回焊爐之單芯片溫度量測(cè)記錄器

電路板零件自動(dòng)組裝(SMD)的過程，需要事先研究出最佳的回焊爐(reflow oven)溫度分布曲線，然后在量產(chǎn)時(shí)再將回焊爐溫度控制在最佳的分布狀況。

為了確定溫度是控制在事先預(yù)期的分布范圍之內(nèi)，必須對(duì)電路板上數(shù)點(diǎn)做經(jīng)過回焊爐的溫度曲線量測(cè)與紀(jì)錄，這正是回焊爐溫度量測(cè)紀(jì)錄器(reflow oven data-logger)的功用。這篇文章將利用松翰科技公司的微控器 SN8P1708 來(lái)實(shí)際制作一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度記錄器。

1. 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1>系統(tǒng)架構(gòu)

溫度記量測(cè)錄器主要使用熱電偶來(lái)量測(cè)溫度，因?yàn)闊犭娕荚试S長(zhǎng)距離的量測(cè)點(diǎn)。整個(gè)硬件架構(gòu)如圖1 所示。由于K 型熱電偶每度C 的輸出電壓差約為40μV，所以必須接上一個(gè)放大器才能被微控器的ADC 精確量得。熱電偶溫度計(jì)的使用必須將一個(gè)參考接合點(diǎn)置于已知的固定溫度(如冰浴)之下，這即是熱電偶的溫度補(bǔ)償，但這樣的方法對(duì)于一般工業(yè)應(yīng)用并不可行，所以為了方便使用熱電偶必須使用熱電偶補(bǔ)償芯片。這里使用Analog Devices 公司的AD595 來(lái)提供補(bǔ)償電壓和同時(shí)作線性放大，所以不需要額外配置放大電路，就可以用一般的電表或是微處理器測(cè)讀電壓。

微控器SN8P1708 利用ADC 的一個(gè)通道來(lái)讀取AD595 輸出的電壓，然后再將其利用SPI 串行傳輸儲(chǔ)存于一顆EEPROM 的內(nèi)存中。整個(gè)量測(cè)的溫度曲線值依時(shí)間間隔儲(chǔ)存于內(nèi)存中;量測(cè)結(jié)束后，拔除熱電偶接頭，再利用RS232(或者是一顆低速USB 芯片，例如CY7C63742)來(lái)和個(gè)人計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，將量測(cè)結(jié)果下載到計(jì)算機(jī)中。實(shí)作的電路圖如圖3 所示，本文暫時(shí)忽略與個(gè)人計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)下載資料的實(shí)作部份。電路圖中，請(qǐng)?zhí)貏e注意AD595C(K 型熱電偶專用的放大補(bǔ)償芯片)和AT25128(16 KB 的EEPROM 芯片)的接線方式。

圖2>系統(tǒng)電路圖。

2. AD595C 芯片

假設(shè)K 型熱電偶量測(cè)接合點(diǎn)與參考接合點(diǎn)的溫度分別為TM 和TR，則熱電偶的輸出電壓為：

E = EK(TM) - EK(TR)

其中，EK(TM)表示K 型熱電偶在參考接合點(diǎn)溫度為0°C 時(shí)的輸出電壓。

如果TR已知，則可以求得EK(TR)，進(jìn)而利用熱電偶參考函數(shù)的反函數(shù)求出量測(cè)接合點(diǎn)的溫度：

TM = Ek-1[EK(TM) - EK(TR)]

當(dāng)參考接合點(diǎn)的溫度為0°C 時(shí)，K 型熱電偶的量測(cè)接合點(diǎn)在25°C 的輸出電壓為1.000mV，電位差與溫度間函數(shù)關(guān)系的Seebeck 系數(shù)約為40μV/°C。Analog Devices 公司的AD595 是專為K 型熱電偶儀器設(shè)計(jì)使用的放大器，是經(jīng)雷射精調(diào)(laser trimmed)的產(chǎn)品，放大倍率為247.3V/V，經(jīng)過參考點(diǎn)溫度補(bǔ)償電路后，使得輸出電壓直接為量測(cè)點(diǎn)溫度的倍數(shù)，即經(jīng)過放大器后輸出電壓與量測(cè)點(diǎn)溫度間關(guān)系為10mV/°C。更詳細(xì)的內(nèi)容可以在Analog 網(wǎng)站http://www.analog.com 中取得AD595 的資料冊(cè)。

AD595C 的輸出電壓與熱電偶輸入電壓關(guān)系式如下：

注意，

為實(shí)際的熱電偶輸出電壓，而0.04 × TR為冰點(diǎn)補(bǔ)償電壓，電壓?jiǎn)挝唤詾閙V，溫度單位為°C。如果是以線性的關(guān)系來(lái)近似，直接把AD595C的輸出電壓除以10 來(lái)轉(zhuǎn)成溫度值(即10mV/°C)，將有如圖3 所示，有不可避免的誤差，不過若已知待測(cè)溫度在0~300°C 之間，則其誤差尚可以接受。

(a)

(b)

圖3>AD595C 之輸出與線性化溫度的誤差。

3. SPI 串行型的EEPROM

AT25128 為Atmel 公司的EEPROM，具有SPI 傳列傳輸接口。除了Vcc和GND腳外，SPI 傳輸所需的四支接腳為SO(即MISO)、SI(即MOSI)、SCK、和/CS(即/SS)，其接線法請(qǐng)參考圖2。其余二支腳位：/HOLD 腳用以暫停串行傳輸;/WP腳為0 時(shí)，用以防止數(shù)據(jù)寫入狀態(tài)緩存器。兩腳位未用到時(shí)，都需要接到Vcc。

此芯片具有一個(gè)狀態(tài)緩存器(Status Register)，定義如下(本實(shí)作只用到位WEN 和RDY)：

狀態(tài)緩存器(0xxx 0000)

而控制EEPROM 的六個(gè)指令如下：

以下僅列舉應(yīng)用要點(diǎn):

1. 容量為16KB(128kb)，內(nèi)存地址為0000h~3FFFh(共4000h 個(gè)地址)，因此指定地址時(shí)需要2 個(gè)bytes。

2. 可兼容兩種SPI 頻率模式: CPOL=0 CPHA=0 ; CPOL=1 CPHA=1。

3. 傳輸時(shí)最高位先傳送。

4. 接收寫入指令到寫入內(nèi)存中的寫入周期約為2ms，因此主裝置寫入周期不可過短。

5. 寫入EEPROM 步驟如下 ，直到RDY=0 時(shí)才完成一筆數(shù)據(jù)的寫入。