毕业论文-低成本实现多路温度数据采集的方法

第页第1章

绪

论1.1

论文的背景和意义自动焊接是电子产品生产过程中一个重要的环节，直接影响到产品的好坏。随着电子产品的集成度越来越高，越来越复杂，电路板的规模越来越大，对焊接环境的要求就越来越严格。但传统的方法是利用双金属式测量计等测试器材，通过人工进行多路实地检测。这种人工测试方法精度差且费时费力。因此，我们需要一种使用便利、测量准确且造价低廉的温度测量仪器。除此之外，若能够将采集到的温度信息传入计算机，再利用计算机的各类分析软件对其进行实时监控、分析和处理，建立出一种管理方便、操作简便、运行可靠的高效率控制系统将是极为有意义的。这也是当今测量仪器便利、高效、网络化发展的一个重要方向。为此，研究与设计以此为核心，基于温度传感器的自动监测系统，对PCB的各个有代表性的位置的温度变化情况进行实时监测，一旦出现异常便及时进行分析处理，这样将会有效地提高工作效率以及事故的预见性，实现对焊接质量检测的目的，同时将USB总线技术应用在测量系统中，满足对温度实时监测的要求，积累开发经验，为以后的温度采集系统更加的便捷化、智能化打下基础。

1.2国内外研究状况传统领域里，数据的采集系统由独立的机箱设备通过GPIB接口或者串口与PC连接而成。随着基于计算机的测试技术的涌现，数据采集器能通过PXI、ISA或者PCI连接到计算机的数据总线。在USB1.1推行之前，支撑USB的功能模块并不太多，究其原因，除了因为传统的通信接口，如RS485，RS232等，短时间难以退出应用领域外，一些USB的早期应用者因为平台的实用性不强而举步维艰。随着Windows98的出现，USB驱动软件（USBD）得以逐步完善，可以为USB提供强有力的支持，极大地推进了USB技术的发展。从此，大批的USB产品涌现到市场上。1999年初，Intel研发者大会如期举行。会上，学者们详细研讨了USB2.0规范，支持者除了原有的成员，又增加了PHILIPS、HP和LUCENT三个新成员。该规范兼容了USN1.1的所有内容，又有所扩展、向下延伸，数据传输速率将会达到480Mbps。现在，越来越多的测试设备通过USB总线连接到系统中。随着技术的不断发展，USB数据采集设备体积更小、功耗更低，即更加的便捷和经济。NI公司通过不断兼容传感器的即插即用特性和多种扩展技术实现了其USB采集设备的功能超越了它们自己本身的目标。2006年，根据一份来自VDC公司的关于测量数据采集发展趋势的研究，几乎一半受访者打算购买一种USB数据采集设备。随着无线USB和USB（on-the-go）等新技术的出现，未来USB在测量特别是自动化领域的应用一定不可限量。1.3课题研究方法本课题结合了电路设计、微机监测、相应的软件技术和通信等方面的相关知识，得出了一种低成本实现多路温度数据采集的方法。1.4论文构成及研究内容本论文详细地阐述了基于K型热电偶和MAX6675（串行K型热电偶模数转换器），借助AT89C52、通过USB接口将采集到的数据传送到PC机的多路温度监测系统的开发方案、开发方法、设计步骤，包括具体的器件介绍、硬件原理图、固件方案、驱动程序和相应的应用程序开发等关键内容。研究内容包括：通过研究USB在52单片机控制系统上的应用，用单片机拓展USB接口芯片，来完成多路温度监测系统的硬件设计；通过研究USB协议在52单片机控制系统上的应用，来实现多路温度监测系统的固件设计；通过研究服务于52单片机控制系统的USB驱动程序、上位机应用程序与应用程序的开发，完成多路温度数据在PC机上进行查询、显示等功能。第2章系统硬件介绍2.1K型热电偶简介2.1.1物理结构K型热电偶是一种温度传感器，通常由感温元件、接线盒以及安装固定装置等组成。