍可通過-0.1V～+Vcc的信號。這樣可省去負電源變換器，既縮小了體積又降低了功耗；

（3）單片機的CPU在不工作時處于休眠狀態(tài)，MAX144不轉換時自動關斷；

（4）不傳輸數(shù)據(jù)時，紅外傳輸模塊關閉。最大限度地降低功耗。

2 采集儀數(shù)據(jù)傳送和處理的可視化編程

采集儀采集完數(shù)據(jù)后，需將數(shù)據(jù)傳送到主機，以便進行數(shù)據(jù)曲線的分析、顯示和打印。

Visual Basic 6.0是一強大的Windows平臺上的軟件開發(fā)工具。其可視化的編程方法以及向導的功能，使開發(fā)人員幾乎不用加入太多的代碼就右以開發(fā)出標準的Windows風格的應用程序。用它編制的采集儀的數(shù)據(jù)接收和處理軟件，界面友好，操作簡便。

2.1 串口數(shù)據(jù)接收

采集儀中的單片機將采集到的溫度數(shù)據(jù)從E2PROM里取出，以2400bytes/s的波特率向電腦發(fā)送。VB6.0通過MSComm控件為應用程序實現(xiàn)串行端口的通訊。串口數(shù)據(jù)接收程序主要分以下幾步：

（1）MSComm控件主要屬性的設置（初始化）

主要包括設置通訊端口、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、接收緩沖區(qū)的最大字節(jié)數(shù)等。

（2）產生OnComm事件處理過程（中斷處理）

主要包括設置進度條顯示方式、進度條滾動框值清零、讀回并刪除接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)流等。

（3）對接收的數(shù)據(jù)進行預處理

對串口接收的數(shù)據(jù)進行雙字節(jié)拼裝，每個采集數(shù)據(jù)兩個字節(jié)，除以10體現(xiàn)溫度0.1℃的分辨率。

2.2 數(shù)據(jù)的顯示、保存與打印

VB6.0中最有用的ActiveX控件之一是RichTextBox控件。它允許向應用程序添加高級字處理特性，并可用一種稱之為RTF的特殊編碼標準格式化文本。與HTML（超文本標記語言）相似，RTF把特殊格式化代碼添加到文本中，以便傳達字體信息、字體大小、類型風格、段落網絡和其他一般格式選項。把格式選項的信息和各通道的測量數(shù)據(jù)處理到一個變體型變量Datatxt中，完整數(shù)據(jù)的顯示。

為便于將來查閱測量結果，還需保存數(shù)據(jù)文件。保存和打開文件的操作用常用對話控件CommandDialog來實現(xiàn)。

打印RichTextbox中內容非常簡單，只要使用SelPrint方法并指定想要使用的打印機的內部地址或設備句柄即可。在此程序中，用Printer對象和該對象的hDC屬性實現(xiàn)打印。

2.3 曲線的顯示與打印

在屏幕上顯示各通道被測溫度隨時間變化的曲線是必須的VB6.0的MSChart控件給數(shù)據(jù)圖表的顯示提供了極大的方便。MSChart控件可顯示的圖表類型有三維和二維的條形圖、面積圖、階梯圖、餅圖、折線圖等。設置ChartType屬性為VtChChartType2dLine（2維折線圖），設置ColumnCout屬性（與圖表關聯(lián)的當前數(shù)據(jù)網絡中的列數(shù)）為8（測量最大通道數(shù)），然后將數(shù)據(jù)賦于控件的行和列（某測量時刻的數(shù)據(jù)對應于某行，通道號對應于列）。

MSChart控件所形成的曲線不能直接打印，可通過剪貼板轉換BMP位圖，然后用Printer方法打印。