孫穩(wěn)穩(wěn)，宋德杰

(山東理工大學 電氣與電子工程，山東 淄博255049)

0 引 言

在碲鋅鎘單晶體的生長過程中，為了生長出高質(zhì)量的單晶體，生長參數(shù)優(yōu)化是非常必要的［1］。由于碲鋅鎘晶體結(jié)晶界面溫度與碲鋅鎘的配比有關(guān)，實時檢測控制生長爐內(nèi)晶體結(jié)晶界面的溫度就是其中的一個優(yōu)化參數(shù)［2～4］，但由于在晶體生長過程中，要求籽晶在其生長爐內(nèi)要按照一定的旋轉(zhuǎn)規(guī)律不停的旋轉(zhuǎn)。給結(jié)晶界面的溫度測量和控制布線帶來諸多不便。對于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，現(xiàn)在常用的溫度測量控制方法有二種:一種是利用電刷把溫度信號引出，然后用測量控制設(shè)備進行測量和控制;這種方法的缺點是有滑動觸點，易磨損，可靠性差，干擾大，需要經(jīng)常更換維修;另一種是通過非接觸傳感器測溫(如紅外、比色等)，但這種方法不適應(yīng)于封閉系統(tǒng)內(nèi)的溫度測量，而且精度比較低，抗干擾能力差，成本高等，應(yīng)用受到限制。

為了克服上述缺點，針對晶體結(jié)晶界面溫度為1 080 ℃左右，生長周期為21 天的要求［5］，本文設(shè)計了一個熱電偶測溫無線傳輸裝置，將它和熱電偶一同安裝在旋轉(zhuǎn)籽晶桿上，通過無線發(fā)射接收方式向顯示儀表和控制裝置傳輸測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了無限測量和控制。為了解決無限測溫裝置中蓄電池長期供電，電量不足的問題，設(shè)計了一個微型發(fā)電裝置，利用籽晶桿的旋轉(zhuǎn)，帶動微型發(fā)電機發(fā)電，并給無線發(fā)射裝置的蓄電池充電，較好地解決了無線測量發(fā)射裝置的長期供電和無線傳輸?shù)目垢蓴_問題。

1 無線溫度傳感器的硬件設(shè)計

無線溫度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，主要由熱電偶、無線溫度發(fā)射裝置和無線溫度接收裝置三大部分組成。其中，無線溫度發(fā)射裝置安裝在旋轉(zhuǎn)籽晶桿的底部，隨籽晶桿一起旋轉(zhuǎn);無線溫度接收裝置安裝在晶體生長爐旁邊的控制柜里面，實時接收發(fā)射裝置發(fā)出的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理和顯示。也可通過RS—485 串行口輸出給主機，進行保存，以便事后分析。

圖1 無線測溫傳感器結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of wireless temperature measuring sensor

1.1 無線溫度傳感器發(fā)射裝置設(shè)計

無線溫度傳感器發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。它由單片機、無線發(fā)射電路、熱電偶、放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器及外圍電源電路組成。單片機選用低功耗的AT89S52 芯片，無線發(fā)射采用PT2262 芯片。

圖2 無線溫度傳感器發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)Fig 2 Structure of wireless temperature sensor transmitting device

由于籽晶桿在高溫爐內(nèi)處于不斷旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，且晶體生長過程長達21 天。為解決無線測溫裝置電路電池供電不能持久的問題，借用手搖發(fā)電原理，設(shè)計了一種微型發(fā)電裝置，也安裝在旋轉(zhuǎn)籽晶桿上，利用籽晶桿的旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電給儀表上的蓄電池充電，以保證一次測量儀表的長期用電需求［6］。