通常情况下，如果有记载仪器、图像化显像平台以及控制发电机稳定电压等设置的支持，其功能发挥会更加全面。其正极（KP）的理论化学成分是：Ni：Cr=92:12，负极（KN）的理论化学成分是：Ni:Si=99：3，热电偶丝直径一般是1.2-4.0mm。使用温度是-200~1300℃。能对各式生产中从0℃-1300℃范围内的气态颗粒、液态挥发质以及硬物的外层温度进行监测。此外，K型热电偶具有灵敏度高，抗氧化性能强，可靠性高，随机误差小，热电动势较大和线性度好以及价格便宜等优点，能被广泛用于氧化性惰性气氛中，目前市场上其用量是其他热电偶的总量。以下是两种常见的K型热电偶：图2.2K型贴片热电偶图2.2K型贴片热电偶图2.1K型铠装热电偶图2.1K型铠装热电偶2.1.2K型热电偶选型资料表2.1K型热电偶选型资料表2.1K型热电偶选型资料2.1.2工作原理图2.3热电偶测温示意图工作端T自由端T0图2.3热电偶测温示意图工作端T自由端T0XY热电偶的工作原理是基于物体的热电效应。如图2.3所示，把两根不同种材料的金属丝或者和金丝X和Y的一个端头焊接在一起，另一个端点中间接测量仪表，就组成了热电偶。若两个接点温度不相等（T>T0），由于汤姆逊效应，两个接点之间有电荷堆积、形成电动势，继而形成电流。热电偶中的X、Y两导体称为热电极。两个接点，一个称作工作端或者热端（即T），测量温度时把它置于温度场中；另一个端点被称为参考端、自由端或者冷端（即T0）。热电偶测量温度时，冷端用来接测量仪器。其中，温度值T0通常是某个特定的温度或环境温度。热点势的大小和两种材料的性质以及结点温度有关。对于某一种热电偶，如果自由端温度保持一定，热电动势的大小及方向仅与热端环境温度相关，也可以理解为热电动势和T为线性关系。这是热电偶测温的物理基础。在热电偶回路中产生的热电势包括单一导体的温差电势、两种导体的接触电势。温差电势对于一根介质匀称分布的导体，如果接点间的温度不同，热端电子的布朗运动较参考端剧烈，那么热端就会向参考端进行热扩散即热端向参考端扩散的电子数多于参考端向热端。参考端获取自由电子变成负电荷端，热端流走自由电子变成正电荷端，导体两端便形成电位差。接触电势导体中都有自由电子，自由电子的浓度取决于导体的材质。假如导体X和Y的电子密度分别为Nx，Ny并且Nx>Ny，在两导体接触后，自由电子便从高浓度的一侧向低浓度扩散。结果导体A失电子显正电，导体Y获电子带负电。因此，一根根从X开始，在Y结束的电场线就会在X和Y两种金属丝间产生，此电场将会阻碍扩散运动继续进行，同时又加速电子向相反的方向运动，使得从Y到X的电子数量增多，最后达到动态平衡。这时X和Y之间形成了一个电位差，这个电位差便是接触电势。此电势只和两种导体的性质，接触点的温度相关。如果热电偶的物理结构不再改变，除接点温度外，任何的其他因素将不会影响到接触电势。温度越高，导体中的电子越活跃，由X扩散到Y的电子越多，接触面产生的电场强度就越高，接触电势也就会越大。K型热电偶电压-温度对比表如下表2.2所示：电压后缀：毫伏（mV）温度后缀：摄氏度（℃）比照温度点：零摄氏度（0℃）(冰点温度)表2-2K型热电偶分度表表2-2K型热电偶分度表2.2MAX6675简介测温精度高、构造简单、操作容易、测量范围宽等特点，使得热电偶迅速广泛的占领了温度传感器的市场。但当热电偶被应用在基于单片机的嵌入式系统时，许多问题便出现了：（1）非线性：热电偶输出的热电势与被测温度的关系是非线性，在应用时必须进行线性化处理；（2）冷端补偿：理论情况下，只有参考端维持在零摄氏度（0℃）时，热电偶所输出的热电势差值才是可以采用的。但在产品用户所要求的测量条件下，冷端温度并不能理想化得维持在零摄氏度（0℃），所以要进行冷端补偿；（3）数字化输出：和嵌入式系统连接必然要采用数字化接口、输出数字型信息，热电偶模拟小信号型的输出显然满足不了要求。