回焊爐之單芯片溫度量測記錄器

電路板零件自動組裝(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，然后在量產時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期的分布范圍之內，必須對電路板上數點做經過回焊爐的溫度曲線量測與紀錄，這正是回焊爐溫度量測紀錄器(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 來實際制作一個簡單的溫度記錄器。

1. 系統架構

圖1>系統架構

溫度記量測錄器主要使用熱電偶來量測溫度，因為熱電偶允許長距離的量測點。整個硬件架構如圖1 所示。由于K 型熱電偶每度C 的輸出電壓差約為40μV，所以必須接上一個放大器才能被微控器的ADC 精確量得。熱電偶溫度計的使用必須將一個參考接合點置于已知的固定溫度(如冰浴)之下，這即是熱電偶的溫度補償，但這樣的方法對于一般工業應用并不可行，所以為了方便使用熱電偶必須使用熱電偶補償芯片。這里使用Analog Devices 公司的AD595 來提供補償電壓和同時作線性放大，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 的一個通道來讀取AD595 輸出的電壓，然后再將其利用SPI 串行傳輸儲存于一顆EEPROM 的內存中。整個量測的溫度曲線值依時間間隔儲存于內存中;量測結束后，拔除熱電偶接頭，再利用RS232(或者是一顆低速USB 芯片，例如CY7C63742)來和個人計算機聯機，將量測結果下載到計算機中。實作的電路圖如圖3 所示，本文暫時忽略與個人計算機聯機下載資料的實作部份。電路圖中，請特別注意AD595C(K 型熱電偶專用的放大補償芯片)和AT25128(16 KB 的EEPROM 芯片)的接線方式。

圖2>系統電路圖。

2. AD595C 芯片

假設K 型熱電偶量測接合點與參考接合點的溫度分別為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溫度為0°C 時的輸出電壓。

如果TR已知，則可以求得EK(TR)，進而利用熱電偶參考函數的反函數求出量測接合點的溫度：

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

當參考接合點的溫度為0°C 時，K 型熱電偶的量測接合點在25°C 的輸出電壓為1.000mV，電位差與溫度間函數關系的Seebeck 系數約為40μV/°C。Analog Devices 公司的AD595 是專為K 型熱電偶儀器設計使用的放大器，是經雷射精調(laser trimmed)的產品，放大倍率為247.3V/V，經過參考點溫度補償電路后，使得輸出電壓直接為量測點溫度的倍數，即經過放大器后輸出電壓與量測點溫度間關系為10mV/°C。更詳細的內容可以在Analog 網站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系式如下：

注意，

為實際的熱電偶輸出電壓，而0.04 × TR為冰點補償電壓，電壓單位皆為mV，溫度單位為°C。如果是以線性的關系來近似，直接把AD595C的輸出電壓除以10 來轉成溫度值(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，用以防止數據寫入狀態緩存器。兩腳位未用到時，都需要接到Vcc。

此芯片具有一個狀態緩存器(Status Register)，定義如下(本實作只用到位WEN 和RDY)：

狀態緩存器(0xxx 0000)

而控制EEPROM 的六個指令如下：

以下僅列舉應用要點:

1. 容量為16KB(128kb)，內存地址為0000h~3FFFh(共4000h 個地址)，因此指定地址時需要2 個bytes。

2. 可兼容兩種SPI 頻率模式: CPOL=0 CPHA=0 ; CPOL=1 CPHA=1。

3. 傳輸時最高位先傳送。

4. 接收寫入指令到寫入內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 時才完成一筆數據的寫入。