孫穩(wěn)穩(wěn)，宋德杰

(山東理工大學(xué) 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(zhǎng)過程中，為了生長(zhǎng)出高質(zhì)量的單晶體，生長(zhǎng)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(shí)時(shí)檢測(cè)控制生長(zhǎng)爐內(nèi)晶體結(jié)晶界面的溫度就是其中的一個(gè)優(yōu)化參數(shù)［2～4］，但由于在晶體生長(zhǎng)過程中，要求籽晶在其生長(zhǎng)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(cè)量和控制布線帶來諸多不便。對(duì)于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，現(xiàn)在常用的溫度測(cè)量控制方法有二種:一種是利用電刷把溫度信號(hào)引出，然后用測(cè)量控制設(shè)備進(jìn)行測(cè)量和控制;這種方法的缺點(diǎn)是有滑動(dòng)觸點(diǎn)，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(cè)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(cè)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(diǎn)，針對(duì)晶體結(jié)晶界面溫度為1 080 ℃左右，生長(zhǎng)周期為21 天的要求［5］，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)熱電偶測(cè)溫?zé)o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(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了無限測(cè)量和控制。為了解決無限測(cè)溫裝置中蓄電池長(zhǎng)期供電，電量不足的問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)微型發(fā)電裝置，利用籽晶桿的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)微型發(fā)電機(jī)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(cè)量發(fā)射裝置的長(zhǎng)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(jì)

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(zhǎng)爐旁邊的控制柜里面，實(shí)時(shí)接收發(fā)射裝置發(fā)出的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。也可通過RS—485 串行口輸出給主機(jī)，進(jìn)行保存，以便事后分析。

圖1 無線測(cè)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(jì)

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(jī)、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(jī)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(zhǎng)過程長(zhǎng)達(dá)21 天。為解決無線測(cè)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(jì)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(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電給儀表上的蓄電池充電，以保證一次測(cè)量?jī)x表的長(zhǎng)期用電需求［6］。

因溫度信號(hào)變化比較緩慢，測(cè)溫停頓時(shí)間間隔比較長(zhǎng)。為了節(jié)約電源能量，設(shè)計(jì)無線測(cè)量電路時(shí)，讓單片機(jī)在睡眠和工作二種方式間交替運(yùn)作，兩種工作方式的時(shí)間間隔可以通過DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。單片機(jī)在進(jìn)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(shí)可通過單片機(jī)定時(shí)中斷激活進(jìn)入工作方式，開啟所有外部電路電源開關(guān)，對(duì)發(fā)射測(cè)量電路軟件進(jìn)行初始化，完成對(duì)溫度測(cè)量數(shù)值的采樣，并向無線接收顯示記錄電路發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)。為了保證測(cè)溫精度，晶體生長(zhǎng)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(hào)。把該熱電偶輸出信號(hào)經(jīng)放大器放大送至ICL7135 進(jìn)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(jià)格低、抗干擾能力強(qiáng)、速度適中等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(hào)的20 段折線線性化處理，得到當(dāng)前時(shí)刻熱電偶對(duì)溫度測(cè)量的采樣值CT(n)。為了消除干擾，采用移動(dòng)平均濾波技術(shù)，即通過CT=［CT(n)+CT(n－1)+CT(n－2)］/3 進(jìn)行一階數(shù)字濾波得到的CT值作為該時(shí)刻的采樣真值。為了測(cè)量的準(zhǔn)確，還要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。假設(shè)當(dāng)前冷端溫度值為CL，則實(shí)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(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)設(shè)定休眠時(shí)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(jì)

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(jī)、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(hào)，并把正確接收的溫度值保存在存儲(chǔ)器中，再通過顯示、記錄儀把數(shù)據(jù)顯示記錄下來，同時(shí)接收溫度電路還可以完成溫度上下限報(bào)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(gè)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(bào)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(jī)，通過上位機(jī)對(duì)溫度測(cè)量值進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，為爐溫控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的爐溫控制提供檢測(cè)信號(hào)。

