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基于C8051和Atmegal6的无线温度测量系统设计

2010/12/16 13:37:19  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  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。

  根据上述工业生产的需要,本文研发出了一种无线测温系统。该系统使用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。而且本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,本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

  本系统采用SOC芯片C805lF020作为主控制芯片。这款单片机采用25MIPS 8051 CPU流水线指令结构,具备片内64 KB Flash程序存储器、256 KB+4 KB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。本系统的硬件结构框图如图1所示。

  1.1 以C8051F020为中心的系统控制模块

  本模块包含C805lF020控制模块、FLASH存储模块、CP2102通信模块。当系统处于发送状态时,C805lF020用于对热电偶的输入模拟信号进行采集,并将采集信号经12位AD转换器转换为数字信号,然后由C805lF020对数据进行查表,再将其转换为温度数据,对数据进行处理、打包。最后将数据写入FLASH芯片,并通过串口发送给Atmegal6。

  当系统处于等待状态时,它将与上位机通过IJSB接口进行通信。CP2102可完成串口与USB接口的转换。如果系统接到上位机的命令,要求读取数据,则C805lF020将从FLASH芯片将数据读出,然后通过串口发送出去,再经CP2102,由USB接口输入上位机。

  1.2 以CCl000为中心的无线发射模块

  无线发射模块包括CCl000、Atmegal6和天线。其中CCl000是根据Chipcon公司的SmartRF技术,在0.35μm CMOS工艺下制造的一种理想超高频单片收发通信芯片。CCl000的工作频带在315、433、868及915 MHz。而且很容易通过编程使其工作在300~1000 MHz范围内。AVR单片机Atmegal6可用于完成对CCl000的初始化,以及和CCl000的通信,同时也和主控芯片C805lF020保持通信。当系统处于发送状态时,Atmegal6接收到C8051F020发来的数据包后,便通过CC1000向外发送。

  1. 3 以热电偶为中心的温度采集模块

  本模块包括电压式温度传感器TMP35和K型热电偶。其中热电偶的工作原理是根据热端和冷端的温度差而产生电势差。由于实际测量时,冷端的温度往往不是O℃,所以要对热电偶进行温度补偿。热电偶温度补偿公式如下:

  E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)

  其中,E(t0,0)是实际测量的电动势,t代表热端温度,t0代表冷端温度,0代表O℃。在现场温度测量中,由于热电偶冷端温度一般不为O℃,而是在一定范围内变化着,因此测得的热电势为E(t,t0)。如果要测得真实的被测温度所对应的热电势E(t,0),就必须补偿冷端不是0℃所需的补偿电势E(t0,0),而且,该补偿电势随冷端温度变化的特性必须与热电偶的热电特性相一致,这样才能获得最佳补偿效果。

  图2所示是一个温度补偿电路的原理图。图中,温度传感器TMP35很好的完成了温度补偿工作,TMP35输出的电压先经电阻分压,再经放大器放大,就是K型热电偶对应的E(t0,O)。

  2 系统软件设计

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