因溫度信號變化比較緩慢，測溫停頓時間間隔比較長。為了節(jié)約電源能量，設(shè)計無線測量電路時，讓單片機在睡眠和工作二種方式間交替運作，兩種工作方式的時間間隔可以通過DIP 開關(guān)進行設(shè)置。單片機在進入睡眠方式前，關(guān)掉除自身外的所有外部電路的電源，以節(jié)約供電系統(tǒng)的能量。在睡眠方式時可通過單片機定時中斷激活進入工作方式，開啟所有外部電路電源開關(guān)，對發(fā)射測量電路軟件進行初始化，完成對溫度測量數(shù)值的采樣，并向無線接收顯示記錄電路發(fā)送測量數(shù)據(jù)。為了保證測溫精度，晶體生長爐內(nèi)的籽晶溫度是通過S 型熱電偶把它轉(zhuǎn)換成模擬電信號。把該熱電偶輸出信號經(jīng)放大器放大送至ICL7135 進行A/D轉(zhuǎn)換。ICL7135 是積分式4 位半A/D 轉(zhuǎn)換器，具有精度高、價格低、抗干擾能力強、速度適中等優(yōu)點。數(shù)據(jù)采集處理過程如下:CPU 首先發(fā)送命令讓ICL7135 將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并讀取它的A/D 轉(zhuǎn)換值，然后將它返回到熱電偶的mV 值，利用S 分度號的20 段折線線性化處理，得到當前時刻熱電偶對溫度測量的采樣值CT(n)。為了消除干擾，采用移動平均濾波技術(shù)，即通過CT=［CT(n)+CT(n－1)+CT(n－2)］/3 進行一階數(shù)字濾波得到的CT值作為該時刻的采樣真值。為了測量的準確，還要進行冷端溫度補償。假設(shè)當前冷端溫度值為CL，則實際的溫度值應(yīng)為Cn=CT+CL，最后通過PT2262 無線發(fā)射芯片，送入315 MHz 無線發(fā)射天線向接收顯示電路發(fā)射Cn 值，發(fā)射完成后，關(guān)斷除CPU 外的其他設(shè)備電源，完成一次溫度的采樣發(fā)射過程，進入休眠狀態(tài)。當設(shè)定休眠時間到后，CPU 又被喚醒，接通外設(shè)電源開關(guān)，重復(fù)以上過程。

1.2 無線溫度傳感器接收電路設(shè)計

無線溫度傳感器接收電路硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。它由電源電路、單片機、無線接收芯片PT2272，RS－485 接口、按鍵及顯示電路等幾部分組成［6］。溫度接收電路的功能主要是完成接收發(fā)射電路送來的溫度信號，并把正確接收的溫度值保存在存儲器中，再通過顯示、記錄儀把數(shù)據(jù)顯示記錄下來，同時接收溫度電路還可以完成溫度上下限報警。具體結(jié)構(gòu)包括四位數(shù)碼管顯示器、微型記錄儀、四個設(shè)定按鍵，PT2272 及無線接收模塊。通過按鍵可設(shè)定上限和下限報警溫度。通過RS—485 接口可以把接收的溫度數(shù)值上傳到上位機，通過上位機對溫度測量值進行進一步的分析處理，為爐溫控制系統(tǒng)進行有效的爐溫控制提供檢測信號。

圖3 無線溫度傳感器接收裝置結(jié)構(gòu)Fig 3 Structure of wireless temperature sensor receiving device

1.3 無線溫度通信原理

該設(shè)計采用了無線收發(fā)編碼/解碼芯片組PT2262/2272，它是臺灣普城公司生產(chǎn)的低功耗、寬電壓(2.6 ～15 V)通用編解碼芯片。其與315 MHz 無線發(fā)射/接收模塊組成無線收發(fā)電路，采用18 引腳封裝，主要有地址編碼引腳、收發(fā)控制引腳和數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳等。由于只進行一個溫度測量，故采用無線單工通信方式，即發(fā)射電路發(fā)送數(shù)據(jù)，接收電路接收數(shù)據(jù)［4］。

PT2262 和315 MHz 無線發(fā)射模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)發(fā)射電路，PT2262 編碼芯片發(fā)出的編碼信號碼段由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成。引腳14(TE)是編碼啟動引腳，用于多數(shù)據(jù)的編碼發(fā)射控制，低電平有效，接單片機的P1.1 引腳。引腳17(Dout)是編碼輸出端，輸出串行數(shù)據(jù)信號，它把單片機送到PT2262 的四位數(shù)據(jù)串行送到無線發(fā)射模塊。在引腳17為高電平期間，315 MHz 的高頻發(fā)射電路起振工作，并發(fā)射高頻等幅信號;在引腳17 為低平期間，315 MHz 的高頻發(fā)射電路停振，不工作，所以，高頻發(fā)射電路是否工作完全受控于PT2262 的17 引腳輸出的數(shù)字信號是0 還是1，從而可以對高頻電路實現(xiàn)幅度鍵控(ASK)調(diào)制，等同于100%的幅度調(diào)制。當14(TE)引腳編碼啟動端為高電平時，停止編碼輸出，17 引腳也為低電平，這時3I5 MHz 的高頻發(fā)射電路不工作。

PT2272 和315 MHz 無線接收模塊組成數(shù)據(jù)接收電路，PT2272 的引腳14(DIN)是串行信號輸入端，接收來自無線接收模塊的輸出信號。PT2272 的引腳17(VT)為解碼是否有效輸出端，高電平有效。當PT2272 解碼芯片接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對正確無誤后，17(VT)引腳輸出為高電平，同時相應(yīng)的四位數(shù)據(jù)引腳也輸出有效數(shù)據(jù)。當單片機查詢到17(VT)引腳為高電平時，就從PT2272 讀取數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)進行處理后保存、顯示或紀錄。

