【正文】 /F 轉(zhuǎn)換器 8051 單片機(jī) 顯示 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 7 頁(yè) 共 40 頁(yè) 3 硬件設(shè)計(jì) 溫度傳感器是工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)的一種傳感器。它將物體的溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬，穩(wěn)定性好 、精度高等優(yōu)點(diǎn)。不同的溫度傳感器制作方法不同，常見(jiàn)的有熱敏電阻、熱電偶和集成型產(chǎn)品。其發(fā)展大體經(jīng)歷了從分體式、模擬集成到智能型階段?，F(xiàn)在的溫度傳感器不僅溫度信號(hào)輸出，還可以集成濕度測(cè)量，信號(hào)輸出也由原來(lái)的單一信號(hào)變成多樣化的輸出形式，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要進(jìn)行記錄、上限報(bào)警和自控控制等多種功能 【 6】 。 現(xiàn)在用的智能集成型溫度傳感器采用單片機(jī)技術(shù)，里面裝有多位模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器，其測(cè)量精度更高，分辨力更是高達(dá) 度，里面還可以集成日歷時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)多種測(cè)量模式之間切換，輸出更具規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，可以有 效抑制周圍環(huán)境對(duì)溫度信號(hào)輸出的干擾，使得測(cè)量值更加精確 【 7】 。 溫度傳感器輸出的溫度不是待測(cè)物現(xiàn)在的溫度，通常會(huì)有一定的誤差。對(duì)于需要精確測(cè)量的場(chǎng)合，需選用響應(yīng)速度更快的傳感器。在測(cè)量過(guò)程要保護(hù)要探頭，探頭的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的壽命，當(dāng)輸出不正確的時(shí)候要及時(shí)更換。在響應(yīng)時(shí)間要求不高的場(chǎng)合，可以用專用套管將探頭包裹起來(lái)，主要可以延長(zhǎng)探頭的使用時(shí)間， 為了保證儀器測(cè)溫的精度、穩(wěn)定性和線性度等指標(biāo) ， 應(yīng)選擇合適 的溫度傳感器 ，溫度傳感器的參數(shù)性能 , 是整機(jī)性能能否 達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵。作為計(jì)量?jī)x器不宜選用 一般的 PN 結(jié)溫度傳感器 , 因?yàn)槠錅y(cè)溫精度、穩(wěn)定性、線性度和一致 性都相對(duì)較差 ， 不能滿足設(shè)計(jì)的要求。這里選用了集成溫度傳感器 AD590KH。 AD590 是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下： 1) 流過(guò)器件的電流（ mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即： KmATIr /1= 式中： Ir— 流過(guò)器件（ AD590）的電流，單位為 mA； T— 熱力學(xué)溫度，單位為 K。 2) AD590 的測(cè)溫范圍為 55℃ ～ +150℃ 。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 8 頁(yè) 共 40 頁(yè) 3) AD590 的 電源 電壓范圍為 4V～ 30V。電源電壓可在 4V～ 6V范圍變化，電流變化1mA，相當(dāng)于溫度變化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。 4) 輸出 電阻 為 710MW。 5) 精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M五檔，其中 M檔精度最高，在 55℃ ～ +150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為 177?！?。 其測(cè)溫精度為 0. 1 ℃ ， 測(cè)溫分辨率為 ℃ ， 非線性度在 0～ 150 ℃范圍小于 0. 5% ，其參 數(shù)性能保證了現(xiàn)場(chǎng)采集的熱源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后的數(shù)據(jù)精度、穩(wěn)定性和線性度均高于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。此外 ， 集成 溫度傳感器 A D590具有一致性較好特點(diǎn) ， 用戶在儀器使 用一定時(shí)間后 ， 可方便地自行更換探頭。 溫度采集電路如 圖 ： 圖 采集電路圖 模擬多路開關(guān)是一種重要的器件，在多路被測(cè)信號(hào)共用一路 A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常用來(lái)將多路被測(cè)信號(hào)分別傳送到 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便計(jì)算機(jī)能對(duì)多路被測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理。 模擬開關(guān)是一種三穩(wěn)態(tài)電路，它可以根據(jù)選通端的電平，決定輸入端與輸出端的狀態(tài)。當(dāng)選通 端處在選通狀態(tài)時(shí)，輸出端的狀態(tài)取決于輸入端的狀態(tài)；當(dāng)選通端處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則不管輸入端電平如何，輸出端都呈高阻狀態(tài)。