回焊炉之单芯片温度量测记录器

电路板零件自动组装(SMD)的过程，需要事先研究出最佳的回焊炉(reflow oven)温度分布曲线，然后在量产时再将回焊炉温度控制在最佳的分布状况。

为了确定温度是控制在事先预期的分布范围之内，必须对电路板上数点做经过回焊炉的温度曲线量测与纪录，这正是回焊炉温度量测纪录器(reflow oven data-logger)的功用。这篇文章将利用松翰科技公司的微控器 SN8P1708 来实际制作一个简单的温度记录器。

1. 系统架构

图1>系统架构

温度记量测录器主要使用热电偶来量测温度，因为热电偶允许长距离的量测点。整个硬件架构如图1 所示。由于K 型热电偶每度C 的输出电压差约为40μV，所以必须接上一个放大器才能被微控器的ADC 精确量得。热电偶温度计的使用必须将一个参考接合点置于已知的固定温度(如冰浴)之下，这即是热电偶的温度补偿，但这样的方法对于一般工业应用并不可行，所以为了方便使用热电偶必须使用热电偶补偿芯片。这里使用Analog Devices 公司的AD595 来提供补偿电压和同时作线性放大，所以不需要额外配置放大电路，就可以用一般的电表或是微处理器测读电压。

微控器SN8P1708 利用ADC 的一个通道来读取AD595 输出的电压，然后再将其利用SPI 串行传输储存于一颗EEPROM 的内存中。整个量测的温度曲线值依时间间隔储存于内存中;量测结束后，拔除热电偶接头，再利用RS232(或者是一颗低速USB 芯片，例如CY7C63742)来和个人计算机联机，将量测结果下载到计算机中。实作的电路图如图3 所示，本文暂时忽略与个人计算机联机下载资料的实作部份。电路图中，请特别注意AD595C(K 型热电偶专用的放大补偿芯片)和AT25128(16 KB 的EEPROM 芯片)的接线方式。

图2>系统电路图。

2. AD595C 芯片

假设K 型热电偶量测接合点与参考接合点的温度分别为TM 和TR，则热电偶的输出电压为：

E = EK(TM) - EK(TR)

其中，EK(TM)表示K 型热电偶在参考接合点温度为0°C 时的输出电压。

如果TR已知，则可以求得EK(TR)，进而利用热电偶参考函数的反函数求出量测接合点的温度：

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

当参考接合点的温度为0°C 时，K 型热电偶的量测接合点在25°C 的输出电压为1.000mV，电位差与温度间函数关系的Seebeck 系数约为40μV/°C。Analog Devices 公司的AD595 是专为K 型热电偶仪器设计使用的放大器，是经雷射精调(laser trimmed)的产品，放大倍率为247.3V/V，经过参考点温度补偿电路后，使得输出电压直接为量测点温度的倍数，即经过放大器后输出电压与量测点温度间关系为10mV/°C。更详细的内容可以在Analog 网站http://www.analog.com 中取得AD595 的资料册。

AD595C 的输出电压与热电偶输入电压关系式如下：

注意，

为实际的热电偶输出电压，而0.04 × TR为冰点补偿电压，电压单位皆为mV，温度单位为°C。如果是以线性的关系来近似，直接把AD595C的输出电压除以10 来转成温度值(即10mV/°C)，将有如图3 所示，有不可避免的误差，不过若已知待测温度在0~300°C 之间，则其误差尚可以接受。

(a)

(b)

图3>AD595C 之输出与线性化温度的误差。

3. SPI 串行型的EEPROM

AT25128 为Atmel 公司的EEPROM，具有SPI 传列传输接口。除了Vcc和GND脚外，SPI 传输所需的四支接脚为SO(即MISO)、SI(即MOSI)、SCK、和/CS(即/SS)，其接线法请参考图2。其余二支脚位：/HOLD 脚用以暂停串行传输;/WP脚为0 时，用以防止数据写入状态缓存器。两脚位未用到时，都需要接到Vcc。

此芯片具有一个状态缓存器(Status Register)，定义如下(本实作只用到位WEN 和RDY)：

状态缓存器(0xxx 0000)

而控制EEPROM 的六个指令如下：

以下仅列举应用要点:

1. 容量为16KB(128kb)，内存地址为0000h~3FFFh(共4000h 个地址)，因此指定地址时需要2 个bytes。

2. 可兼容两种SPI 频率模式: CPOL=0 CPHA=0 ; CPOL=1 CPHA=1。

3. 传输时最高位先传送。

4. 接收写入指令到写入内存中的写入周期约为2ms，因此主装置写入周期不可过短。

5. 写入EEPROM 步骤如下 ，直到RDY=0 时才完成一笔数据的写入。

6. 写入的地址为起始地址，写入数据从此地址开始往后写入。

7. 脚位/CS 的作用主要是讯框同步化(frame synchronization)的作用。一个完整的指令构成一个讯框，闲置时/CS 为高电位，传递讯框前要先把/CS 变成低电位，直到讯框结束后才再恢复成高电位，当/CS 为高电位时，脚位SO 会切换成高阻抗。

8. 当EEPROM 收到无意义的非定义指令时，会忽略之，并将SO 设为高阻抗脚，等待/CS 的下降缘，才会把脚位SO 设为输出脚。

4. 微控器