所以，必须要对热电偶的输出信号进行放大、AD转换、线性化处理以及温度补偿等操作。若能将上述功能集中到一个芯片上，将会在很大程度上顺应现代仪器集成化的发展趋势，极大地扩充热电偶的应用市场。MAXIM公司新近推出了一款与K型热电偶相匹配的串行、模数转换器MAX6675，不仅能将获得的模拟信号转换成12bit的数字信号,还自带冷端补偿功能。其温度分辨力能达0.25℃,能够达到超过一半工业产品消费者的精度需求。此外，MAX6675引脚分布情况满足SO-8标准,随机误差小,体积很小。2.2.1引脚排列及内部结构引脚名称功能1引脚名称功能1GND接地端2T-热电偶负极(使用时接地)3T+热电偶正极4VCC电源端5SCK串行时钟输入6CS片选信号（低电平有效）7SO串行数据输出8N.C悬空,不用图2.4MAX6675的引脚图图2.4MAX6675的引脚图表2.3MAX6675引脚说明表2.3MAX6675引脚说明MAX6675的内部构造如下图2.5所示：主要由冷端补偿信号发生电路、数字控制器、热电偶的模拟信号放大电路以及AD转换器等组成。图2.5MAX6675的内部构造2.2.2工作原理及功能特点根据热电偶测温的原理,其输出热电势不仅和测量端的温度有关,和冷端的温度也有关。在以往的设计中,有很多冷端补偿方法，如电桥补偿法或者冷端冰点法等,但这些方法安装过后的配置过程都比较繁琐。此外,由于热电偶的输出电压值不单单受到冷端温度的影响,还会受到很多不确定因素的干扰。以往采用的是线性电路或微处理器表格法等来减少热电偶本身的非线性误差,但与此同时却给技术人员带来了更大的工作量，不仅要增加相应的信号处理电路还要填写新的代码。而MAX6675为了避免这些麻烦的出现，对构成它的各个电路模块的特征值均采取了激光规整,实现了对热电偶的非线性进行改进的目的[8]。MAX6675的基本属性如下:MAX6675的基本属性如下:带有简单3位串行接口;内部含有热电偶的断线检测电路；内部有集成冷端补偿电路;将温度信号转换成12bit的数字量,温度分辨率可达0.25℃。2.2.3工作时序MAX6675可以和微处理器或者其它的数字系统通过其3线串口CS#(低电平有效)、SCK、SO实现信息的传送,运行时序如下图2.6所示：图2.6MAX6675的数据读取时序图片选端CS从低电平变为高电平,MAX6675进行一轮模数转换。当CS引脚从高电平变回低电平时,MAX6675将停止温度信息向电压值的换算，并在串行时钟输入信号SCK的作用下通过串行数据输出端口SO输出已换算了的数据。经过8+8个时钟周期，一次的温度信息才能被传送给单片机（即单片机的读取过程）。数据的读取通常在SCK的下降沿进行。MAX6675的输出数据是16位的，其中第15位是内置备用空位,D3-D14表示温度传感器电压输出的数字式换算量,D2则用来标示热电偶金属丝是否断开、两金属丝接触是否良好(D2为0时,表明K型热电偶正常工作，未断路),D1表示MAX6675的标识符,D0为三态标识位。值得指出的是:在以往的热电偶电路中,均需要设计专门的断线检测电路，然而，MAX6675本身已经包括了这项设计,节省了信号处理模块的步骤和工作量。此外，由于MAX6675为了避免这些麻烦的出现，对构成它的各个电路模块的特征值均采取了激光规整,所以其转换结果和对应温度值有着良好的线性关系。D14-D3表示0-212的范围,其中，下限是0,表达的温度信息是0℃;上限是4095，表达的温度信息是1023.75℃。温度量与数字量的对应关系式为:温度信息=换算后的二进制数/4095*1023.75每次完成测温，经MAX6675处理后的温度数据都将被传送给89C52单片机，然后保存在其存储器中。