基于單片機的寬范圍高精度光纖傳感測溫儀的研制

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，使系統的整體結構更加完善，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公司的超低偏置電壓運算放大器，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。

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；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。