模擬開關(guān)在電子設(shè)備中主要起接通信號(hào)或斷開信號(hào)的作用。由于模擬開關(guān)具有功耗低、速度快、無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)、體積小 和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因而，在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用 【 8】 。 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中用到的是 CD4067，具體內(nèi)容如下： CD4067 的引腳圖如圖 所示 。 CD4067 相當(dāng)于一個(gè)單刀十六擲開關(guān) ,具體接通哪 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 9 頁(yè) 共 40 頁(yè) 一通道 ,由輸入地址碼 ABCD 來(lái)決定。 其真值表如表 所示。 圖 CD4067引腳圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 10 頁(yè) 共 40 頁(yè) 表 CD4067真值表 D C B A TNH 接通通道 0 0 0 0 0 “ 0” 0 0 0 1 0 “ 1” 0 0 1 0 0 “ 2” 0 0 1 1 0 “ 3” 0 1 0 0 0 “ 4” 0 1 0 1 0 “ 5” 0 1 1 0 0 “ 6” 0 1 1 1 0 “ 7” 1 0 0 0 0 “ 8” 1 0 0 1 0 “ 9” 1 0 1 0 0 “ 10” 1 0 1 1 0 “ 11” 1 1 0 0 0 “ 12” 1 1 0 1 0 “ 13” 1 1 1 0 0 “ 14” 1 1 1 1 0 “ 15” φ φ φ φ 1 均不接通 儀器放大器 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)算放大電路也得到廣泛的應(yīng)用。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源于運(yùn)算放大器 ,且優(yōu)于運(yùn)算放大器。儀表放大器把關(guān)鍵元件集成在放大器內(nèi)部，其獨(dú)特的 結(jié)構(gòu)使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn) ,使其在數(shù)據(jù)采集、傳感器信號(hào)放大、高速信號(hào)調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面倍受青睞。 儀表放大器是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益組件，具有差 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 11 頁(yè) 共 40 頁(yè) 分輸出和相對(duì)參考端的單端輸出。與運(yùn)算放大器不同之處是運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定，而儀表放大器則使用與輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。儀表放大器的 2 個(gè)差分輸入端施加輸入信號(hào)，其增益即可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶通過(guò)引腳內(nèi)部設(shè) 置或者通過(guò)與輸入信號(hào)隔離的外部增益電阻預(yù)置 【 9】 。 作為一個(gè)高性能的計(jì)量?jī)x器，對(duì)放大器增益的穩(wěn)定性、失調(diào)電壓、 零漂和非線性失真等參數(shù)要求極高，不宜于選用一般精度的運(yùn)放作為放大器，否則可能由于運(yùn)放對(duì)信號(hào)放大這一環(huán)節(jié)帶來(lái)的誤差，使儀器的參數(shù)指標(biāo)性能下降，達(dá)不到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。本儀器選用了高性能參數(shù)的 AD524作為儀器放大器。 AD524 是一種低噪聲 、高共模抑制比的單片式精密儀用放大器 , 國(guó)內(nèi)眾多器件手冊(cè)中過(guò)于簡(jiǎn)單的介紹難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。 AD524具有優(yōu) 良的性能指標(biāo) ,它的輸出失調(diào)電壓漂移低于 20μ V/℃ ,輸入失調(diào)電壓漂移低于 V/℃ ，增益 G = 1 時(shí)的共模抑制比 (CMRR) 大于 90dB ,最大非線性度為 % 。 G =1000 時(shí) ,CMRR 可達(dá) 120dB 。 AD524 的交直流特性都很杰出 , G =100 時(shí)它的增益帶寬乘積達(dá) 25M Hz ,壓擺率為 5V/μ s ,建立時(shí)間為 15μ s 。就 G = 1 、 10 、 100 、 1000 的固定增益而言 ,AD524 不需要任何外接器件 ,是一個(gè)完整的放大器 。對(duì)于 1 至 1000 之間的其它增益 ,僅需外接一只電阻即可實(shí)現(xiàn)。 針對(duì)開關(guān)通斷時(shí)的非正常情況 , AD524 對(duì)輸入進(jìn)行 了充分的保護(hù) 。 AD524 單片集成儀用放大器有四種不同的精度等級(jí)和工作溫度范圍。經(jīng)濟(jì)型的“ J ”級(jí) , 低漂移的“ K”級(jí)和較低漂移 、較高線性度的“ L”級(jí) ,其工作溫度范圍規(guī)定為 0～70℃?！?S”級(jí)則能在 55℃～ +125 ℃的溫度范圍內(nèi)確保規(guī)定的技術(shù)性能指標(biāo) 。 