2.3AT89C52简介2.3.1物理结构和常见的8xc52系列单片机一样，AT89C52在封装和自身用途上没有太大区别。而且主要用在会聚调整时的功能控制方面。AT89C52是一个高性能，低电压的CMOS8位单片机，片内含有256字节的用于随机存取数据的存储器(RAM)和8k字节的可以反复擦出重写的Flash只读程序存储器。该器件依据ATMEL公司的相变存储器技术、数据集中存储技术加工，并包含正规MCS-51系列的指令系统，片内含有Flash存储单元和通用8位中央处理器，在电子产品行业中有着非常广泛的应用。AT89C52可以按常规方法进行软件设置，也可边调试边编程，将常见的Flash闪存和中央处理器结合到一起，尤其的，可反复擦出重写的Flash闪存可以有效地降低产品开发成本。2.3.2引脚排列及功能说明AT89C52的实物图和引脚图如下所示：2.8引脚图2.7实物图2.8引脚图2.7实物图AT89C52有PLCC、PQFP/TQFP以及PDIP三种封装形式，以满足不同产品的需求。4-1实物图向我们展示了其中的PDIP的封装形式--该芯片大小大概是5mm*2mm，经查阅资料，芯体尺寸:8-位、芯片的封装/外壳是:40-DIP(0.600",15.24mm)。由4-2引脚图可知，AT89C52共有40个引脚，其中2个读写口、2个可以同时（瞬时）进行信号的双向传输的通讯串口、3个是16位的定时计数器且能实现数字运算操作、还有2个自身含有外中断口以及32个是外部双向输入/输出(I/O)端口。下面将各个引脚的特性介绍如下：RST：复位输入。振荡器工作时，在RST引脚连续两个振荡周期以上都处在高电位，单片机将被复位。EA#/VPP：引脚接低电平，外部访问允许有效，CPU只访问地址是0000H-FFFFH的片外代码存储单元；引脚接高电平，CPU执行内部程序存储器的指令。ALE/PROG#：访问片外代码存放单元或者数据存放单元时，ALE(即地址锁存允许)输出用来锁存地址的低8位字节的像脉搏似的短暂起伏的电冲击；输入编程脉冲(PROG#)则针对于对Flash存储器编程期间。PSEN#：程序储存允许输出，当其接到低电平时，外部程序存储器开始运行。当外部代码存放单元向单片机AT89C52写入代码或数据时，PSEN#引脚输出脉冲的频率是振荡周期的两倍。在此期间，当CPU访问外部数据存储器时，将会跳过两次PSEN#信号。XTAL1：振荡器的反极性放大器以及片内时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器的反极性放大器的输出端。P0口：P0口（P0.0/AD0-P0.7/AD7）属于高祖状态的双向I/O引脚，一共有8个，既能作为数据总线又能作为地址总线。可作为输出端使用，并伴随吸收电流。可以供给TTL电平，数目可达到8个。在访问片外数据存放单元或者代码存放单元时，这组I/O引脚数据总线和分情况转换地址(低8位)复用，并激活内部上拉电阻；对引脚写“1”，可作为开路输入端使用。在Flash编程期间，引脚接收外界指令，在代码纠错时，输出相关段落，但要求外接上拉电阻。P1口：P1口（P1.0-P1.7）是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O引脚。可作为输出端使用，并伴随吸收电流。可以供给TTL电平，数目可达到4个。当对端口写“1”时，内部的电阻通过自身的钳位把引脚上拉到了高电平，继而可作输入口使用。由于内部钳位上拉电阻的作用，某个引脚将会被周边类似阻抗的器件等分流，电流大小是一个IIL。P2口：P2（P2.0/A8-P2.7/A15）是8位双向I/O引脚，内部带有钳位上拉电阻。