孵化环境温湿度监控系统设计原理

张立霞等

摘 要： 针对双面印制电路板制造工艺流程中孔金属化环节对温度参量实时监控的需求，设计一种基于MSP430单片机、热电偶和nRF905无线模块的密闭环境温度监控系统。下位机的热电偶感知密闭环境温度值，经过无线模块传输到上位机，经过处理的数据由串口通信传至监控平台。上位机随时启动继电器给密闭环境加热，监测温度值超过限值自动报警。详述了系统硬件和软件设计的要点，给出了单元接口电路和程序设计流程。试验结果表明，该系统性能稳定，便于扩展，具有一定的实用价值。

关键词： MSP430； nRF905； 热电偶； 实时监控

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）09?0106?04

Abstract： In view of the demand of the temperature real?time monitoring for double?sided printed circuit board manufacturing process of the hole metallization step， a closed environment temperature monitoring system based on MSP430 microcontroller， thermocouple and nRF905 wireless module is designed. The temperature value in closed environment is measured by the thermocouple of slave computer and transmitted to the host computer through the wireless module， the processed data by the host computer is transmitted to the monitoring platform by serial communication. The host machine can start the relay module to heat the closed environment at any time， when the monitoring temperature exceeds the limit， it automatic alarms. The key design of hardware and software in the system is described in detail， the interface circuits design and the program flow are given. Test results show that the system is stable performance， easy to expand， and has some practical value.

Keywords： MSP430； nRF905； thermocouple； real?time monitoring

0 引 言

随着电子信息技术的飞速发展，电子产品越来越趋向于高集成度、高灵敏度和高可靠性。PCB作为各类电子产品的关键元件，对其技术要求也相应地越来越高。特别是雷达、声纳、图像合成等电子设备，要求孔径越来越小，线路越来越密，外形复杂度及尺寸精度越来越高。PCB印制电路板制造工艺流程中，温度变化幅度将直接影响PCB板的品质，因此，在制造工艺过程中对温度的监控显得尤为重要。新设计的印制板制造设备充分考虑到工艺优化、效率提高等问题[1]，借助感应装置和人工智能技术[2?3]，实现温度参量实时监控[4?7]。半自动化甚至手动式的老设备，制板工艺流程中对于温度等参量的监控尤显费时、费力。

在某型老式印制板制造设备的改造工程中，针对选用微波介质基板的有金属化孔、图形表面沉银/镀锡铈的双面印制电路板制造工艺流程中孔金属化环节，设计了一种应用于密闭环境的温度监控系统。结合上位机监控平台，系统基于MSP430F149单片机、热电偶和nRF905无线射频芯片实现。试验表明，该系统能够比较准确地将密闭环境温度参数实时显示在上位机监控平台上，工作比较稳定、可靠。实时监测、控制加热装置，为得到高品质的印制电路板提供保障。

1 系统整体方案设计

进行等离子活化处理时，印制板置于满足一定混合比例的O2、N2环境中，加热时要求材料温度严格控制在70～90 ℃。为了设计一种具有较高精确度，较强实时性的密闭环境温度监控系统，基于集散控制理论，分别设计下位机和上位机，系统结构框图如图1所示。下位机以MSP430F149控制器为核心，主要包括按键模块、热电偶模块、继电器模块、无线模块和电源模块等。上位机主要包括MSP430F149微控制器、按键模块、无线模块、PC机监控平台、3.3 V电源模块和报警电路等。

新型单片射频收发器件nRF905作为无线数据传输模块，将置于充满混合气体的密闭环境中，热电偶所产生的电动势经过微控制器1进行数据处理后发送给上位机，上位机经过nRF905模块接收，传送给微控制器2，数据经过处理再由串口通信上传至监控平台，监测温度值一旦超过安全阈值将自动报警。通过比较当前环境温度值，上位机可以借助nRF905模块下达指令以启动继电器给密闭环境加热。下位机继电器控制采用低电平有效，为了避免系统上电瞬间继电器误吸合，对下位机的继电器模块采用独立电源供电。

2 硬件电路设计

密闭环境温度监控系统的硬件电路设计主要包括MSP430微控制器电路、nRF905无线数据传输模块、3.3 V电源模块、热电偶模块、继电器模块、按键模块和报警电路等。

2.1 MSP430微控制器电路

系统选用MSP430系列F149单片机作为主控制器，它是TI公司新开发的一款具有16位总线的带60 KB闪存、2 KB RAM的单片机。该芯片的CPU采用16位精简指令系统，带有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率。同时集成2个16位定时器、1个14路的12位片上ADC、1个看门狗、6个8位P口、2路USART通信端口。数字控制振荡器DCO，使得由低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6 μs。工作电压为1.8～3.6 V，突显低电压、超低功耗的特点[8?9]。

