【文章內容簡介】 D623 就是具有上述描述的三運放結構，在本設計中 我們根據(jù)手中的元器件材料最終選擇了 AD620 作為放大器電路的首級放大。 AD620 是低價格、低功耗儀用放大器，它只需要一只 外部電阻就可設置 1～1000 倍的放大增益，它具有較低的輸入偏置電流、 較快的建立時間和較高的精度，特別適合于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如稱重 和傳感器 接口，也非常適合醫(yī)療儀器的應用系統(tǒng)（如 ECG 檢測和血壓監(jiān)視）、多路轉換器及干電池供電 的前置放大器使用。 AD620 的內部結構是由 OP07 組成的三運放結構，性能大大優(yōu)于自制的三運放 IC 電路設計，其基本接法是在 1 腳與 8 腳之間外接一 RG 電阻，增益由式G=1+ /RG 確定，由于它的外圍電路十分簡單，所以它在 本系統(tǒng)中的應用見下圖 24 所示。 由于我們的溫度測量范圍是 0～ 100℃，而此時的溫度傳感器的電阻值根據(jù)分度表為 100歐姆～ ，由于我們設計的恒流源為 5/3毫安，因此 AD620的輸入端為 毫伏，假設考慮我們的 TLC2543 的最大輸入為 ，我們設計的放大器的增益在盡量保證分辨率的條件 下，則為 20 倍，假設我們只用一個 AD620，則 AD620 的輸出為 2V～ 5V(TLC 只能轉換 5V)，這樣 12 位的 A/D 轉換器的分辨率則大于題目的要求 ℃，因此，我們必須將 100 歐姆以下的值通過偏置的方法將其減掉，然后通過增加放大倍數(shù) 來盡量提高分辨率，這里我們設計的偏置電路同樣見下圖 5 所示。這里設計的首級放大器的倍數(shù)是 20 倍，而后級放大則為 4 倍，合計的放大倍數(shù)為 80 倍，這樣就完全滿足設計分辨率的要 求。 基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng) 15 R910kR740k85326741U3A D 62085326741U2op 07V R 12kR82kV R 24kV C C+ 12V 12V+ 12V 12VR 1010kA023增益調整放大器 1 放大器 2 及偏置電路傳感器信號的輸入 圖 24 放大電路 A/D 轉換模塊 TLC2543 簡介 在本設計系統(tǒng)中，為了將模擬量溫度轉換成數(shù)字量，采用德州儀器公司生產(chǎn)的 12 位開關電容型逐次逼近模數(shù)轉換器 TLC2543，它具有三個控制輸入端，采用簡單的 3 線 SPI 串行接口可方便地與微機進行連接，是 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。 TLC2543 與外圍電路的連線簡單，三個控制輸入端為 CS(片選 )、輸入 /輸出時鐘 (I/O CLOCK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端 (DATA INPUT)。片內的 14 通道多路器可以選擇 11 個輸入中 的任何一個或 3 個內部自測試電壓中的一個，采樣－保持是自動的，轉換結束， EOC 輸出變高。 基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng) 16 TLC2543 的主要特性 (1) 11 個模擬輸入通道； (2) 66ksps 的采樣速率； (3) 最大轉換時間為 10μ s； (4) SPI 串行接口； (5) 線性度誤差最大為177。 1LSB； (6) 低供電電流 (1mA 典型值 )； (7) 掉電模式電流為 4μ A。 TLC2543 引腳簡介 TLC2543 的引腳排列如圖 25 所示。 A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10A911A 1012R13R+14/C S15DO16DI17C L O K18E O C19V C C20T L C 2543 圖 25 TLC2543的引腳 AIN0～ AIN10：模擬輸入端，由內部多路器選擇。對 的 I/O CLOCK，驅動源阻抗必須小于或等于 50Ω。 CS：片選端， CS 由高到低變化將復位內部計數(shù)器，并控制和使能 DATA OUT、DATA INPUT 和 I/O CLOCK。 CS 由低到高的變化將在一個設置時間內禁止DATA INPUT 和 I/O CLOCK。 基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng) 17 DATA INPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以 MSB 為前導并在 I/O CLOCK的前 4 個上升沿移入 4 位地址，用來選擇下一個要轉換的模擬輸入信號或測試電壓，之后 I/O CLOCK 將余下的幾位依次輸入。 DATA OUT： A/D 轉換結果三態(tài)輸出端，在 CS 為高時，該引腳處于高阻狀態(tài)；當 CS 為低時，該引腳由前一次轉換結果的 MSB 值置成相應的邏輯電平。 EOC：轉換結束端。在最后的 I/O CLOCK 下降沿之后， EOC 由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D換完成及數(shù)據(jù)準備傳輸。 VCC、 GND：電源正端、地。 REF＋、 REF－：正、負基準電壓端。通常 REF＋接 VCC， REF－接 GND。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差。 I/O CLOCK：時鐘輸入 /輸出端。 TLC2543 每次轉換和數(shù)據(jù)傳送使用 16 個時鐘周期，且在每次傳送周期之間插入 CS 的時序。根據(jù) TLC2543 時序圖可以看出，在 TLC2543 的 CS 變低時開始轉換和傳送過程， I/O CLOCK 的前 8 個上升沿將 8 個輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時它將前一次轉換的數(shù)據(jù)的其余 11 位移出 DATA OUT 端，在I/O CLOCK 下降沿時數(shù)據(jù)變化。當 CS 為高時， I/O CLOCK 和 DATA INPUT被禁止， DATA OUT 為高阻態(tài)。 TLC2543 與單片機的連接如圖所示。 