该引脚的输出缓冲级能供给TTL电平，数目可达4个。在访问16位地数据存放单元或外部代码存放单元(如执行代码MOVX@DPTR)时，高8位的地址数据将能够显现出来。当执行有关8位地址外部数据存储器(例如执行指令MOVX@RI)的指令时，P2锁存器的存储成分又将显现出来。P3口：P3既能作为数据总线又能作为地址总线，并拥有另一用途。P3口也是8位的双向I/O口，内部带有钳位上拉电阻。该引脚的输出缓冲级能供给TTL电平，数目可达4个。在引脚处接高电平，外部器件能够对单片机进行改写，P3端口将会被钳位上拉电阻拉高。否则，P3口将会被周围阻抗型器件拉低，并输出电流(IIL)。2.474LS138简介74LS138为3线－8线译码器。在本设计中，主要完成对8路温度采集系统的片选。2.4.1引脚图图2.974LS138引脚图图2.974LS138引脚图STA（E1）、/STB(/E2)、/STC(/E3)：选通端（后两者低电平有效）A0-A2：地址输入端/Y0-/Y7：输出端（低电平有效）A0-A2与/Y0-/Y7一一对应：A0、A1、A2将输入的3位二进制数转换为十进制数，相应序号的Y输出有效、是低电平，其他输出端输出无效，是高电平。VCC：电源正GND：接地端2.4.2真值表表2.474LS138真值表表2.474LS138真值表2.5串行通信时代在进步，PC机及其配置在生产生活等方面的应用无处不在。为了更好地服务于人类，计算机技术趋向于智能化、精细化。或大或小、功能齐全的应用模块组成了计算机网络。各个计算机之间顺畅无阻地进行着信息的交换。同时，为了实现远程控制，计算机通过各种通讯接口操控着分工分明地下游设备。比如传感器、操纵杆、显示仪等。根据数据位的传输方式，信息交流的样式主要包含以下两种：串行通信和并行通信。当使用前者完成短途计算机与计算机或者计算机与下游设备之间的数据传输时，采用一根数据总线，在合适的时钟周期的载动下，数据信息被一位接一位的传送。而且这样的位数据只有两种情况，要么是”1”,否则是”0”。如果是较远距离传送，为了防止数据信息出现错误，尽量避免数据总线间的数据交换。2.5.1串行通信的特点并行通信传输数据特点：采用的数据总线宽度为8位，这样一整个字节的数据就被一起传送到计算机要支配的计算机或者下游设备。在这点上，串行通信就显示出很大不同：其数据总线宽度只有一位，所以每传一个字节的数据需要8个时钟周期。传送的先后顺序按照低地址位到高地址为。串行通信的特点如下：=1\*GB3①优点：很大程度上减少了在数据线方面的经济开支。=2\*GB3②缺点：交换相同的数据花费时间较长，时间至少是并行通信的8倍。综上所述，串行通信适用于远距离、对传输速度要求不太高的场合，传输距离最远可达数千米。并行通信适用于近程、但要求数据交换很快的场合，最远可将数据传输30m远。为了寻找合适的串行通信数据线，技术人员做出了很大的努力。功夫不负有心人，便宜耐用的座机电话线终被人们发现。电话线，顾名思义是用来传送声音信号的。可通过Modem（调制解调器人们常称之为“猫”）将电话线作为串行通信总线介质。2.6USB及其接口芯片CH372简介2.6.1USB定义随着人们对生活品质的要求逐渐提高，基于PC机的工业产品，生活用品迅速占领市场、计算机配置也日益增多，像大家所熟知的传真机、音响、摄像头等，无线鼠标、智能手机、读卡器等纷至沓来。怎样把各式各样、性能不一的配置接入PC机？基于这个目的，USB应运而生。1994年底，Microsoft（微软）、Intel（英特尔）、Compaq（康柏）、NEC（日本电气株式会社）、IBM（国际商业机器公司）、DEC（美国数字设备公司）、NorthernTelecom（北方电信公司）等多家公司联合提出其使用规格。USB，为Universal