2 無線溫度軟件設(shè)計

為保證無線通信的可靠性，使無線發(fā)射電路和無線接收電路間的通信具有超強糾錯能力，本文采用模64 超強糾錯編碼，并設(shè)計發(fā)射電路每個溫度數(shù)據(jù)都要連續(xù)發(fā)射兩次。當接收電路接收到兩次的溫度測量值時進行校驗，只有模64 糾錯編碼完全正確，且兩次溫度值也相同時，才認為通信成功;否則，通信失敗，并要求發(fā)射電路重新發(fā)送數(shù)據(jù)。PT2262/2272 編碼通信方式是以1/2 個字節(jié)為基本單位方式進行的，數(shù)據(jù)包格式由字母E 開始，然后由8 個BCD 碼溫度值和校驗碼組成。通信數(shù)據(jù)包格式如下:

E BCD0 BCD1 BCD2 BCD3 BCD4 BCD5 BCD6 BCD7 CRC

其中，BCD0=BCD4 為個位，BCD1=BCD5 為十位，BCD2=BCD6 為百位，BCD3=BCD7 為千位，CRC 為校驗碼。

2.1 無線溫度發(fā)射電路的程序設(shè)計

程序流程圖如圖4 所示。溫度發(fā)射電路主程序在初始化后，打開外部電路電源，進入溫度數(shù)據(jù)測量處理過程，并把溫度測量結(jié)果連續(xù)發(fā)射兩次，然后進入定時睡眠狀態(tài)。睡眠方式可由定時中斷喚醒，中斷一次，主程序中定時中斷次數(shù)加1，并重新進人睡眠方式。當定時次數(shù)達到設(shè)定值后，程序跳轉(zhuǎn)到主程序起始位置，打開CPU 外部設(shè)備電源，重新進入溫度測量及發(fā)送過程，如此反復(fù)。

圖4 無線發(fā)射中斷服務(wù)程序流程圖Fig 4 Flow chart of interrupt service program of wireless transmission

2.2 無線溫度接收電路的程序設(shè)計

接收電路的程序包括主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分。中斷服務(wù)程序框圖如圖5 所示。采用中斷方式進行數(shù)據(jù)接收，當PT2272 收到數(shù)據(jù)時，向單片機發(fā)出中斷請求，單片機響應(yīng)中斷，接收數(shù)據(jù)，并對接收的溫度數(shù)據(jù)進行糾錯處理，上下限比較判斷等。當采集的溫度值Cn 大于上限溫度TH 或小于下限溫度TL 時，則發(fā)出上限報警或下限報警指示。當溫度值在設(shè)定范圍之內(nèi)(即TL ＜Cn ＜TH)時，把收到的溫度值存儲、顯示和記錄。

圖5 無線接收中斷服務(wù)程序流程圖Fig 5 Flow chart of interrupt service program of wireless receiving

3 實驗分析

由于使用溫度在1 200 ℃左右，為了保證測量精度，減少測量次數(shù)，實驗測試溫度數(shù)據(jù)取900 ～1 500 ℃之間。為了真實地模擬實際測量情況，假定環(huán)境溫度為30 ℃，采用精密電位差計模擬S 分度號熱電偶的輸出電壓，實驗測試結(jié)果如表1 所示。

表1 無線溫度傳感器測試表Tab 1 Measuring sheet of wireless temperature sensor

表1 中輸入電壓是電位差計的輸出電壓信號，它的數(shù)值與鉑銠—鉑熱電偶在該溫度上的輸出電壓信號完全一樣，即電位差計輸出的電壓是鉑銠—鉑熱電偶熱端溫度與冷端溫度對應(yīng)的電壓之差值。對測試結(jié)果進行計算分析證明:該設(shè)備測量精度高，絕對誤差±2 ℃，相對誤差不大于0.2%，滿足溫度測量誤差小于0.3%的精度要求。

4 結(jié) 論

經(jīng)使用證明:該無線溫度傳感器工作可靠，性能穩(wěn)定。完全達到設(shè)計要求。因溫度變化比較緩慢，采樣間隔取20 s，即20 s 測量發(fā)送一次溫度數(shù)據(jù)。大大節(jié)約了電池的能量。經(jīng)測試，發(fā)射與接收電路間通信距離在50 m 內(nèi)通信可靠，滿足實際的工程需要，稍加改進可以應(yīng)用于不便布線的其他場合進行溫度測量和控制，也可用于其他生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)改造中，具有比較廣的應(yīng)用價值。

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