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(shù)相結合，實(shí)現高精度、高重復性、快速響應、非接觸式測量和高性?xún)r(jià)比的新型光纖傳感類(lèi)測溫系統。該類(lèi)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穩態(tài)，消除雜散光的影響，提高測量的精度和穩定性；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(gè)儀器主要分為以下幾個(gè)部分信號拾取單元、模數轉換單元、鍵盤(pán)與顯示單元、8051單片機系統單元、RS-232通訊單元以及數模轉換單元。整個(gè)原理框圖如圖1所示。 |
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儀器的工作過(guò)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(jīng)過(guò)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(xiàn)性校正、溫度補償等功能。經(jīng)過(guò)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 系統的硬件設計 整個(gè)系統按照模塊化的設計方法設計，使系統的整結構更加完善，系統性能得以提高，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(gè)光電探測器不能適應整個(gè)范圍內的信號檢測。所以將溫度范圍一分為二，用兩個(gè)探測器兩條光路來(lái)實(shí)現信號的檢測。兩個(gè)通道的電路大體相似，但由于信號的強弱不同，在系統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(kāi)環(huán)增益，適合于將光電轉換信號放大。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(shí)信號很弱，采用OPA129；而溫度較高時(shí)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(gè)數字開(kāi)關(guān)MAX4622。MAX4622是一個(gè)單刀雙擲數字開(kāi)關(guān)，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(lái)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(yíng)/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(lái)實(shí)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(guò)兩個(gè)CMOS/TTL兼容的輸入端來(lái)選擇，PGA103工作電壓從±4.5V~±18V。系統中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(shí)，P1口輸出全為1，PGA103的增益為100可能會(huì )輸出大于A(yíng)/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(guò)沖電壓損害PGA103。MAX191是MAXIM公司的一種12位、非線(xiàn)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(shí)鐘。它有三種工作模式：Slow-Memory模式、ROM模式、Serial-Interface模式。在本系統中選用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(shí)鐘，通過(guò)外接一個(gè)120pF的電容，正常情況下可產(chǎn)生1MHz的時(shí)鐘。A/D轉換結束后，通過(guò)8051查詢(xún)MAX191的轉換狀態(tài)端來(lái)判斷轉換的結束與否，然后再通過(guò)兩條讀指令來(lái)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(pán)和顯示單元 本系統采用8255A的A口和C口擴展出一個(gè)4×4的鍵盤(pán)，包括10個(gè)數字鍵和6個(gè)功能鍵。在本系統中采用程序掃描法來(lái)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(shí)10ms去抖動(dòng)；然后再讀A口，此時(shí)A口仍不全為高電平，說(shuō)明確有鍵按下。進(jìn)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(lèi)推，如果檢查完所有的鍵均無(wú)按下，說(shuō)明是干擾或誤操作；掃描結束時(shí)，按下鍵的位置信息存于某個(gè)存儲單元中。 顯示采用以?xún)炔豀D61830控制器的液晶模塊8032B點(diǎn)陣型LCD。HD61830是點(diǎn)陣式液晶圖象顯示控制器，可與MPU直接接口，具有專(zhuān)用指令集，可完成文本顯示或圖形顯示的功能設置，以及畫(huà)面卷動(dòng)、光標、閃爍、位操作等功能。 2.4 8051單片機單元 |
| 3 系統的軟件設計 系統軟件的設計完全按照結構化的程序設計方法來(lái)完成 ，將整個(gè)程序細分為若干個(gè)子程序(模)，方便調試與檢查。開(kāi)發(fā)系統采用Franklin C51編譯器和偉福仿真器，利用C51語(yǔ)言使得整個(gè)軟件開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單、快速、易于調試。整個(gè)軟件流程見(jiàn)圖3。下面就幾個(gè)主要的子程序作一簡(jiǎn)單的介紹。 |
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3.1 初始化子程序 |
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