帶有紅外接口的移動(dòng)式溫度數據采集儀的研制

摘要：介紹了基于單片機的移動(dòng)式溫度數據采集儀的硬件設計，串行紅外接口的應用及用可視化編程工具VB6.0實(shí)現的WINDOWS界面的數據接收、處理軟件。

關(guān)鍵詞：熱電耦 溫度測量 數據采集 紅外串口通信

在電子工業(yè)中，隨著(zhù)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(shí)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(lái)越高。這就需要一種可移動(dòng)的溫度數據采集儀器，能隨傳送帶進(jìn)入焊爐內，測量記錄下不同焊點(diǎn)（印制板上的焊盤(pán)孔、過(guò)孔等）在焊爐內不同位置時(shí)的溫度參數，并能將測量數據方便地傳送給電腦，進(jìn)行數據曲線(xiàn)的顯示、分析和打印，以便制定和執行合適的工藝流程。

無(wú)線(xiàn)通信可以去除設備對線(xiàn)纜和連接器的依賴(lài)。IrDA紅外通信是一種低價(jià)且適應性廣的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，只要通信雙方都支持IrDA協(xié)議，就能很快建立通信鏈路，實(shí)現數據交換。近來(lái)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(dòng)式溫度數據采集儀。該儀器由可充電電流供電，以1Hz的采集率同時(shí)對≤8的溫度測量點(diǎn)采集600s的數據。溫度測量范圍為0℃～300℃，測量精度為滿(mǎn)量程的1%。測量數據存于E2PROM中，可掉電保存，直到下次采集數據更新。通過(guò)串行紅外接口，儀器可將存儲的測量數據方便地傳送給電腦。用可視化編程工具Visual Basic6.0制作了Windows界面的數據接收和處理軟件，既方便硬件間的連接又便于測量數據的輸出與分析。

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(dòng)、降低功耗和內隔熱的原則。硬件框圖如圖1所示。圖1中數據存儲單元是具有I2C串行接口的E2PROM，用于保存測量數據。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(gè)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(zhuān)用電路AD595.在實(shí)際的熱電偶測溫中，必須進(jìn)行冷端被償、調零、電壓放大和線(xiàn)性化等比較繁瑣的工作，否則會(huì )造成很大的誤差。AD595是AD公司針對上述問(wèn)題設計的專(zhuān)用芯片，內部具有放大、冷端被償、冰點(diǎn)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(guān)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(kāi)路的12腳接上拉電阻。熱偶正常時(shí)輸出高電平，斷偶故障時(shí)輸出低電平。將這個(gè)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 模數轉換及MAX144電路的應用

模數轉換電路是以單片機核心的數據采集系統的關(guān)鍵環(huán)節，這里采用美信公司12bit串行輸出的A/D器件MAX144。它具有兩個(gè)輸入通道，通道CH1用于轉換來(lái)自信號調理電路的溫度測量信號；另一通信CH0用來(lái)轉換儀器內的電池電壓信號（電池電壓的高低，在電腦顯示數據曲線(xiàn)的同時(shí)告知用戶(hù)）。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(xiàn)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對應于數字輸出1個(gè)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(xiàn)，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(lái)判別讀入的是哪個(gè)A/D通道。每個(gè)測量值兩個(gè)字節，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(shí)，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(shí)，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(guān)閉引腳。當該腳為低電平時(shí)，紅外傳輸模塊關(guān)閉，達到低功耗目的。

根據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(jìn)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(dòng)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(guò)RS232口進(jìn)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(cháng)。因3/16位長(cháng)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(xiàn)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(guò)模擬開(kāi)關(guān)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(shí)驗證明，CD4051在VEE接地的情況下仍可通過(guò)-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(shí)處于休眠狀態(tài)，MAX144不轉換時(shí)自動(dòng)關(guān)斷；

（4）不傳輸數據時(shí)，紅外傳輸模塊關(guān)閉。最大限度地降低功耗。

2 采集儀數據傳送和處理的可視化編程

采集儀采集完數據后，需將數據傳送到主機，以便進(jìn)行數據曲線(xiàn)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(kāi)發(fā)工具。其可視化的編程方法以及向導的功能，使開(kāi)發(fā)人員幾乎不用加入太多的代碼就右以開(kāi)發(fā)出標準的Windows風(fēng)格的應用程序。用它編制的采集儀的數據接收和處理軟件，界面友好，操作簡(jiǎn)便。

2.1 串口數據接收

采集儀中的單片機將采集到的溫度數據從E2PROM里取出，以2400bytes/s的波特率向電腦發(fā)送。VB6.0通過(guò)MSComm控件為應用程序實(shí)現串行端口的通訊。串口數據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、數據位、停止位、接收緩沖區的最大字節數等。

（2）產(chǎn)生OnComm事件處理過(guò)程（中斷處理）

主要包括設置進(jìn)度條顯示方式、進(jìn)度條滾動(dòng)框值清零、讀回并刪除接收緩沖區中的數據流等。

（3）對接收的數據進(jìn)行預處理

對串口接收的數據進(jìn)行雙字節拼裝，每個(gè)采集數據兩個(gè)字節，除以10體現溫度0.1℃的分辨率。

2.2 數據的顯示、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(chēng)之為RTF的特殊編碼標準格式化文本。與HTML（超文本標記語(yǔ)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(lèi)型風(fēng)格、段落網(wǎng)絡(luò )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據處理到一個(gè)變體型變量Datatxt中，完整數據的顯示。

為便于將來(lái)查閱測量結果，還需保存數據文件。保存和打開(kāi)文件的操作用常用對話(huà)控件CommandDialog來(lái)實(shí)現。

打印RichTextbox中內容非常簡(jiǎn)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(shí)現打印。

2.3 曲線(xiàn)的顯示與打印

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

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