Serial

Bus（即通用串行总线）的缩写，其中文常常简称为“通串线”。USB主要用于PC机连接外围设备领域、是一种非内在总线协议，用来制定各式配置和计算机的数据传输标准，让计算机与周边设备的通讯更加规范化、统一化。此外，USB接口技术具有是使用便利、连接灵活、独立供电、即插即用以及支持热插拔等优点。2.6.2USB硬件结构USB共有四线电缆，一半是为附属周边配置供给电能，另一半是串行通道，用来在PC机与设备间传送数据。如果外设数据交换较慢，USB以最快传输速度的八分之一的来传送数据；如果外围设备单位时间能通过链路的数据量大，USB则竭尽全力来传输数据。总之，USB总线会以这两种传输模式动态地应对外设的各种实际情况。USB总线电源是由其自身来管理的，具体方法是通过支持悬挂/恢复等一系列操作。USB是一种基于令牌的通讯协议，有点儿像令牌环网络的通讯协议或着光纤分布式数据接口依据令牌的方式。在USB主控制器中，为了让所有的设备都能接收到，令牌在设备间顺序传送。总线上设备依次接受令牌，并将其地址和自身相比对：如果一致，设备将积极响应主机，向主机发送或着接收来自主机的数据。各式USB设备通过级联的方式连接到主控制器，如果数目客观，这些设备会像星型一样扩展开来。这样的结构主要由以下部分组成：主控制器（Host）、功能设备和集线器（Hub）。主控制器、也被称为根Hub、根结或者根。既可以作为适配卡安装在计算机上，又可以直接被做在主板上。主控制器兼容根集线器（RootHub）、主控制器，根集线器是唯一的，庞大的USB的拓扑结构通过它联到主控制器。控制USB总线上的数据交换和时刻发布控制信息。功能设备则通过端口与总线获得连接。USB的另一功能是集线器（Hub）。将设备连接到一个USB总线,它必须通过称为端口的点,而这些点是电源提供者。USB集线器有着特定的组件结构,提供设备连接到总线的电源管理,负责总线的实时监控、故障检测和恢复。集线器可以提供电力给总线,也可以为自己提供能量(从外界取得权限)。通过总线供应能源的设备不能插入到本身完成能源供应的集线器，也不能再插入到支持3个以上下一级别设备的端口的集线器里,因为此时的集线器需要总线提供的总电流已经超过100mA了。但通过自己供应能源的设备能插入到总线供应能源的集线器上。2.6.3USB接口定义标准USB接口如下表2-5所示：表2.5USB接口定义表2.5USB接口定义USB使用分别标记为D+和D-的双绞线来传输信号，为了抵消长导线的电磁干扰，两根双绞线各自使用半双工差分信号并且协同工作。2.6.4CH372功能简介与CH371芯片相比，CH372的数据缓冲区存储数据更多，通讯效率较高；与CH375相比，CH372封装尺寸更小，且不需要主控器件，能迅速实现特定功能。CH372作为一种USB总线的通用设备接口芯片被广泛应用。CH372芯片加上PC机上的驱动程序就能很好的实现该芯片系统的功能。本地端，USB通讯中的所有基本事务被CH372芯片凭借内置的固件程序进行自动处理。计算机端，计算机应用层的接口程序同样被驱动程序和动态链接库等软件提供。在本地端，CH372有8位数据总线和中断输出，还有芯片选择、读写控制线,单片机/微处理器/DSP控制器系统总线等可以很容易地连接工作。在计算机系统中,根据CH372的支持软件的详细内容可以直接操作其各个引脚和其他元器件的通讯。基于USB的单片机和计算机之间的通讯示意图如下图2.10所示：图2.10单片机通过USB接口芯片与计算机进行通讯图2.10单片机通过USB接口芯片与计算机进行通讯2.6.5CH372引脚图图2.11CH372引脚图图2.11CH372引脚图各个引脚功能说明如下表2-6所示：表2.6CH372引脚说明表2.6CH372引脚说明芯片物理结构说明如下表2-7所示：表2.7CH372物理结构说明表2.7CH372物理结构说明2.7REF3140简介REF3140是直流稳压电源芯片，提供4.096V直流电源，100μA静态电流，最大漂移20ppm/℃。REF31xx系列电源芯片采用SOT23-3型封装。尺寸较小，精密度高，功耗小，压差低，波纹很小。REF31xx系列电源的小尺寸和低功耗特征让它在便携式电池供电方面应用很广泛。REF31xx系列电源不需要负载电容，但与任何电容性负载是匹配的,可以输出±10mA的电流。在未上电的情况下，REF31xx系列电源可供应高于输出电压5mv的电源。系列中所有型号的电源芯片工作的温度范围是-40℃~~+125℃。2.7.1引脚图图2.12REF314引脚图图2.12REF314引脚图以上引脚图中给出了采取SOT23-3封装的REF31系列REF3112、REF3120、REF3125、REF3130、REF3133以及REF3140的引脚分布情况。