基于單片機寬范圍高精度光纖傳感測溫儀研制
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光纖傳感測溫儀是一種非接觸式測溫方法與光纖傳感技術相結合，實現高精度、高重復性、快速響應、非接觸式測量和高性價比的新型光纖傳感類測溫系統(tǒng)。該類測溫儀利用光纖的空間濾波效應，使入射光波從空間瞬態(tài)變?yōu)榭臻g穩(wěn)態(tài)，消除雜散光的影響，提高測量的精度和穩(wěn)定性；將光纖探頭和電子處理單元隔離，使信號處理單元不受環(huán)境高溫影響，提高抗電磁干擾能力；響應速度快；根據熱源溫度，選擇最佳工作波段。 |
| 1 儀器基本原理框圖及功能框圖 整個儀器主要分為以下幾個部分信號拾取單元、模數轉換單元、鍵盤與顯示單元、8051單片機系統(tǒng)單元、RS-232通訊單元以及數模轉換單元。整個原理框圖如圖1所示。 |
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儀器的工作過程為：用光纖將物體的輻射傳導至探測器，探測器輸出電信號完成光電轉換；利用信號拾取單元將電信號調理，然后將電信號經過A/D轉換成數字信號用8051單片機處理；在單片機中用軟件完成被測物體溫度的非線性校正、溫度補償等功能。經過單片機處理后利用D/A轉換將溫度信號轉換成0~5V的電壓信號輸出。 |
| 2 系統(tǒng)的硬件設計 整個系統(tǒng)按照模塊化的設計方法設計，使系統(tǒng)的整結構更加完善，系統(tǒng)性能得以提高，方便調試、維修。 2.1信號拾取單元 由于測量的溫度范圍廣，只使用一個光電探測器不能適應整個范圍內的信號檢測。所以將溫度范圍一分為二，用兩個探測器兩條光路來實現信號的檢測。兩個通道的電路大體相似，但由于信號的強弱不同，在系統(tǒng)中所選用的運放不一樣。其中低溫段所使用的運放為OPA129。OPA129是B_B公司的超低偏置電流運算放大器，低漂移、低噪聲、高開環(huán)增益，適合于將光電轉換信號放大。從熱力學中玻耳茲曼定律可知，信號與溫度的四次方成正比。在溫度較低時信號很弱，采用OPA129；而溫度較高時則使用OP27運放。兩路分別都有調零和調增益功能，兩路信號輸入到一個數字開關MAX4622。MAX4622是一個單刀雙擲數字開關，它的導通電阻最大為5Ω。MAX4622的通道選通信號由程序根據當前溫度的高低來控制。如圖2所示。 |
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| 2.2 模數轉換單元 為了達到大范圍、高精度地測量，不僅要精心設計信號拾取單元，而且在A/D轉換部分也采用了可編程增益放大器PGA103和12位的A/D轉換器MAX191來實現信號的數字化。PGA103是一種通用的低溫漂可編程增益放大器，它的增益分為三擋：X1、X10、X100，通過兩個CMOS/TTL兼容的輸入端來選擇，PGA103工作電壓從±4.5V~±18V。系統(tǒng)中PGA103的增益選擇端A0、A1分別接至8051單片機的P10、P11端。為了防止在單片機上電時，P1口輸出全為1，PGA103的增益為100可能會輸出大于A/D轉換器的輸入界限，在PGA103的輸入端加一保護二極管，以防止過沖電壓損害PGA103。MAX191是MAXIM公司的一種12位、非線性誤差為1/2LSB的CMOS模/數轉換器，它的輸入可為單極性或雙極性，內建采樣保持器，可調內部參考電壓，采樣速率為100kSPS，數據可以串行輸出也可以8位并行輸出，內部或外部采樣時鐘。它有三種工作模式：Slow-Memory模式、ROM模式、Serial-Interface模式。在本系統(tǒng)中選用ROM模式，即A/D轉換后的數字量以8位并行輸出到單片機，單片機分兩次讀取12位的轉換結果；模擬信號單極性輸入，幅值為0~5V，采用內部的振蕩時鐘，通過外接一個120pF的電容，正常情況下可產生1MHz的時鐘。A/D轉換結束后，通過8051查詢MAX191的轉換狀態(tài)端來判斷轉換的結束與否，然后再通過兩條讀指令來讀取12位的A/D轉換結果，最后將兩次讀的8位數據拼接為12位的轉換結果。 2.3 鍵盤和顯示單元 本系統(tǒng)采用8255A的A口和C口擴展出一個4×4的鍵盤，包括10個數字鍵和6個功能鍵。在本系統(tǒng)中采用程序掃描法來識別按鍵。單片機先使8255A的PC口均為低電平，再讀A口。如果A口不全為高電平，則延時10ms去抖動；然后再讀A口，此時A口仍不全為高電平，說明確有鍵按下。進一步確定按下鍵的位置，先置PC0=0，PC1=PC2=PC3=1，讀A口，由A口低電平的位便可確定按下鍵的位置。依次類推，如果檢查完所有的鍵均無按下，說明是干擾或誤操作；掃描結束時，按下鍵的位置信息存于某個存儲單元中。 顯示采用以內藏HD61830控制器的液晶模塊8032B點陣型LCD。HD61830是點陣式液晶圖象顯示控制器，可與MPU直接接口，具有專用指令集，可完成文本顯示或圖形顯示的功能設置，以及畫面卷動、光標、閃爍、位操作等功能。 2.4 8051單片機單元 |
| 3 系統(tǒng)的軟件設計 系統(tǒng)軟件的設計完全按照結構化的程序設計方法來完成 ，將整個程序細分為若干個子程序(模)，方便調試與檢查。開發(fā)系統(tǒng)采用Franklin C51編譯器和偉福仿真器，利用C51語言使得整個軟件開發(fā)變得簡單、快速、易于調試。整個軟件流程見圖3。下面就幾個主要的子程序作一簡單的介紹。 |
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3.1 初始化子程序 |
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