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)，必須對電路板上數(shù)點(diǎn)做經(jīng)過回焊爐的溫度曲線量測與紀(jì)錄，這正是回焊爐溫度量測紀(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 來實(shí)際制作一個(gè)簡單的溫度記錄器。

1. 系統(tǒng)架構(gòu)

<圖1>系統(tǒng)架構(gòu)

溫度記量測錄器主要使用熱電偶來量測溫度，因?yàn)闊犭娕荚试S長距離的量測點(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讀電壓。

微控器SN8P1708 利用ADC 的一個(gè)通道來讀取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)量測的溫度曲線值依時(shí)間間隔儲(chǔ)存于內(nèi)存中;量測結(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)來和個(gè)人計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，將量測結(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?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點(diǎn)溫度的倍數(shù)，即經(jīng)過放大器后輸出電壓與量測點(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。

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，電壓單位皆為mV，溫度單位為°C。如果是以線性的關(guān)系來近似，直接把AD595C的輸出電壓除以10 來轉(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。

6. 寫入的地址為起始地址，寫入數(shù)據(jù)從此地址開始往后寫入。

7. 腳位/CS 的作用主要是訊框同步化(frame synchronization)的作用。一個(gè)完整的指令構(gòu)成一個(gè)訊框，閑置時(shí)/CS 為高電位，傳遞訊框前要先把/CS 變成低電位，直到訊框結(jié)束后才再恢復(fù)成高電位，當(dāng)/CS 為高電位時(shí)，腳位SO 會(huì)切換成高阻抗。

8. 當(dāng)EEPROM 收到無意義的非定義指令時(shí)，會(huì)忽略之，并將SO 設(shè)為高阻抗腳，等待/CS 的下降緣，才會(huì)把腳位SO 設(shè)為輸出腳。

4. 微控器SN8P1708 的SPI 界面

SN8P1708 微控器提供了一個(gè)串行傳輸?shù)囊?，用以達(dá)成平行處理(不占用CPU 資源)串行輸出入的目的。此通訊接口(SIO)與SPI(Serial Peripheral Interface)兼容，但是為三線式，只有SCK，SI，SO 三腳位;SCK 為頻率腳，SI 為數(shù)據(jù)輸入腳接到EEPROM 的SO 腳，SO 為輸出腳接到EEPROM 的SI 腳，由于微控器擔(dān)任主裝置的角色，另外需要一個(gè)腳位來控制仆裝置EEPROM 的/CS，所以設(shè)P1.5 為致能EEPROM 腳。SN8P1708 使用一個(gè)系統(tǒng)緩存器SIOM 來作SIO 的模式控制，另外有一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖緩存器SIOB，和一個(gè)供頻率定時(shí)器用的自動(dòng)加載緩存器SIOR。串行式通訊接口內(nèi)部有一個(gè)獨(dú)立的8 位頻率定時(shí)器SIOC，其無法由程序讀寫，但是每次溢位時(shí)，都會(huì)將緩存器SIOR 中所存之值載入來作為計(jì)時(shí)初始值。這個(gè)定時(shí)器的頻率源為中央處理器的頻率，經(jīng)過除頻后才送至定時(shí)器。

SN8P1708 中SIO 相關(guān)的緩存器共有一個(gè)模式緩存器SIOM、數(shù)據(jù)緩沖器SIOB、頻率定時(shí)器SIOC、自動(dòng)加載緩存器SIOR。模式緩存器SIOM 的定義如下：

TXRX: 0 表示僅作接收資料

1 表示全雙工功能，可傳送和接收數(shù)據(jù)

SEDGE: 0 表在頻率的下降緣觸發(fā)(falling edge)

1 表在頻率的上升緣觸發(fā)(rising edge)

