微处理器架构

回焊炉温测纪录器是用热电偶来量测温度，而热电偶则利用量测接合点和参考接合点的温度差所产生的电压换算出量测点的温度。Seebeck 系数描述温度差和产生电压间的关系，由于Seebeck 系数本身也为温度的函数，而非常数，所以必须知道参考点的温度，才能由所量得的电压换算出量测点的温度。若量测接合点和参考接合点的温度分别为T_M 和T_R ， 则热电偶输出的电压为 ，其中E K (T)表示K 型热电偶在参考点温度为0°C 时的输出电压 。如果T_R 已知，则可求得E K ( T R)，进而利用反函数就求出量测点温度

温测纪录器中的微处理器就是用来处理这些运算，热电偶的输出电压必须经由模拟数字转换器(ADC)转成数字后才能由微处理器处理。以K 型热电偶为例，其输出电压大约为40μV/°C，所以必须将此电压讯号放大到mV 才能被ADC 接受。回焊炉温测纪录器的用途是要纪录回焊炉内整个行程的温度，所以微处理器需要用到内存，最后要将所纪录的数据传给个人计算机作图表和统计分析，最简单的传输方式为利用串行通讯标准接口RS232 或RS485。

整个回焊炉温测纪录器的微处理器硬件架构可以用图1 的方块图来诠释：热电偶的输出电压经放大器放大后，微处理器用内建的模拟转数字功能(ADC)读入放大后的电压，同时由另一个模拟转数字端口读取参考接合点的温度值，微处理器将这二个值运算处理后得到量测点的温度值并将其储存于内存中，最后是利用RS232 的串行通讯接口来和计算机沟通，将所储存于内存内的数据传给个人计算机。参考接合点的温度在这里指的是放大器的热电偶输入端的温度，由于微处理器的操作温度范围有限约为0°C 至50°C，所以参考点的温度通常是用热电阻方式来量测。

图1： 回焊炉温测器之微处理器架构。

以上的论述已经钩勒出微处理器必备的规格，我们整理条列如下：
※至少七个模拟转数字的信道，分辨率为10bits 以上；
※内建内存或可外接内存达64K 字符(WORD)；
※内含一个定时器；
※三个以上的输出埠；
※最好有内建的通用异步接收传送器(UART)。

为了使回焊炉温测纪录器能够一次量测印刷电路板上六个点的温度，有必要具备七个模拟转数字信道，其中一个用于读取参考接合点的温度，10bits( 2¹⁰ = 1024 )的规格( 2¹⁰ = 1024 )可以量测温度范围从0°C 到500°C 且拥有0.5°C 的量测分辨率。64Ｋ的内存容量，在取样时间为0.1 秒时，可以记录七组数据（其中一组可以为参考点温度）达15 分30 秒久。定时器用来设定取样时间，输出埠用于连接发光二极管LED 作状态显示，至少要三个显示灯，以作出数种状态组合。通用异步接收传送器为处理串行通讯的控制器，用来作RS232 或RS485 的标准串行传送接收。市面上应该有许多符合上述规格的微处理器，本文仅以作者们手边常用的微处理器TMS320F240 来实作，它只是一个代表性而非最适当者。

实作电路图

回焊炉温测器实作的电路图为图2 到图4。图2 为主电路图，图3 为稳压器与重置的线路，而图4 为热电偶温度量测专用放大器的电路。图2 中之TMS320F240是一颗数字信号处理器，其原为马达驱动器专用的芯片，许多其他功能在此实作用不到，在此图中该芯片外接一颗64K words 的内存。芯片有二组ADC，每组有8 个埠，图中只标出每组的四个埠，但是仅七个被用到，即标为ADCIN0~3和ADCIN8~10。九根脚的RS232 接头经过准位调整器(MAX232A)接到芯片中的UART。接头JP5 为通用的JTAG，用于加载程序和作仿真测试的接头。

图2： 回焊炉温测器之实作电路图(3 之1)。

图3： 回焊炉温测器之实作电路图(3 之2)。

图4： 回焊炉温测器之实作电路图(3 之3)。

图3 用到Linear Technology 公司的LT1303 作DC/DC 稳压转换器，输出电压可以由R1和R2 电阻来调整： 。而TL7757 为电源开启重置器，外部重置按钮为S1，三个LED 中的LD3 为电源指示灯，其他留作状态显示用。

要将热电偶的μV 精确放大到mV，最好使用专用芯片，否则不容易控制精度。Analogy Devices 公司的AD594 和AD595 分别是专为J 型和K 型热电偶的仪器用放大器，都是经由雷射精调(laser trimmed)的产品，两者的差别只在放大倍率（前者为193.4，后者为247.3），另外又内含参考点温度补偿，使得输出电压直接为量测点温度的倍数(10mV/°C)。 图4 采用AD595，图中1 和1-分别接第一支热电偶输出的正极和负极。第七颗(U7)的脚1 和14 短接地线，使得输入电压为0V，因而输出电压为参考点温度的补偿电压，所以用作参考点温度的量测。

热电偶专用芯片AD595

针对不同的量测精确度要求，有两款产品AD595A 和|AD595C，前者精度为±3°C，后者为±1°C，所以以下仅讨论AD595C。首先介绍它的工作原理。AD595内部有两个压差放大器(differential amplifiers)，它们的输出加起来后再经过一个高增益的放大器作回授控制，如图5(a)所示。图中 IN 和-IN 为热电偶输入脚，VO 为输出电压( Vout)脚，FB 通常需短接于VO 以便达成回授控制回路，V 为正电源供应( Vs )，V-负电源供应，若负电源为0，则V-需短接于COM 再接地。AD595有热点偶断线检测功能，并将断线警报由 ALM 和-ALM 输出，若不用此警报，则必须将-ALM 短接于COM。其余的 C，-C， T，-T 为校准接脚，可接电阻来改变放大倍率值，因而可用于T 型热电偶。实作的电路图（见图4）中不考虑警报器和不用校准接脚。使用时仍需注意，AD595 的输出电压最大值为供应电源减2V，即V s− 2 。若Vs = 5 V 时，则Vout 的最大值为3V，仅可量到300°C，因为每°C 的输出电压为10mV。若要量到500°C，则必须 Vs ≥ 7 V。

