【正文】 信號的調(diào)制可以通過兩個途徑來實現(xiàn)：一種是在光學系統(tǒng)的焦平面附近加斬波器，使紅外輻射斷斷續(xù)續(xù)地落在探測器上，這樣探測器就產(chǎn)生隨時間變化的交流信號；另一種是讓光學系統(tǒng)掃描，這樣就可以得到交流信號。對于交流信號，可以用交流放大器進行放大和處理。斬波器是一種最簡單的輻射調(diào)制器，一般用金屬片制成。課題中所使用的斬波器形狀如圖31所示。當熱釋電紅外探測器的窗口被扇形金屬片遮擋時，探測器沒有輸出信號；當探測器不被扇形金屬片遮擋時，探測器上就有輸出信號。因此，斬波器不斷地旋轉(zhuǎn)，探測器就會輸出一系列的脈沖信號。斬波器要不停地旋轉(zhuǎn)才能對紅外信號進行連續(xù)地調(diào)制。為了可靠地控制斬波器的轉(zhuǎn)動，課題中采用步進電機帶動斬波器轉(zhuǎn)動，而步進電機則由SAA1042芯片進行驅(qū)動。步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖，電機轉(zhuǎn)軸就步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。步進電機具有轉(zhuǎn)動慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。因而廣泛應用于機電一體化產(chǎn)品中。課題選用豐源微特電機有限公司生產(chǎn)的20BY20L01型兩相永磁步進電機，其主要性能指標如表31所示。表31 20BY20L01的性能指標Table 31 Performance index of 20BY20L01步距角相數(shù)電壓電流電阻最大靜轉(zhuǎn)矩定位轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量25V1075gcm30gcm 對于20BY20L01型步進電機?？梢圆捎脙上嚯p四拍的驅(qū)動方式，按AB—BA—BA—BA—AB的次序，依次給四個線圈通電，步進電機就能順時針旋轉(zhuǎn)。SAA1042是適宜于兩相步進電動機雙極性驅(qū)動的單片集成電路。其內(nèi)部結構如圖33所示。從圖中可以看到，它包含三個信號輸入極、一個邏輯控制單元和兩個驅(qū)動輸出極。SAA1042的各引腳功能如下：三個輸入端接收微處理器來的控制指令，內(nèi)部均設有滯環(huán)緩沖電路，以消除噪聲影響。7腳輸入時鐘脈沖，上跳沿起作用。10腳是Cw/Ccw控制步進電動機轉(zhuǎn)向的輸入端，輸入邏輯電平0或1，分別對應于步進電動機順時針(Cw)或逆時針(Ccw)方向。8腳是整步／半步方式控制端。輸入低電平時為整步方式，輸入高電平時為半步方式。驅(qū)動輸出端1和114分別接步進電動機的兩相繞組LL2和LL4。四端內(nèi)部均接有二極管，它們共同接至引腳2，一般從2腳到15腳之間串入穩(wěn)壓二級管，使繞組產(chǎn)生的過高正向尖脈沖得到鉗位，以保護驅(qū)動級中的晶體管。 6腳輸入端需外接電阻RB，其作用有兩個：一、當RB接地時，給驅(qū)動級設置一定的步進電動機電流。二、在RB上加上一定電壓信號作為本集成電路的狀態(tài)設置(Set信號)。當此Set信號為高電平時，四個輸出端被關閉呈高阻態(tài)，而Set的信號回到低電平，直到一個時鐘脈沖上跳沿到來，LLLL4被置為1010狀態(tài)。中間的113腳為接地端。NE555是一種用于產(chǎn)生矩形波振蕩信號的高穩(wěn)定裝置，是一種應用靈活方便的集成組件，在各類檢測電路中得到廣泛應用。NE555工作于多諧振蕩狀態(tài)的外部接線圖如圖34所示。當工作于振蕩狀態(tài)時，其輸出信號的頻率和占空比由兩只外接電阻RR2和一只外接電容C2來決定。工作時，外接電容C2通過電阻R1+R2充電，通過R2放電。因此，輸出信號的頻率可以通過二者的適當比值來精確調(diào)節(jié)。在這種工作方式中，電容的充電值和放電值分別在(1/3) Vcc和(2/3) Vcc之間。電容的充電時間和放電時間及輸出信號的周期與電源電壓無關。充電時間（輸出高電平）為 （31）放電時間（輸出低電平）為 （32）振蕩信號的周期為 (33)占空比為 (34)本課題需要一個100 Hz，占空比為50%的方波信號。那么可選擇定時電容C=，將T39。=(33)中，可得R1= R2≈750k。綜上所述，實際的步進電機驅(qū)動電路如圖35所示。 圖 35 步進電機驅(qū)動電路 Fig. 35 Driving circuit of electromator熱釋電探測器接收到經(jīng)過斬波器調(diào)的紅外輻射能量后，轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兊拿}沖電信號。這種電信號是十分微弱的，通常只有幾毫伏。對這種能量過于微弱的電信號，既無法直接顯示，一般也很難做進一步的分析處理。若要將信號進行數(shù)字化的處理，則須把信號放大到數(shù)伏量級才能被一般的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所接受。另外，由于信號中不可避免的包含有各種噪聲，所以必須要對探測器檢測到的信號進行濾波，以使有用頻率信號通過而同時抑制（或大為衰減）無用頻率信號。以往這種濾波器主要采用無源元件R、L和C組成，六十年代以來，集成運算放大電路獲得了迅速發(fā)展，由它和R、C組成的有源濾波器，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。