CD4051和AD595制作的温度采集仪

在电子工业中，随着整机集成度的提高和元器件的微型化、复杂化，在印制板上焊接元件时对各种焊接设备如波峰焊、回流焊、SMT等在内的温度工艺要求越来越高。这就需要一种可移动的温度数据采集仪器，能随传送带进入焊炉内，测量记录下不同焊点在印制板上的焊盘孔、过孔等在焊炉内不同位置时的温度参数，并能将测量数据方便地传送给电脑，进行数据曲线的显示、分析和打印，以便制定和执行合适的工艺流程。

无线通信可以去除设备对线缆和连接器的依赖。IrDA红外通信是一种低价且适应性广的短距离无线通信技术，只要通信双方都支持IrDA协议，就能很快建立通信链路，实现数据交换。近来红外通信在电子设备中得到了广泛的应用。为此，研制了带有红外接口的移动式温度数据采集仪。该仪器由可充电电池供电，以1Hz的采集率同时对≤8的温度测量点采集600s的数据。温度测量范围为0℃～300℃，测量精度为满量程的1%。测量数据存于E2PROM中，可掉电保存，直到下次采集将数据更新。通过串行红外接口，仪器可将存储的测量数据方便地传送给电脑。用可视化编程工具Visual Basic6.0制作了Windows界面的数据接收和处理软件，既方便硬件间的连接又便于测量数据的输出与分析。

1 采集仪的硬件原理

仪器的硬件设计贯彻了确保性能、缩小外形(特别是高度要求苛刻)、便于移动、降低功耗和机内隔热的原则。硬件框图如图1所示。图1中数据存储单元是具有I2C串行接口的E2PROM，用于保存测量数据。红外接口电路采用Vishay公司的TFDS4500串行红外收发模块及其控制器TOIM3232。
 

1.1 信号调理及AD595芯片的应用

八个通道的K分度号热电偶将温度信号转换成mV级电压信号输入给采集仪。信号调理电路包括多路切换电路和热偶信号调理专用电路AD595。在实际的热电偶测温中，必须进行冷端补偿、调零、电压放大和线性化等比较繁琐的工作，否则会造成很大的误差。AD595是AD公司针对上述问题设计的专用芯片，内部具有放大、冷端补偿、冰点基准、温差电偶故障报警等电路。被测温度与AD595输出电压的关系是10mV/℃，芯片在+5V~+30V范围内都可正常工作。随所测温度量程增大，电源电压应相应提高。图2 是模拟开关电路CD4051与AD595组成的信号调理电路。需注意的是，AD595的第1脚要求接热电偶正极且接地，模拟开关切换的是各热电偶的负极。
 

图2中电位器Ｗ用于微调冷端补偿电压。AD595的7脚是负电源端，由于不测0℃以下的温度，不用负压供电，所以7脚可接地。AD595的12、13脚是热偶故障报警电路的输出端，13脚接地后，集电极开路的12脚接上拉电阻。热偶正常时输出高电平，断偶故障时输出低电平。将这个逻辑电平引入单片机，用于对14脚热偶电压的正确判断。

1.2 模数转换及MAX144电路的应用

模数转换电路是以单片机为核心的数据采集系统的关键环节，这里采用美信公司12bit串行输出的A/D器件MAX144。它具有两个输入通道，通道CH1用于转换来自信号调理电路的温度测量信号；另一通道CH0用来转换仪器内的电池电压信号(电池电压的高低，在电脑显示数据曲线的同时告知用户)。MAX144是8脚μMAX封装，非常适合于微小型手持仪器，其引脚功能及周边接线如图3所示。

MAX144的引脚5是基准电压引入端，用4.096V的AD292作为外接基准源，模拟输入信号1mV对应于数字输出1个字，相当于温度0.1℃的分辨率。MAX144的串行输出是SPI/QSP兼容接口。CS、SCLK、DOUT分别接单片机的三条I/O口线，其读入A/D转换结果的子程序框图如图4所示。转换结果的第13位用来判别读入的是哪个A/D通道。每个测量值两个字节，按顺序存入E2PROM中。
 

1.3 串行红外输出及TFDS4500，TOIM3232的应用

红外输出主要由Vishay公司的串行红外收发模块TFDS4500完成。此模块为低功耗、侧式封装，符合IrDA1.2串行红外传输标准，其最高的红外传输速度为115.2Kbit/s。引脚SC控制收发模块的灵敏度。SC为高电平时，模块的灵敏度提高，可以感测到非常微弱的红外信号，这样可以扩大传输距离，但其抗干扰能力被降低；当SC为低电平时，模块的灵敏度降低，但其抗干扰能力有所提高。在本设计中，传输距离不太远，故将SC接地。引脚Vcc-SD为电源/关闭引脚。当该脚为低电平时，红外传输模块关闭，达到低功耗目的。