图5： 热电偶专用芯片之工作原理：(a)硬件方块图；(b)数学方块图。

硅集成电路对温度灵敏的特性被AD595 用来量测参考点的温度，然后提供参考接合点的补偿电压 (cold junction compensation)，因此热电偶的输出电压加上此补偿电压，就如同参考接合点的温度是在0°C，所以这种补偿又称冰点补偿(ice point compensation)。因为热点偶的参考函数皆是以0°C 作为基准温度，即0°C
时输出电压为0V，所以经冰点补偿的电压值才可直接使用参考函数。

图5(a)中，热电偶的电压讯号由左边的放大器放大Ｇ倍，而冰点补偿电路产生的补偿电压由右边的放大器同样放大G 倍，两者相加后再经主放大器放大A 倍，而于VO 脚产生输出值，FB 脚又将输出值回授到右边的放大器，因为反接于放大器，所以是负回授，但是内串一个电阻，造成其净效果为单位负回授(unity feedback)。整个功能原理可以简化成图5(b)的数学方块图。主放大器的增益A 只是一个比例回授控制器，用于调整系统响应时间。放大器的A 和G 值经过设计后，达到输出为10mV/°C。而AD595 是假设热电偶产生的电压和温度是线性关系，以在25°C 时的斜率40.44μV/°C 来近似之。所以闭回路的放大效果为247.3倍(10/0.04044)。但是若参考温度为0°C 时，K 型热电偶在25°C 的输出电压为1.000mV，如果要产生250mV 的放大电压，必须再加上一个11μV 的偏电压(offset)。总结而言，AD595 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 ×T_R 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热电偶的温度与电压关系，直接把AD595 的输出电压除以10 来转成温度值（即10mV/°C），将有不可避免的误差。量测温度范围在0°C 至500°C 的温度量测误差已绘制于图6。很明显的，温度大于300°C，温度误差剧烈增加，在0°C 到50°C 间温差则可以忽略，所以AD595 的数据说明书(data sheets)指出它是为此范围量测而设计的，虽然它实际可量到1250°C(此时热电偶输入为50mV，而供应电源为Vs = 15 V)。

图6： 参考温度为25°C 时，线性化后的K 型热电偶量测误差。

如果我们多用一颗AD595 来量取参考点的温度，则配合上面的数学式，可以反推得( ) K M E T ，再用热电偶的反函数(见上一期的原理篇)，就可求得正确的量测温度，不会有如图6 所示的误差。将AD595 的 IN 和-IN 脚短接于地（例如图4中的U7），则T_R 可以用其输出电压( V _Rout )算出： 。

接着以热电偶的参考函数求出E K ( T R)，再用AD595 的输出方程式则能得到

最后利用热电偶的反函数求得T_M 。基于这个认知，我们在实作中将六个量测点的AD595 的输出电压和一个参考点温度的AD595 的输出电压同时储存在内存中，等到所有数据透过RS232 传给计算机后，再来用上述的方法求出量测点的温度。这个方式可以将AD595 直接用于其他型的热点偶，例如用N 型热点偶时，只要将上面式子的E K ( T R)和E K ( T M) 改为E N ( T R)和EN ( T M)，先用N 型热电偶的参考函数求出E N ( T R) ，带入上式求出EN ( T M)，而后用N 型热电偶的反函数求出T_M 。

简单的实习

实际制作回焊炉温测纪录器，对一般人而言不容易入手，这里提供一个简单实习的范例，直接用义隆的EM78578 芯片搭配AD595C 来作温度量测器。目标为制作一个双用途温测器，可以当一般数字温度计，也可以接K 型热电偶作工业型温度量测。电路图标于图7，用二颗AD595C，分别量参考点温度(U3)和热点偶的量测点温度(U2)。四个七段显示器用作数字显示温度值，可以达到0.5°C 的分辨率，即第三个七段显示器的小数点恒亮，而其他的小数点不显示。按钮(S1)作为参考点温度或量测点温度显示的切换，按下时显示的值为参考点温度，视同一般的温度计。

义隆的EM78578 为8-bit 的微控制器芯片，具有一组8 通道的8bits 模拟转数字器，有三组定时器，其中两个可用于产生PWM 输出。这个实习范例用到二个定时器，一个作为七段显示器扫描，另一个为设定取样时间，建议取样时坚定为0.1 秒。同样的，只用到二个ADC 信道，其余信道选作显示器的输出埠。因为ADC 为8bits，而显示温度的分辨率要0.5°C，所以参考电压(VREF)输入必须为1.28V，才可能使ADC 的输入电压分辨率达5mV(即1.28/256)，其正好对应到AD595C 所表示的0.5°C，因为AD595C 的输出斜率设计为10mV/°C。因此如此制作的温测器的最大量测温度为128°C。由于EM78578 不容易处理浮点运算，所以直接将AD595C 的输出电压以每10mV 换算成1°C，亦即ADC 所取得的值除以2 就是单位为°C 的温度值。图8 为以万用板组成的双用途温测器实物照片。义隆的EM78578 只有内建96×8bits 的SRAM，又未提供外接内存的功能，所以无法用于回焊炉温测纪录器，这个简单实习只是让读者实际了解温测器的制作而已。

图7： 简单实习之电路图。

图8： 简单实习之实物。