【文章內(nèi)容簡介】 高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。 鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器 , 由于其測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等 ,被廣泛用于中溫 200℃～ 650℃ 范圍的溫度測量中。而本課題硬件系統(tǒng)設(shè)計正因為鉑熱電阻的 上述優(yōu)點才選擇其作為溫度采樣的傳感器的。 此模塊采用了八個含 Pt100 的電橋，分別從橋兩對應(yīng)電位點引出由溫度變化導(dǎo)致的電壓變化值。為了提高精度，橋臂電阻是經(jīng)過嚴(yán)格篩選的溫漂系數(shù)很小（ % 阻值相同的精密金屬膜電阻，本設(shè)計中一組橋臂電阻選用 10K 的電阻，共同接 +5V 電源，而另一組橋臂為 Pt100 和 200R 的可調(diào)電位器。本設(shè)計中為降低硬件成本，將 Pt100 換成同樣的 200R 可調(diào)電位器進(jìn)行電阻變化模擬，其阻值變化理論上，對應(yīng)溫度 25℃到 110℃。而另一電位器調(diào)置成 90Ω，保證 Pt100一側(cè)輸出電壓 當(dāng) Pt100 ，對應(yīng)理論溫度為 25℃，此時輸出電壓變化值Δ U 5V/ 10000+ Ω ；當(dāng) Pt100 ，對應(yīng)理論溫度為 110℃，此時輸出電壓變化值Δ U 5V/ 10000+ Ω 70mv。）大于此處輸出電壓，而該輸出電壓變化值Δ U 5V/ 10000+90 Ω 90Ω 。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TM7705 中，參考電壓 REF IN + ， REF OUT 0v，以 AIN1 （電位器 90Ω所在支臂中點 電壓變化輸入）為參考的話，則 AIN + （ Pt100 所在支臂中點電壓變化輸入）的模擬電壓信號變化范圍應(yīng)該為+， /增益 128。但在實際執(zhí)行數(shù)據(jù)處理中存在問題，需要不斷的更改增益值，即重新向設(shè)置寄存器輸入預(yù)定值，并且調(diào)整電位器大小。 Pt100 接入電橋采用三線制可進(jìn)一步減小導(dǎo)線對測量結(jié)果的影響。八路鉑熱電阻橋溫度采集模塊如下圖 36： 圖 36 八路鉑熱電阻橋溫度采集模塊 電源模塊設(shè)計 該模塊需要提供 +5V、 + 和接地電位。 +5V 電壓可以由降壓變壓器、整流橋、穩(wěn)壓集成芯片 LM7805 等元件產(chǎn)生， + 電壓可以由 5V 電源、穩(wěn)壓集成芯片 和濾波電容產(chǎn)生。 +5V 直流穩(wěn)壓電源 +5V 直流穩(wěn)壓電源電路如圖 37： 圖 37 +5V 直流穩(wěn)壓電源電路 +5V直流穩(wěn)壓電源是一種將 220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的 +5V直流電壓裝置，它需要經(jīng)過變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成。 電源變壓器采用降壓變壓器，將電網(wǎng)交流 220V 電壓變成 8V 電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓決定，此處變比 K 。 整流電路采用單向?qū)蛟?，?50Hz 的正弦交流電變 換成脈動的直流電。整流電路常采用二極管橋式整流電路，使得在交流電源正負(fù)半周內(nèi)，整流電路負(fù)載上都有方向不變的脈動直流電壓和電流。每個二極管只在半個周期內(nèi)導(dǎo)電，流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半，即 ID IL/2 。電路中每只二極管承受的最大反向電壓為 。（ U2 為副邊電壓有效值） 濾波電路將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到較為平滑的直流電壓。