IN：1号引脚，输入OUT：2号引脚，输出GND：3号引脚，地2.7.2特性采用微型封装：SOT23-3低压差：5mv高输出电流：±10mA精度高：0.2%（最大值）低静态电流：115μA（最大值）优良的指定漂移性能：0°C~~+70°C时：15ppm/°C(最大值)-40°C~~+125°C时：20ppm/°C(最大值)第3章系统电路设计本课题是以USB串口通讯为协议实现多路温度采集系统与上位机之间的通讯。所以，多路温度采集系统的硬件可由3个核心部件组成：K型热电偶+串行模数转换芯片MAX6675、微控制器以及USB接口芯片。硬件组成框图如图3.1所示：3.1硬件组成框图3.1硬件组成框图计算机USB接口芯片CH372K型热电偶+MAX6675(8路)AT89C52AT89C52K型热电偶+AT89C52K型热电偶+MAX667(8路)由于系统要监测温度检测环境是自动焊接现场，所以选取了贴片型的K型热电偶，可以选取合适的位置，把热电偶固定在PCB板上。系统复位，开始工作。首先，热电偶将获取到的温度信息传送给串行模数转换芯片MAX6675，经过信号放大、冷端补偿、A/D转换等处理过程，温度信息被转换成了16位的串行数据。接着，单片机把数字信号存储在内部存储器中。一但上位机发出操控命令，单片机便将存储的数字信号通过USB（接口芯片CH372）传送给计算机。3.1系统总体电路设计以AltiumDesigner6.6为绘图软件，将系统整体的电路图图3.2见附录A：框图从左到右依次为：K型热电偶+MAX6675（8路）、电源模块（为MAX6675供给电源）、单片机控制模块、片选模块、USB串口通信模块。3.2温度采集及信号处理电路设计温度传感器选用K型热电偶。K型热电偶是一种主要的测温元件,具有测量精度高、使用方便、测温范围宽、制造容易、结构简单等特点,能够满足自动焊接环境下对测温元件的要求。但也存在冷补偿、非线性、数字化输出等一些问题。为了解决这些问题,本系统选择了K型热电偶专门的温度转换芯片MAX6675。其内部的集成冷端补偿电路、非线性的校正电路以及断线检测电路均给测温元件--K型热电偶的使用带来了方便与优势。经此模块，温度信号被转换为16位的串行数据。系统框图如下图3.3所示：图3.3温度采集及信号处理模块原理图图3.3温度采集及信号处理模块原理图3.3单片机控制模块以下是单片机以及外围电路。作为控制系统芯片，凭借价格低廉、功能强大以及技术成熟的特点，AT89C52被广泛应用。该芯片采用高密度非易失存储技术，与工业标准的MCS-51输出管脚和指令集兼容。同时，系统拥有和计算机相连的USB转串口电路，便于程序的下载调试以及合理的利用资源。从MAX6675传送过来的16位串行数据输出S0通过P0.0传送给单片机。MAX6675的串行时钟信号SCK由单片机的P1.1口提供。原理图如下图3.4所示：图3.4单片机控制模块原理图图3.4单片机控制模块原理图3.4片选模块MAX6675的片选信号CS#则由74LS138的译码端提供。AT89C52通过74LS138译码器与MAX6675连接。其中P2.4-P2.6作为3位位选通信号，接入译码器，通过译码器的输出Y0#-Y7#实现对8个温度采集及信号处理模块的控制。原理图如下图3.5所示：图3.5片选模块原理图图3.5片选模块原理图3.5USB接口电路设计单片机通过USB通讯模块和上位机取得联系。如下图3-5所示：在图中，期间U1是与计算机直接相连的元器件。通过数据线VD-和VD+，USB直接将数据发送给上位机。为了确保下位机再次工作时，接口芯片CH372能够得到充分的能源供应，分流电阻R2被接在电路中。当系统被切断电源时，电解电容C6将感应到的电动势交由R2消耗掉，这是USB的电源端就可以回归到零。C7属于多层陶瓷电容或者高频瓷介电容，阻抗值为0.1μF，目的是避免供给能量设备的电路网络之间产生寄生耦合。C8属于高频瓷介电容，阻抗是100pF，目的是避免接口芯片CH372自身电路网络之间产生寄生耦合。CH372芯片的并行接口包括：8位双向的数据总线D0-D7、数据线VD-和VD+引脚、片选输入引脚CS#、中断输出引脚INT#、写选通输入引脚WR#、读选通输入引脚RD#以及地址输入引脚A0。CH372芯片的VD+和VD-引脚应该直接连接到USB总线上。CS#引脚连接到单片机的普通I/O引脚即可。当INT#引脚接入低电平时，输出的中断请求有效，可连接至单片机的中断输入或普通I/O引脚，通过使用中断方式或者查询方式，单片机可获知中断请求。WR#和RD#可分别连接到单片机的写选通输出引脚和读选通输出引脚。RD#是高电平且CS#、WR#以及A0都是低电平时，D0-D7上的数据被写入到CH372芯片中；WR#是高电平且CS#、RD#以及A0都是低电平时，CH372上的数据通过D0-D7输出到计算机。图3.6USB接口电路原理图图3.6USB接口电路原理图3.6电源模块由于下位机模块通过USB与上位机连接，所以USB模块、单片机模块以及74LS138模块均采用上位机供电。至于8路温度采集及信号处理模块，则采用REF3140供给5V电源。原理图图3.7如下：图3.7电源模块原理图图3.7电源模块原理图第4章