總的來(lái)看 ,AD524 的特點(diǎn)可歸納為如下幾點(diǎn) : 1) AD524能確保高增益精密放大所需的低失調(diào)電壓 、 低失調(diào)電壓漂移和低噪聲等性能指標(biāo) 。 2) 對(duì) G = 100、 1000 的固定增益 , AD524具備完整的放大器功能 ,可直接由引腳設(shè)定 。 3) AD524具有輸入和輸出失調(diào)調(diào)零功能 , 以便在所用的增益范圍內(nèi)將失調(diào)電壓調(diào)到最小 ,進(jìn)一步提高放大器精度 。 4) 在開關(guān)電源的非正常情況下 ,AD524 的輸入有可靠的保護(hù) 。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 12 頁(yè) 共 40 頁(yè) 5) AD524的動(dòng)態(tài)特性好 ,增益帶寬乘積為 25MHz ,全功率頻率為 75kHz 。 G = 100 , 10V階躍達(dá)到 1%的建立時(shí)間為 15μ s 。 其引腳圖如圖 ： 圖 AD524引腳圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 13 頁(yè) 共 40 頁(yè) 各引腳的對(duì)應(yīng)功能見(jiàn)表 。 表 AD524引腳功能表 引腳 功能 引腳 功能 1 反相輸入 2 輸出 3 正向輸入 4 監(jiān)測(cè) 5 增益設(shè)置 6 固定增益 7 輸入調(diào)零 8 固定增益 9 輸入調(diào)零 10 固定增益 11 參考 12 輸出調(diào)零 13 負(fù)電源 14 輸出調(diào)零 15 正電源 16 增益設(shè)置 AD524的零漂、失調(diào)電壓和非線性失真等參數(shù)指標(biāo)值 極小，使 AD524在放大信號(hào)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，在本儀器所要求新能參數(shù)的數(shù)量級(jí)上可忽略不計(jì)。儀器設(shè)計(jì)要求測(cè)溫分辨率為 ℃，測(cè)溫范圍為 30～ 40℃ , 放大器輸出電壓范圍為 0～ 10 V。由于系統(tǒng)對(duì)測(cè)溫參數(shù)性能要求很高，為了達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，放大器采取對(duì)信號(hào)進(jìn)行差值放大，差值放大的增益越高，儀器測(cè)溫輸出結(jié)果的分辨率和靈敏度就越高，這里把 AD524的增益設(shè)定為 100倍。 把 30℃溫度的測(cè)溫電壓值作為高性能基準(zhǔn)電壓源 LM399的基準(zhǔn)電壓值Vr接到儀器放大器 AD524的反相輸入端，作為測(cè)溫零刻度參考點(diǎn)（ LM399的零漂 和失調(diào)電壓均小于 5PPM/℃），儀器放大器同相端接實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。探頭在實(shí)際測(cè)試時(shí)，溫度每變化 1℃，儀器放大器輸入電壓變化為 10mV，輸出電壓變化為 1V； 溫度每變化℃，儀器放大器輸入電壓變化為 1mV，輸出電壓變化為 100mV；溫度每變化 ℃，儀器放大器輸入電壓變化為 ，輸出電壓變化為 10mV。 數(shù)據(jù)的采集與處理廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化領(lǐng)域中 ,由于應(yīng)用的場(chǎng)合不同 ,對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理所要求的硬件也不相同 .在控制過(guò)程中 ,有時(shí)要對(duì)幾個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行采集與處理 ,這些信號(hào)的采集與處理對(duì)速度要求 不太高 ,一般采用 AD574或 ADC0809等芯片組成的 A/D轉(zhuǎn)換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換，而 AD574 和 ADC0809 等 A/D 轉(zhuǎn)換器價(jià)格較貴，線路復(fù)雜 ,從而提高了產(chǎn)品價(jià)格和項(xiàng)目的費(fèi)用 .在本文中 ,從實(shí)際應(yīng)用出發(fā) ,給出了一種 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 14 頁(yè) 共 40 頁(yè) 應(yīng)用 V/F 轉(zhuǎn)換器 LM331 芯片組成的 A/D 轉(zhuǎn)換電路， V/F 轉(zhuǎn)換器 LM331 芯片能夠把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，而且線性度好，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，再把頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，就完成了 A/D 轉(zhuǎn)換。它與 AD574 等電路相比，具有接線簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，轉(zhuǎn)換精度高等特點(diǎn)，而且 LM331 芯片在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不需要軟件程序驅(qū)動(dòng)，這與 AD574 等需要軟件程序控制的 A/D轉(zhuǎn)換電路相比，使用起來(lái)方便了許多。 LM331是美國(guó) NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比比較高的集成芯片。它是當(dāng)前最簡(jiǎn)單的一種高精度 V/F轉(zhuǎn)換器、 A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長(zhǎng)時(shí)間積分器以及其它相關(guān)的