Strate1,Strate0: 為串行串輸頻率定時(shí)器預(yù)除值dsck

START: 0 表傳輸結(jié)束

1 表立即開始傳輸，傳輸結(jié)束則自動(dòng)清為0，并觸發(fā)SIO 中斷要求

SENB: 0 表禁能串行傳輸接口。腳位P5.0~P5.2 為一般輸出入腳

1 表致能串行傳輸接口。腳位P5.0~P5.2 為串行傳輸腳

數(shù)據(jù)緩沖器SIOB 用來暫存輸出與輸入數(shù)據(jù)緩存器，每當(dāng)開始全雙工串行傳輸前先將欲送出的資料放到SIOB。當(dāng)傳完后SIOB 會(huì)接收到另一端傳來的數(shù)據(jù)。每傳完一個(gè)字符，SIOB 更新一次，因此每傳完一個(gè)字符需將接收到的數(shù)據(jù)自SIOB 取出。

最后看頻率產(chǎn)生模塊SIOC 和SIOR。SIOC 是一個(gè)獨(dú)立的8 位定時(shí)器，無法由程序讀寫，會(huì)自動(dòng)加載SIOR 的值當(dāng)作計(jì)時(shí)的初值，開始自動(dòng)往上數(shù)值到溢位時(shí)，再重載初值，定時(shí)器的頻率源fCTS 是CPU 的頻率fCPU 經(jīng)過除頻器后才送至定時(shí)器，除頻器的預(yù)除值dSCK 是由模式緩存器SIOM 的Strate1、Strate0來調(diào)整，因此串行頻率周期

與頻率

分別是:

注意，

為SIOR 的值，即頻率定時(shí)器的初值。

5. 測試實(shí)驗(yàn)

測試的電路板依照圖2 的電路圖制作，其中AD595C 和AT25128 二顆芯片的照片如圖4 所示。程序的撰寫依照前述的方法，只有模擬轉(zhuǎn)數(shù)字ADC 未介紹，這部分請參考e 科技雜志vol. 28, April 2003, p. 18~21 中林錫寬所著的『電動(dòng)滑板車速度控制器』。

(a) (b)

<圖4> (a) AD595C;(b)AT25128。

程序啟動(dòng)后，四顆四段顯示器顯示EEEE，表示待機(jī)中。按下『C』鍵，立即進(jìn)行從AIN0 腳位讀入電壓的值，并且儲(chǔ)存到EEPROM;如此反復(fù)直到預(yù)設(shè)的次數(shù)滿為止，這時(shí)四顆四段顯示器會(huì)顯示AAAA。再讀取電壓值時(shí)，允許按下『C』鍵，來暫停讀取;暫停中再按下『C』鍵來恢復(fù)讀取。顯示器會(huì)顯示AAAA，則可以開始按『F』鍵來顯示下一筆儲(chǔ)存在EEPROM 的資料，或按下『F』鍵來顯示上一筆數(shù)據(jù)。

.

實(shí)際測試是將熱電偶置于熱水中來進(jìn)行(見圖5)，當(dāng)按下『C』鍵后，可以看到四顆四段顯示器顯示653 的數(shù)值，即表示目前輸入電壓為5 × (653 / 4096)= 0.798 V，因?yàn)锳DC 參考電源為5 V，而分辨率為12 位。整個(gè)過程結(jié)束后，則顯示AAAA。同樣的，以市售的熱電偶溫度計(jì)量測，得到80°C。如果以AD595的電壓溫度關(guān)系，直接成上100 就是溫度，也可以得0.798 x 100 =79.8°C。二者的結(jié)果非常吻合。

<圖9>實(shí)作結(jié)果

6. 結(jié)論

本文蒙國科會(huì)的大學(xué)生參與專題研究計(jì)劃的完全補(bǔ)助(補(bǔ)助編號(hào)：92-2815-C-009 -021 -E)。最后，希望此文能激發(fā)工業(yè)界的人士嘗試研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。制作實(shí)際產(chǎn)品時(shí)，需要在ADC 的參考電壓腳位上再加上精密穩(wěn)壓器，才可以獲得更精確的量測結(jié)果。