在電源模塊設(shè)計中，通常利用電容器兩端電壓和流過電感器電流不能突變的特點，將電容器和負(fù)載電容并聯(lián)或電 容器和負(fù)載電阻串聯(lián)，以達(dá)到使輸出電壓、電流波形基本平滑的目的。 穩(wěn)壓電路是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載變化而變化。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件組成。此處采用的是穩(wěn)壓集成芯片LM7805。 LM7805 是目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。在穩(wěn)壓過程中， Vin 和 Vout 兩端會形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓，此直流電壓經(jīng)過穩(wěn)壓和濾波后便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生精度高、穩(wěn)定性好的直流輸出電壓。其管腳圖如圖 38： 圖 38 LM7805 管腳 B. + 直流穩(wěn)壓電源 + 直流穩(wěn)壓電源電路如圖 39： 圖 39 + 直流穩(wěn)壓電源電路 是目前用的比較多的 集成穩(wěn)壓元件，它可以直接將 5V輸入電壓轉(zhuǎn)變成 電壓輸出，同時還要進(jìn)行去耦處理。其管腳圖如圖 310： 圖 310 管腳圖 八選一通道選擇模塊設(shè)計 本模塊選用的 HCF4051BE（功能同 CD4051BM），此元件相當(dāng)于一個單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道，由輸入的 3 位地址碼 ABC 來決定?！?INH”是禁止端，當(dāng)“ INH” 1 時，各通道均不接通。此外， 4051BE 還設(shè)有另外一個電源端 VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的 CMOS 電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān)，并使這種多路開關(guān)可傳輸峰－峰值達(dá) 15V 的交流信號。 ABC：地址端 CHANNELS 07：輸入輸出端 INH：禁止端 COM OUT/IN：公共輸出 /輸入端 VDD：正電源 VEE：模擬信號地 Vss：數(shù)字信號地本模塊需要選用兩快 HCF4051BE，作為采集到的溫度信號輸入給 TM7705 進(jìn)行處理的通道選擇， 因為 TM7705（其功能與 AD7705 相同）的模擬輸入是以差分信號的方式輸入，所以將兩塊 HCF4051BE 的地址線（ A、 B、 C）分別連到一起，使輸入的差分信號同時選通。 U2 與 U3 的第 3 管腳分別接 TM7705模擬輸入端的 AIN1 + 和 AIN1 引腳。該模塊電路如下圖 312 所示，在實際應(yīng)用中，為了使得它們的導(dǎo)通特性相同，要選擇同一生產(chǎn)批次、同一型號的HCF4051BE。其模塊如圖 312： 圖 312 八選一通道選擇模塊 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計 在電路中， 7705（其功能同 AD7705 相同，為國產(chǎn)元件）是 用于低頻測量系統(tǒng)的前端器件，它分辨率高，且有節(jié)電模式，能夠滿足高精度和低功耗的要求。此外， 7705 片內(nèi)還有數(shù)字濾波電路、校準(zhǔn)電路和補償電路，因而能更好地保證高精度的實現(xiàn)溫度測量。 ~ 或 ~ 單電源，且是雙通道全差分模擬輸入，帶有一個差分基準(zhǔn)輸入。當(dāng)電源電壓為 5V、基準(zhǔn)電壓為 時，該器件都可將輸入信號范圍從 0~+20mV 到 0~+ 的信號進(jìn)行處理。還可處理177。 20mV~177。 