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K型热电偶无线测温系统结构设计剖解

 目前,温度测量已被广泛应用于钢铁、冶金、工业焊接、波峰焊、回流焊等各个领域。这些应用的待测温度很高,测量环境非常恶劣。传统的有线测温装置,在这种测温环境下,或无法应用,或受到很多限制。这就要求研发无线的测温系统。这种系统要能够耐受恶劣的环境,还要具有高的测量精度和温度采集速度,并能在远距离由上位机接收。

  无线测温系统是使用K型热电偶作为感温原件,测温范围大,适用于波峰焊、回流焊等高温领域。而且该系统具有独立的温度补偿电路,从而解决了某些集成温度补偿芯片温度采集速度慢的问题,提高了温度测量的灵敏度。由于本系统是无线收发,使用CCl000作为无线通讯芯片,故可以在一定距离由上位机接收数据并实时监控。另外,该系统还有实时记录数据的功能,并可在无线通讯出现障碍时,把数据保存下来,而后等温度采集结束后,由上位机软件读出。
  1系统硬件设计
  采用SOC芯片C805lF020作为主控制芯片。这款单片机采用25MIPS8051CPU流水线指令结构,具备片内64KBFlash程序存储器、256KB+4KB片内RAM及两个外部RAM扩展接口、5个16位定时器和JTAG非侵入式在系统调试等特性。C8051F020作为一个片上系统,具有丰富而强大的外设,其AD转换器具有12位,可以有效提高K型热电偶的输入采集精度。
  另外,采用Atmegal6相配合的目的是为了提高系统的采集速度,进而提高温度测量的灵敏度。通过CCl000完成短距离无线通信。FLASH芯片可对温度数据进行存储,以在无线通信故障时读取。C8051F020通过CP2102的转换后,可用USB端口与上位机通信。
  2系统软件设计
  发射板的软件设计主要包括主控制模块程序和无线发射模块程序。主控程序模块主要完成温度采集、数据处理、向无线发射模块发送数据以及测试温度数据的保存、和上位机的通讯等。无线发射程序模块主要负责对CC1000的初始化,在等待状态时接收C805lF020的数据包,并通过CC1000发送。
  主控制模块程序设计
  主控制模块程序主要完成的功能是对K型热电偶的输入模拟信号进行采样,然后进行查表,以将查表数据转换成温度数据并打包。当发送标志允许时,写入FLASH保存,同时通过串口发送给Atmegal6。
  本系统在上电复位后,应首先对C8051F020的各功能模块进行初始化。包括串口0、串口1、AD转换器、计数器TO、Tl、T2和中断程序等。系统每50ms通过12位AD转换器对输入信号进行一次采样,并将采样信号查表转换成温度数据。然后对数据加上帧头,帧尾和校验位。最后将几帧数据打成一个数据包。
  当发送标志允许时,C805lF020每50ms将数据包写入FLASH芯片AT45DB041D。同时将数据包通过串口发送给Atmegal6。
  无线发射模块程序设计
  无线发射程序的主要功能是通过Atmegal6完成对CCl000的初始化,从C805lF020接收数据,并由CCl000发送出去。
  在设计无线发射模块的程序时,首先应通过Atmegal6完成端口初始化,以及TO和T1的初始化,同时还有串口初始化和中断程序,并对CC1000进行初始化编程。然后,Atmegal6进入循环等待。当确认接收到数据时,先确认数据有效,然后唤醒CC1000并将数据包发送出去。
  3系统性能分析
  本测温系统的特点在于使用了双CPU和独立的温度补偿电路,其意义在于有效提高了温度采集的速度,进而提高测量温度变化的灵敏度。实际测试表明,本系统的测量精度为O.5%,温度采集速度为50ms。
  本系统采用的独立温度补偿电路是以电压式温度传感器TMP35为温度补偿原件。热电偶的输入电动势经温度补偿之后,经精密轨对轨运放OP747进一步放大,再输入到C8051F020的AD转换器。这样可避免使用某些集成K型热电偶温度补偿芯片所带来的速度受限问题。
  本系统采用C8051F020作为新一代的SOC芯片,具有丰富而强大的外设,它具有2个AD转换器,其中ADO具有12位精度,故可有效保证温度信号的精确采集。
  而采用双CPU结构C805lF020和Atmegal6,则可确保系统50ms的采集时间。因为无线发射和写FLASH往往要占用大多数时间,而采用双CPU就可以将两者分开,这样就有效的保证了系统的速度和稳定性。
  采用FLASH芯片AT45DB041D则可在温度采集时实时将数据写入FLASH,以便在无线发射出现障碍时仍可有效保存数据。测试系统保存的数据可由上位机通过USB接口读取。
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