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(jì)采用了無線收發(fā)編碼/解碼芯片組PT2262/2272，它是臺(tái)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(jìn)行一個(gè)溫度測(cè)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(hào)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(dòng)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(jī)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(hào)，它把單片機(jī)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(hào);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(hào)是0 還是1，從而可以對(duì)高頻電路實(shí)現(xiàn)幅度鍵控(ASK)調(diào)制，等同于100%的幅度調(diào)制。當(dāng)14(TE)引腳編碼啟動(dòng)端為高電平時(shí)，停止編碼輸出，17 引腳也為低電平，這時(shí)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(hào)輸入端，接收來自無線接收模塊的輸出信號(hào)。PT2272 的引腳17(VT)為解碼是否有效輸出端，高電平有效。當(dāng)PT2272 解碼芯片接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對(duì)正確無誤后，17(VT)引腳輸出為高電平，同時(shí)相應(yīng)的四位數(shù)據(jù)引腳也輸出有效數(shù)據(jù)。當(dāng)單片機(jī)查詢到17(VT)引腳為高電平時(shí)，就從PT2272 讀取數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后保存、顯示或紀(jì)錄。

2 無線溫度軟件設(shè)計(jì)

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(qiáng)糾錯(cuò)能力，本文采用模64 超強(qiáng)糾錯(cuò)編碼，并設(shè)計(jì)發(fā)射電路每個(gè)溫度數(shù)據(jù)都要連續(xù)發(fā)射兩次。當(dāng)接收電路接收到兩次的溫度測(cè)量值時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)，只有模64 糾錯(cuò)編碼完全正確，且兩次溫度值也相同時(shí)，才認(rèn)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(gè)字節(jié)為基本單位方式進(jìn)行的，數(shù)據(jù)包格式由字母E 開始，然后由8 個(gè)BCD 碼溫度值和校驗(yàn)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(gè)位，BCD1=BCD5 為十位，BCD2=BCD6 為百位，BCD3=BCD7 為千位，CRC 為校驗(yàn)碼。

2.1 無線溫度發(fā)射電路的程序設(shè)計(jì)

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(jìn)入溫度數(shù)據(jù)測(cè)量處理過程，并把溫度測(cè)量結(jié)果連續(xù)發(fā)射兩次，然后進(jìn)入定時(shí)睡眠狀態(tài)。睡眠方式可由定時(shí)中斷喚醒，中斷一次，主程序中定時(shí)中斷次數(shù)加1，并重新進(jìn)人睡眠方式。當(dāng)定時(shí)次數(shù)達(dá)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(jìn)入溫度測(cè)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(jì)

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(jìn)行數(shù)據(jù)接收，當(dāng)PT2272 收到數(shù)據(jù)時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，單片機(jī)響應(yīng)中斷，接收數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)處理，上下限比較判斷等。當(dāng)采集的溫度值Cn 大于上限溫度TH 或小于下限溫度TL 時(shí)，則發(fā)出上限報(bào)警或下限報(bào)警指示。當(dāng)溫度值在設(shè)定范圍之內(nèi)(即TL ＜Cn ＜TH)時(shí)，把收到的溫度值存儲(chǔ)、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(shí)驗(yàn)分析

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

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

表1 中輸入電壓是電位差計(jì)的輸出電壓信號(hào)，它的數(shù)值與鉑銠—鉑熱電偶在該溫度上的輸出電壓信號(hào)完全一樣，即電位差計(jì)輸出的電壓是鉑銠—鉑熱電偶熱端溫度與冷端溫度對(duì)應(yīng)的電壓之差值。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析證明:該設(shè)備測(cè)量精度高，絕對(duì)誤差±2 ℃，相對(duì)誤差不大于0.2%，滿足溫度測(cè)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。因溫度變化比較緩慢，采樣間隔取20 s，即20 s 測(cè)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(cè)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(shí)際的工程需要，稍加改進(jìn)可以應(yīng)用于不便布線的其他場(chǎng)合進(jìn)行溫度測(cè)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(jià)值。

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