的雙極性輸入信號，對于 TM7705 是以 AIN（ ）輸入端為參考點。當(dāng)電 源電壓為3V、基準(zhǔn)電壓為 時，可處理 0~+10mV 到 0~+ 的單極性輸入信號，它的雙極性輸入信號范圍是177。 10mV 到177。 。因此， TM7705 可以實現(xiàn) 2/3 通道系統(tǒng)所有信號的調(diào)理和轉(zhuǎn)換。 TM7705 使用 V 單電源，它有兩個模擬差分輸入通道在電源為 V、參考電壓為V 下， TM7705 可直接接收傳感器產(chǎn)生的小信號以進(jìn)行 A／ D 轉(zhuǎn)換并輸出串行數(shù)字信號。它采用∑－Δ技術(shù)來實現(xiàn) 16 位 A／ D 轉(zhuǎn)換。采樣速率由 MCLKIN 端的主時鐘和放大器的可變增益來決定。實際上， 7705 同時可以對輸入信號進(jìn) 行片內(nèi)放大、調(diào)制轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波處理。其數(shù)字濾波器的阻帶可編程控制，以便調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率和輸出數(shù)據(jù)更新速率。 圖 313 信號處理轉(zhuǎn)換模塊 整個系統(tǒng)采用串行通信方式 0 進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀入，從該模塊電路上可以看出，引腳 1（ SCLK）接單片機 STC89C52 的引腳 11（ TXD），使 TXD 每一個機器周期向SCLK 輸入一個同步移位脈沖。引腳 2（ MCLK IN）接單片機的引腳 30（ ALE），當(dāng)ALE 不訪問外存儲器時，該端以 1/6 時鐘頻率輸出正脈沖，為 TM7705 提供主時鐘信號。 AIN1 + 、 AIN1 作為差分模擬 輸入通道的正負(fù)端，分別與八選一選擇器的兩個輸出口連接，以 AIN1 作為輸入信號的參考點，在電源電壓 5V、基準(zhǔn)參考電壓 下，可處理 0~+ 到 0~+ 的單極性輸入信號。引腳 13（ DOUT）和引腳 14（ DIN）接單片機的 RXD， DOUT/DIN 輸出或輸入串行數(shù)據(jù)，而RXD 接收或輸出串行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)的輸入輸出，要通過軟件控制 TI 和 RI 的狀態(tài)。這兩個引腳要接入 10K 的上拉電阻，同樣保證所讀電平狀態(tài)穩(wěn)定，不會發(fā)生跳躍現(xiàn)象。引腳 12（）接單片機的引腳 12（），當(dāng) 0 時，表示此時可以從 TM7705的數(shù)據(jù)寄存器中獲取新的輸出字。在從 TM7705 讀出字節(jié)的子程序中，往往需要判斷的狀態(tài)，當(dāng)?shù)碗娖綍r才準(zhǔn)許讀取數(shù)據(jù)，而且完成輸出字節(jié)的讀操作后，自動回到高電平狀態(tài)。 要想使用 TM7705，必須先了解其 16 個引腳的功能，其功能表述可見表 31： 表 31 TM7705 各引腳功能 編號 名稱 功能 1 SCLK 串行時鐘，施密特邏輯輸入。將一個外部的串行時鐘加于這一輸入端口，以訪問 TM7705 的串行數(shù)據(jù)。該串行時鐘可以是連續(xù)時鐘以連續(xù)的脈沖串傳送所有數(shù)據(jù) 。反 之 ，它也可以是非連續(xù)時鐘 ，將信息以小批型數(shù)據(jù)發(fā)送給 TM7705。 2 MCLK IN 為轉(zhuǎn)換器提供主時鐘信號。能以晶體 /諧振器或外部時鐘的形式提供。晶體 /諧振器可以接在 MCLK IN 和 MCLK OUT 二引腳之間。此外， MCLK IN 也可用 CMOS 兼容的時鐘驅(qū)動，而 MCLK OUT 不連接。時鐘頻率的范圍為 500kHz~5MHz。 3 MCLK OUT 當(dāng)主時鐘為晶體 /諧振器時，晶體 /諧振器被接在 MCLK IN 和 MCLK OUT 之間。如果在 MCLK IN 引腳處接上一個外部時鐘， MCLK OUT 將提供一個反相時鐘信號。