基于單片機(jī)的寬范圍高精度光纖傳感測溫儀的研制

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)按照模塊化的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)更加完善，系統(tǒng)性能得以提高，方便調(diào)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(yīng)整個范圍內(nèi)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(shí)現(xiàn)信號的檢測。兩個通道的電路大體相似，但由于信號的強(qiáng)弱不同，在系統(tǒng)中所選用的運(yùn)放不一樣。其中低溫段所使用的運(yùn)放為 OPA129.OPA129是B_B公司的超低偏置電壓運(yùn)算放大器，低漂移、低噪聲、高開環(huán)增益，適合于將光電轉(zhuǎn)換信號放大。從熱力學(xué)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(yùn)放。兩路分別都有調(diào)零和調(diào)增益功能，兩路信號輸入到一個數(shù)字開關(guān)MAX4622。MAX4622是一個單刀雙擲數(shù)字開關(guān)，它的導(dǎo)通電阻最大為5Ω。MAX4622的通道選通信號由程序根據(jù)當(dāng)前溫度的高低來控制。如圖2所示。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元

為了達(dá)到大范圍、高精度地測量，不僅要精心設(shè)計(jì)信號拾取單元，而且在A/D轉(zhuǎn)換部分也采用了可編程增益放大器PGA103和12位的A/D轉(zhuǎn)換器 MAX191來實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)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(jī)的 P10、P11端。為了防止在單片機(jī)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(zhuǎn)換器的輸入界限，在PGA103的輸入端加一保護(hù)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(shù)轉(zhuǎn)換器，它的輸入可為單極性或雙極性，內(nèi)建采樣保持器，可調(diào)內(nèi)部參考電壓，采樣速率為100kSPS，數(shù)據(jù)可以串行輸出也可以8位并行輸出，內(nèi)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(zhuǎn)換后的數(shù)字量以8 位并行輸出到單片機(jī)，單片機(jī)分兩次讀取12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果；0～5V，采用內(nèi)部的振蕩時鐘，通過外接一個120pF的電容，正常情況下可產(chǎn)生1MHz的時鐘。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過8051查詢MAX191的轉(zhuǎn)換狀態(tài)端來判斷轉(zhuǎn)換的結(jié)束與否，然后再通過兩條讀指令來讀取12位的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，最后將兩次讀的8位數(shù)據(jù)拼接為12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。