下位机系统软件介绍4.1

开发工具简介

本设计的处理器选用的是兼容8051指令集的AT89C52芯片。因此，选用作为单片机开发工具。由美国KeilSoftware公司开发，属于51系列并兼容单片机C语言。提供了包括库管理C编译器、连接器、宏汇编与一个功能齐全的仿真调试器等在内的完备开发方案。和汇编相比，C语言易学易用。在可维护性，结构性，可读性，功能上有着明显的优势。其功能强大、代码紧凑，成为了世界目前使用最广泛的51系列兼容单片机C语言开发工具。4.2

各模块程序流程图软件部分是系统运行的核心，温度数据采样模块、单片机中断处理模块、USB数据通讯模块以及软件校验等组成下位机软件设计的主要部分。4.2.1主程序设计流程

设计下位机软件时，USB数据通讯模块通过利用定时器0触发串口中断，每50ms定时器0中断一次，所以单片机复位或上电后，先对定时器工作模式、中断优先级、变量等进行初始化；当接收到中断时，就开始对其进行处理，直到中断处理完毕。详细的下位机主程序流程图见图4.1。初始化初始化终端等待中断处理中断？启动NY图4.1主流程图4.2.2数据采样模块本系统要完成的是自动焊接环境PCB板上8处温度的测试。温度采样是系统的重要环节。首先根据单片机功能设计要求，74LS138将片选信息传送到K型热电偶转换芯片的的片选段CS#1-8。然后，被选通的通道开始工作。K型热电偶将采集到的温度信息转换为mV级电压信号并传送到MAX6675。包含有12位温度信息的数字信号从MAX6675的串行数据输出端SO输出。单片机依次读取数字信号的高8位，低8位。直到一个周期采样结束。NNY读高4位：D14-D11读低8位：D10-D3R>8读断偶标志位D2R+1返回读D15令多路温度通道数为R，且赋值R←0选通MAX6675开始图4.2数据采样流程图4.2.3

单片机中断处理模块

通过对在定时器0中触发串口中断，单片机系统完成了向USB接口芯片的数据传输。通过与PC机系统达成协议，设定这样的标准：选取FLAG3为标志位，当FLAG3为0时，程序正常循环，PC机得到温度信息。然后通过PC机系统软件，接收到的数据被处理，并打印成历史曲线显示出来。此外，定时器0初始化初值设置如下：TMOD=0x01;

IE=0x82;TR0=1;TH0=（65525-500000）/256;TL0=（65535-500000）%256。设计流程图见图4.3、4.4：中断处理完毕？返回中断处理完毕？返回定时器0中断子程序重赋初值温度传送温度处理NY图4.4定时器0中断YNNY串口中断发送温度处理FLAG3=0?SBUF=温度;TI=0;TI=0?出中断图4.3串口中断4.2.4USB接口通讯模块外置固件模式下，为了符合各类USB设备的规范，满足各种USB请求，外部单片机需要根据实际情况自行处理。YYYYNN开始系统复位测试CH372是否工作？设置USB为内置固件模式是否设置成功？等待主函数调用结束图4.5CH372初始化程序流程图YNYYYYNYYYNN总线复位开始挂起改变总线复位标志接收数据处理发送数据处理初始化I/O寄存器，USB控制器端点1接受数据标志挂起标志改变端点1发送数据标志图4.6USB主循环程序流程图USB设备插入PC机便开始和PC机进行通讯。一旦USB总线的D+数据线上有电平变化，PC机即认为此时接口上连有设备。并将设备的地址设置为默认的起始地址0。首先USB接口芯片CH372对PC机通过USB总线发送来的数据包的包标识进行判断并置位相应标志位，使自己的中断引脚有效。单片机接收到CH372的中断输出后便产生中断、进入中断服务子程序，如图3-4。在中断服务子程序中，单片机读取CH372中断寄存器的值、清除中断