2.2 nRF905无线模块

单片无线收发器nRF905采用QFN封装，内部集成1个带频率调制器的发射器，1个带解调器的接收器，1个功率放大器，1个晶体振荡器和1个调节器。该芯片工作在433/868/915 MHz的ISM频段，工作电压为1.9～3.6 V，具有低功耗Shock Burst工作模式，能够自动产生前导码和CRC，通道切换时间小于0.65 ms。如图2所示，nRF905无线模块通过SPI总线连接至MCU微控制器，配置MSP430F149单片机的P2口和P4口分别控制无线模块，nRF905无线模块信号单端连接50 Ω馈线。

2.3 3.3 V电源模块

MSP430F149单片机和nRF905无线收发器均采用3.3 V电压供电，电路图如图3所示。贴片三端稳压器ASM1117?3.3的1引脚接入5 V，2引脚接地，3引脚输出3.3 V供给微控制器和无线传输模块。采用正向偏置电压较低的肖特基二极管SS14串联接入5 V直流电压，可有效防止DC电压正、负极反向。

2.4 热电偶模块

考虑到印制电路板实际制造工艺，系统采用J型热电偶作为感温原件，所产生的电动势变化经过MCU进行数据处理后由nRF905无线模块进行数据传输。热电偶冷端温度设定为0 ℃（冰水混合液），为解决连续测温过程中热电偶因冷端温度波动而引起的热电势变化，采用不平衡电桥进行补偿[10]。选用AD594热电偶放大器构成热电偶温度计电路，可以实现0～150 ℃范围内的温度检测。

2.5 继电器模块

继电器设定为低电平有效，为避免上电瞬间K吸合，该模块采用独立5 V直流电压供电。光电隔离驱动NPN型三极管的同时在继电器的线圈两端并联电解电容，并调整NPN型三极管的静态工作点，有效避免在上电复位瞬间和断电瞬间继电器误动作的现象。

3 软件设计

密闭环境温度监控可以分解为3个相对独立的部分，针对独立结构进行编程。系统软件设计主要包括上位机监控管理系统设计、上位机MCU控制系统设计和下位机MCU控制系统设计共3部分。其中，上、下位机MCU控制系统设计中，技术核心是对nRF905无线模块发送与接收过程的实现。

3.1 上位机监控管理系统结构

根据监控系统对温度等参量的需求，基于VB可视化程序设计语言设计了一套监控管理系统人机交互界面。管理系统主要分为基本信息模块、公共端口设置模块、温度监控值显示模块、历史项加载模块和系统整体操作模块，具体结构如图4所示。其中温度监控值模块主要负责对印制板等离子活化处理密闭环境温度实时显示，通过访问数据库，可以将历史温度记录值加以比较，进而优化温度监控，为高质量的印制电路板制造提供保障。

3.2 nRF905无线模块发送与接收流程

系统配置MCU的P2口和P4口控制nRF905无线模块信息发送与接收过程，由于MCU的所有P口和其他外设都是复用的，所以在使用P口前要用功能寄存器确定其功能是外设还是输入/输出端口，确定后还要在方向寄存器中进一步明确它是输入还是输出。nRF905芯片依托Shock Burst技术提供高速数据传输，实现数据处理和时钟覆盖。该模块的操作模式如表1所示，正确配置SPI接口实现数据的收发过程。

nRF905无线模块的发送与接收流程图如图5所示。数据发送过程中，首先初始化nRF905，使其处于待机状态，设置为发送模式，nRF905自动处理CRC校验码和前导码并自动重发数据，直到数据准备就绪，DR信息告知主控制器数据包发送完成。数据接收过程中，设置TRX_CE为高电平，TX_EN为低电平，nRF905监测空中载波信号，当发现与接收频率相同的载波时，载波检测端口置高电平；当接收到有效地址时，地址匹配端口AM置高；当接收到有效CRC校验码时，置DR为高电平；当接收所有有效数据后，将AM和DR置为低电平，以告知主控制器一个有效的地址和数据包已接收完成。

4 系统性能分析

系统采用带有不平衡电桥的J型热电偶和nRF905无线模块，结合上位机监控平台实现对印制电路板制造工艺流程中密闭环境温度参量的实时监控。其中，nRF905无线模块通过SPI接口和MCU微控制器进行数据传送，通过Shock Burst TX和Shock Burst RX模式进行无线数据的发送与接收，既降低了MCU存储器的需求又缩短了软件开发时间。试验结果表明，系统对温度参量的数据收发过程实时、稳定、可靠，监控平台温度参量监测结果实例如图6所示。

5 结 语

本文基于印制电路板制造工艺流程中对密闭环境温度参量监控的实际需求，采用MSP430F149单片机和射频收发器nRF905，结合热电偶传感器构建了无线监测系统。密闭环境温度实时上传到监控平台，实现了参量监测的自动化，为制造出具有良好性能的PCB电路板提供了保障。该系统具有功耗低，灵敏度高，工作稳定和扩展性强的特点，在工业控制、消费电子等领域都具有较广阔的应用前景。

参考文献

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