基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng) 18 圖 26 TLC2543與單片機連接圖 單片機控制電路 本設計是采用 STC89C52RC 單片機作為主控電路，其中 P1 口為 A/D 轉換器，, 為按鍵控制， P0 為液晶數(shù)據(jù)端口 ， P2 為液晶控制端口 ，用于對液晶 進行 控制 。如圖 8 所示 。 圖 2 7 STC89C52RC 單片機控制電路 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 A8 9 GND 10 A9 11 A10 12 R 13 R+ 14 /CS 15 DO 16 DI 17 CLOK 18 EOC 19 VCC 20 TLC2543 VCC 5V CLOK D1 D0 /CS A0 基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng) 19 顯 示模塊 本設計采用液晶 12864來顯示溫度及溫度曲線。其連線圖如下： 圖 28 液晶顯示 第三章 軟件設計 系統(tǒng)總流程的設計 本系統(tǒng)先進行初始化，然后 PT100進行溫度采集，然后經(jīng)過放大， A/D采集后由單片機處理讀到的數(shù)據(jù)，然后通過液晶顯示溫度及溫度曲線。流程圖如下： 基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng) 20 圖 31 系統(tǒng)總流程圖 主函數(shù)的設計 系統(tǒng)初始化，調用溫度子程序，調用顯示子程序，調用掃描按鍵程序，然后循環(huán)。流程圖如下： 圖 32 主函數(shù)流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 PT100 溫度數(shù)據(jù)采集 處理讀到的數(shù)據(jù) 顯示溫度及溫度曲線 結束 開始 系統(tǒng)初始化 調用溫度子程序 調用顯示子程序 調用掃描按鍵程序 基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng) 21 溫度轉換流程圖的設計 溫度轉換函數(shù)先行初始化 ， A/D 轉換開始工作，單片機將轉換后的電壓轉換成溫度。流程圖如下： 圖 33 溫度轉換流程圖 顯示流程圖 主函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入 12864，讀取溫度值。并顯示溫度及溫度曲線。流程圖如下：開始 初始化函數(shù) A/D 轉換器進行 A/D 轉換 將轉換后的電壓轉換為溫度 返回 基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng) 22 圖 34 顯示流程圖 按鍵流程的設計 圖 35 按鍵流程圖 開始 將溫度數(shù)據(jù)寫入 12864 液晶 讀取溫度值 顯示溫度 值及溫度曲線 返回 基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng) 23 第四章 數(shù)據(jù)處理與性能分析 采集的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理 表 41采集的數(shù)據(jù) 溫度℃ 39 49 55 69 74 80 93 電壓 V 通過最小二乘法擬合的直線： Y=X* （公式 3） 性能測試分析 做實際的電 路板時為了調零的需 要先將 Pt100 用 100Ω的電阻來代替，模擬出一個外界溫度為 0℃的環(huán)境，以便于通過對電位器的調節(jié)使其輸出電壓為 0V。先檢查電路各個模塊是否能正常工作，如 T431 的參考極的電壓是否為 ，代替 Pt100 的 100Ω電阻兩端的電壓是否是 ，通過對信號放大模塊中的電位器的調節(jié)是否能正常影響信號放大模塊和運放加減模塊的輸出電壓。將電路板調試正常后，調節(jié)電位器使電路最終輸出端的電壓降到 0V，但是在實際調節(jié)中輸出電壓調節(jié)到 時就沒有辦法繼續(xù)下調了，由于輸出電壓是隨電位器的電壓上升而下降的，故可能是 和電位器串聯(lián)的電阻 R8 設置得太小了。將 100Ω電阻拆下?lián)Q上 Pt100 熱敏電阻進行實際測量 ,測得電壓為 ，測得的溫度為 21℃，而這時用標準的溫度傳感器測得的溫度也為 21℃，在用 Pt100 測體溫，測得，為 36℃，誤差很小，電路設計成功。故前面的 的誤差可能是其他原因照成的，但是由于沒有嘗試其他標準溫度的測量還不能對產(chǎn)生誤差的原因進一步分析。 基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng) 24 第五章 結論與心得 1 結論 根據(jù)電路板的測試結果表明電路工作正常，能實現(xiàn)設定的功能，達到指標要求，但是對低溫的測量可能存在著較大的誤 差。 2 心得 通過這次的課程設計我掌握了一些簡單的設計過程和調試方法。在設計一個電路時可以先查閱相關資料，然后先確定電路中各個模塊要實現(xiàn)的功能以及基本指標，再確定對各個模塊中的器件的型號和常數(shù)，最后將各個模塊聯(lián)系起來再進一步進行調整。將設計好的電路放到仿真軟件上進行仿真，觀察電路以及各個模塊能否按設定的狀態(tài)工作，最終結果是否正確， 將實際電路做出來后要 進行調試，調試時可先測試最終的輸出能否達到預想的結果，電路不能正常工作是要對電路的各個模塊進行檢查，可以和軟件仿真調試時一樣檢查各個模塊是否正常工作，找到工作 不正常的模塊后，對該模塊的各個性能指標以及各點輸入輸出是否正確，然后分析可能產(chǎn)生錯誤的原因后再進行進一步的排查和調試。然后不斷的重復以上對實際電路的調試過程，直到電路全部正常工作。在對各個模塊進行檢測時可先檢測電源模塊是否正常工作，因為很多錯誤都是電源部分出問題導致或可以影響并反映在電壓部分上，如在這次的調試過程中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)同學的電路出現(xiàn)問題都是電源的問題，要么是 TL431 燒壞了，要么是芯片燒壞了影響到了 TL431 的參考極的電壓，導致電源部分異常。本電路可以檢測 TL431 參考極的電壓是否正確，發(fā)現(xiàn)不正 確可先將芯片（尤其是做隔離網(wǎng)