這個時鐘可以用來為外部電路提供時鐘源，且可以驅(qū)動一個 CMOS 負(fù)載。如果用戶不需要， MCLK OUT 可以通過時鐘寄存器中的 CLK DIS 位關(guān)掉。這樣，器件不會在 MCLK OUT 腳上驅(qū)動電容負(fù)載而消耗不必要的功率。 4 片選，低電平有效的邏輯輸入，選擇 TM7705。將該引腳接為低電平， TM7705 能以三線接口模式運行 （以 SCLK、 DIN 和 DOUT 與器件接口）。在串行總線上帶有多個器件的系統(tǒng)中，可由 CS 對這些器件作出選擇，或在與 TM7705 通信時， CS 可用作幀同步信號。 5 復(fù)位輸入。低電平有效的輸入，將器件的控制邏輯、接口邏輯、校準(zhǔn)系數(shù)、數(shù)字濾波器和模擬調(diào)制器復(fù)位至上電狀態(tài)。 6 AIN2 + [AIN1] 對于 TM7705，差分模擬輸入通道 2 的正輸入端。 7 AIN1 + [AIN2] 對于 TM7705，差分模擬輸入通道 1 的正輸入端。 8 AIN1 [COMMON] 對于 TM7705，差分模擬輸入通道 1 的負(fù)輸入端。 9 REF IN（ +） 基準(zhǔn)輸入端。TM7705 差 分基準(zhǔn)輸入的正輸入端?；鶞?zhǔn)輸入是差分的，并規(guī)定 REF IN （ +）必須大于 REF IN （ ）。 REFIN （ +）可以取 VDD 和 GND 之間的任何值。 10 REF IN（ ） 基準(zhǔn)輸入端。 TM7705 差分基準(zhǔn)輸入的負(fù)輸入端。 REF IN（ ）可以取 VDD 和 GND 之間的任何值，且滿足 REF IN（ + ）大于 REF IN （ ）。 11 AIN2（ ） [AIN3] 對于 TM7705，差分模擬輸入通道 2 的負(fù)輸入端。 續(xù)表 31 編號 名稱 功能 12 邏輯輸 出。這個輸出端上的邏輯低電平表示可從 TM7705 的數(shù)據(jù)寄存器獲取新的輸出字。完成對一個完全的輸出字的讀操作后， DRDY 引腳立即回到高電平。如果在兩次輸出更新之間，不發(fā)生數(shù)據(jù)讀出， DRDY 將在下一次輸出更新前 500 tCLKIN 時間返回高電平。當(dāng) DRDY 處于高電平時，不能進(jìn)行讀操作，以免數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)正在被更新時進(jìn)行讀操作。當(dāng)數(shù)據(jù)被更新后， DRDY 又將返回低電平。 DRDY 也用來指示何時 TM7705 已經(jīng)完成片內(nèi)的校準(zhǔn)序列。 13 DOUT 串行數(shù)據(jù)輸出端。從片內(nèi)的輸出移位寄存器讀出的 串行數(shù)據(jù)由此端輸出。根據(jù)通訊寄存器中的寄存器選擇位，移位寄存器可容納來自通訊寄存器、時鐘寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的信息。 14 DIN 串行數(shù)據(jù)輸入端。向片內(nèi)的輸入移位寄存器寫入的串行數(shù)據(jù)由此輸入。根據(jù)通訊寄存器中的寄存器選擇位，輸入移位寄存器中的數(shù)據(jù)被傳送到設(shè)置寄存器、時鐘寄存器或通訊寄存器。 15 VDD 電源電壓， +～ +。 16 GND 內(nèi)部電路的地電位基準(zhǔn)點。 TM7705 片內(nèi)也包括 8 個寄存器，這些寄存器可通過器件的串行口進(jìn)行訪問。對 TM7705 進(jìn)行初始 化時，需要向指定的寄存器中賦值。 第 1 個是通信寄存器，它管理通道選擇，決定下一個操作是讀操作還是寫操作，以及下一次讀或?qū)懩囊粋€寄存器。所有與器件的通信必須從寫入通信寄存器開始。上電或復(fù)位后，器件等待在通信寄存器上進(jìn)行一次寫操作。所有的寄存器 （包括通信寄存器本身和輸出數(shù)據(jù)寄存器）進(jìn)行讀操作之前，必須先寫通信寄存器，然后才能讀選定的寄存器。此外，通信寄存器還控制