基于C8051和Atmega16的無線溫度測量系統(tǒng)設(shè)計
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根據(jù)上述工業(yè)生產(chǎn)的需要，本文研發(fā)出了一種無線測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用K型熱電偶作為感溫原件，測溫范圍大，適用于波峰焊、回流焊等高溫領(lǐng)域。而且本系統(tǒng)具有獨立的溫度補償電路，從而解決了某些集成溫度補償芯片溫度采集速度慢的問題，提高了溫度測量的靈敏度。由于本系統(tǒng)是無線收發(fā)，使用CCl000作為無線通訊芯片，故可以在一定距離由上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并實時監(jiān)控。另外，本系統(tǒng)還有實時記錄數(shù)據(jù)的功能，并可在無線通訊出現(xiàn)障礙時，把數(shù)據(jù)保存下來，而后等溫度采集結(jié)束后，由上位機(jī)軟件讀出。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)采用SOC芯片C805lF020作為主控制芯片。這款單片機(jī)采用25MIPS8051 CPU流水線指令結(jié)構(gòu)，具備片內(nèi)64 KB Flash程序存儲器、256 KB+4 KB片內(nèi)RAM及兩個外部RAM擴(kuò)展接口、5個16位定時器和JTAG非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試等特性。C8051F020作為一個片上系統(tǒng)，具有豐富而強大的外設(shè)，其AD轉(zhuǎn)換器具有12位，可以有效提高熱電偶的輸入采集精度。
另外，采用Atmegal6相配合的目的是為了提高系統(tǒng)的采集速度，進(jìn)而提高溫度測量的靈敏度。通過CCl000完成短距離無線通信。FLASH芯片可對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以在無線通信故障時讀取。C8051F020通過CP2102的轉(zhuǎn)換后，可用USB端口與上位機(jī)通信。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1．1 以C8051F020為中心的系統(tǒng)控制模塊
本模塊包含C805lF020控制模塊、FLASH存儲模塊、CP2102通信模塊。當(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)送狀態(tài)時，C805lF020用于對熱電偶的輸入模擬信號進(jìn)行采集，并將采集信號經(jīng)12位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后由C805lF020對數(shù)據(jù)進(jìn)行查表，再將其轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、打包。最后將數(shù)據(jù)寫入FLASH芯片，并通過串口發(fā)送給Atmegal6。
當(dāng)系統(tǒng)處于等待狀態(tài)時，它將與上位機(jī)通過IJSB接口進(jìn)行通信。CP2102可完成串口與USB接口的轉(zhuǎn)換。如果系統(tǒng)接到上位機(jī)的命令，要求讀取數(shù)據(jù)，則C805lF020將從FLASH芯片將數(shù)據(jù)讀出，然后通過串口發(fā)送出去，再經(jīng)CP2102，由USB接口輸入上位機(jī)。
1．2 以CCl000為中心的無線發(fā)射模塊
無線發(fā)射模塊包括CCl000、Atmegal6和天線。其中CCl000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，在0．35μmCMOS工藝下制造的一種理想超高頻單片收發(fā)通信芯片。CCl000的工作頻帶在315、433、868及915 MHz。而且很容易通過編程使其工作在300"1000 MHz范圍內(nèi)。AVR單片機(jī)Atmegal6可用于完成對CCl000的初始化，以及和CCl000的通信，同時也和主控芯片C805lF020保持通信。當(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)送狀態(tài)時，Atmegal6接收到C8051F020發(fā)來的數(shù)據(jù)包后，便通過CC1000向外發(fā)送。
1. 3 以熱電偶為中心的溫度采集模塊
本模塊包括電壓式溫度傳感器TMP35和K型熱電偶。其中熱電偶的工作原理是根據(jù)熱端和冷端的溫度差而產(chǎn)生電勢差。由于實際測量時，冷端的溫度往往不是O℃，所以要對熱電偶進(jìn)行溫度補償。熱電偶溫度補償公式如下：
E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0)
其中，E(t0，0)是實際測量的電動勢，t代表熱端溫度，t0代表冷端溫度，0代表O℃。在現(xiàn)場溫度測量中，由于熱電偶冷端溫度一般不為O℃，而是在一定范圍內(nèi)變化著，因此測得的熱電勢為E(t，t0)。如果要測得真實的被測溫度所對應(yīng)的熱電勢E(t，0)，就必須補償冷端不是0℃所需的補償電勢E(t0，0)，而且，該補償電勢隨冷端溫度變化的特性必須與熱電偶的熱電特性相一致，這樣才能獲得最佳補償效果。
圖2所示是一個溫度補償電路的原理圖。圖中，溫度傳感器TMP35很好的完成了溫度補償工作，TMP35輸出的電壓先經(jīng)電阻分壓，再經(jīng)放大器放大，就是K型熱電偶對應(yīng)的E(t0，O)。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
發(fā)射板的軟件設(shè)計主要包括以C8051F020的主控制模塊程序和以Atmegal6為中心的無線發(fā)射模塊程序。主控程序模塊主要完成溫度采集、數(shù)據(jù)處理、向無線發(fā)射模塊發(fā)送數(shù)據(jù)以及測試溫度數(shù)據(jù)的保存、和上位機(jī)的通訊等。無線發(fā)射程序模塊主要負(fù)責(zé)對CC1000的初始化，在等待狀態(tài)時接收C805lF020的數(shù)據(jù)包，并通過CC1000發(fā)送。
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