根据IrDA红外传输标准，串行红外传输采用特定的脉冲编码标准，该标准与RS232串行传输标准不同。这里采用TOIM3232传输控制器，以进行RS232编码和IrDA编码之间的转换。在输出模式下，TOIM3232可把RS232信号转换成符合IrDA标准的信号以驱动红外发射器；在接收模式下，它可将IrDA输入信号转换成符合RS232标准的信号。该控制器可通过RS232口进行编程，以控制输出脉冲宽度和波特率，其输出脉冲宽度可程控为1.627μs或3/16位长。因3/16位长功耗大在本设计中使用前者。图5为红外通信主要信号接线图。

1.4 整机微功耗设计

由于采集仪是电池供电，对功耗的要求比较高，主要采取了以下措施：

(1)尽量使用微功耗器件；
(2)通过模拟开关CD4051的热偶信号是负电压，按一般要求其第7引脚VEE需接负电源。但实验证明，CD4051在VEE接地的情况下仍可通过-0.1V~+Vcc的信号。这样可省去负电源变换器，既缩小了体积又降低了功耗；
(3)单片机的CPU在不工作时处于休眠状态，MAX144不转换时自动关断；
(4)不传输数据时，红外传输模块关闭。最大限度地降低功耗。

2 采集仪数据传送和处理的可视化编程

采集仪采集完数据后，需将数据传送到主机，以便进行数据曲线的分析、显示和打印。
Visual Basic 6.0是一个强大的Windows平台上的软件开发工具。其可视化的编程方法以及向导的功能，使开发人员几乎不用加入太多的代码就可以开发出标准的Windows风格的应用程序。用它编制的采集仪的数据接收和处理软件，界面友好，操作简便。

2.1 串口数据接收

采集仪中的单片机将采集到的温度数据从E2PROM里取出，以2400bytes/s的波特率向电脑发送。VB6.0通过MSComm控件为应用程序实现串行端口的通讯。串口数据接收程序主要分以下几步：

(1)MSComm控件主要属性的设置(初始化)
主要包括设置通讯端口、波特率、数据位、停止位、接收缓冲区的最大字节数等。
(2)产生OnComm事件的处理过程(中断处理)
主要包括设置进度条显示方式、进度条滚动框值清零、读回并删除接收缓冲区中的数据流等。
(3)对接收的数据进行预处理
对串口接收的数据进行双字节拼装，每个采集数据两个字节，除以10体现温度0.1℃的分辨率。

2.2 数据的显示、保存与打印

VB6.0中最有用的ActiveX控件之一是RichTextBox控件。它允许向应用程序添加高级字处理特性，并可用一种称之为RTF的特殊编码标准格式化文本。与HTML(超文本标记语言)相似，RTF把特殊格式化代码添加到文本中，以便传达字体信息、字体大小、类型风格、段落风格和其他一般格式选项。把格式选项的信息和各通道的测量数据处理到一个变体型变量Datatxt中，完成数据的显示。

为便于将来查阅测量结果，还需保存数据文件。保存和打开文件的操作用常用对话控件CommandDialog来实现。

打印RichTextbox中的内容非常简单，只要使用SelPrint方法并指定想要使用的打印机的内部地址或设备句柄即可。在此程序中，用Printer对象和该对象的hDC属性实现打印。

2.3 曲线的显示与打印

在屏幕上显示各通道被测温度随时间变化的曲线是必须的。VB6.0的MSChart控件给数据图表的显示提供了极大的方便。MSChart控件可显示的图表类型有三维和二维的条形图、面积图、阶梯图、饼图、折线图等。设置ChartType属性为VtCHChartType2dLine(2维折线图)，设置ColumnCout属性(与图表关联的当前数据网格中的列数)为8(测量最大通道数)，然后将数据赋于控件的行和列(某测量时刻的数据对应于某行，通道号对应于列)。

MSChart控件所形成的曲线不能直接打印，可通过剪贴板转换成BMP位图，然后用Printer方法打印。

参考文献
1 Monolithic Thermocouple Amplifiers with Cold Junction Compensation AD594/AD595 Datasheet． Analog Devices Inc1999
2 MAX144/MAX145 Datasheet． MAXIM Inc1998
3 李玉东．Visual Basic 6.0 中文版控件大全．北京：电子工业出版社2000
4 曹长江．串行红外收发模块及控制器在红外抄表系统中的应用．电子技术应用，2000；26(9)：69~72