此外，由于集成運算放大電路的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，構成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。 555定時器產(chǎn)生頻率為100Hz的時鐘信號，而時鐘信號的每一個上跳沿都會驅(qū)動步進電機順時針旋轉(zhuǎn)。每20個時鐘脈沖就會使步進電機旋轉(zhuǎn)一周。根據(jù)斬波器的形狀特點，步進電機每旋轉(zhuǎn)一周，都會使熱釋電探測器接收到的紅外信號變化四次。因此可以計算出來紅外測溫儀的工作頻率為20 Hz。其共模輸入阻抗可達200 M，輸出阻抗僅為60?？蓮V泛應用于精密儀用放大器、傳感放大器、橋式放大器、熱偶放大器、精密測試系統(tǒng)、醫(yī)療器械設備、自動控制系統(tǒng)、波形發(fā)生與變換電路等領域。OP07的具體參數(shù)如表32所示 表 32 OP07的功能參數(shù) Table 32 Function parameter of OP07參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電流轉(zhuǎn)換速率輸入偏置電流2nA最大輸出電壓177。13V電源電壓范圍177。22V開環(huán)增益104dB共模抑制比110dB電源電壓抑制比104dB靜態(tài)功耗4mW輸入電阻失調(diào)電壓溫度系數(shù)開環(huán)帶寬噪聲電壓最大差模輸入電壓177。30V 根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率，設計一個帶通濾波器，使其中心頻率為20 Hz，帶寬約為20 Hz左右。則濾波電路和放大電路的連接如圖36所示由下列公式可計算出濾波器的中心頻率和帶寬式中B為濾波器的帶寬，f0為濾波器的中心頻率，G39。為濾波器的增益。對該電路進行Pspice仿真，其仿真結果如37圖所示。從圖37中可以看出：該電路的中心頻率約在18 Hz處，帶寬約為22 Hz左右。 課題中采用的放大電路如圖38所示課題中采用兩級耦合放大電路，級間采用阻容耦合方式，以消除直流信號的影響。同時，為了通過20 Hz的低頻信號，在電路中分別采用了47μF和20μF的鉭電解電容。在放大電路中，對幅值為2 mV，頻率為50 Hz的方波信號進行仿真。電路的仿真結果如圖39所示。兩級電路的放大倍數(shù)約為1 000倍左右。 熱釋電探測器輸出的電信號是正負交變的近似方波的脈沖信號。此信號經(jīng)過放大和濾波，變成了近似于正弦波的交流信號。為了便于后續(xù)電路的處理，還需要將此信號進行整形。整形電路采用四個鍺二極管組成的橋式整流電路，經(jīng)過整形后的信號就成為單向的脈動信號。具體電路如圖310所示。 本章詳細闡述了系統(tǒng)信號的調(diào)制方式及其實現(xiàn)。同時介紹了放大電路、濾波電路的設計和仿真結果，以及其硬件電路的實現(xiàn)。第4章數(shù)據(jù)的采集和顯示 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇A/D轉(zhuǎn)換器的種類繁多，特性各異。要選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器，最重要的是明確使用的目的，確定合適的轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換精度。這樣，就能選擇性能合適、性價比較高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所謂A/D的轉(zhuǎn)換速率，是指能夠重復進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。而A/D的轉(zhuǎn)換精度是指在一個轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對應的實際模擬電壓與其理想電壓之差的最大值。在本課題中，系統(tǒng)的工作頻率為20 Hz，而每個周期需要采樣20次，因此每秒需要采樣400次。A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率應大于400 Hz。同時采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器以提高系統(tǒng)的測溫精度。綜合考慮，本課題選用了美國BB公司生產(chǎn)的ADS7824模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 ADS7824功能簡介ADS7824是美國BB公司推出的一種低功耗4通道12位并行/串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片是一種開關電容式逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、時鐘源、+ V參考電壓及與微處理器的并行/串行接口。同時，它還可以在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下對外部4通道模擬輸入信號進行順序轉(zhuǎn)換。與其它ADC相比，ADS7824具有非常低的功耗和豐富的片上資源，且內(nèi)部結構緊湊，集成度高，工作性能好，可在40~80℃范圍內(nèi)正常工作，非常適用于儀器儀表及便攜式探測器使用。 ADS7824的基本特點和主要參數(shù) 內(nèi)部帶有采樣保持器(SHA)，采用12位逐次逼近(SAR)模/數(shù)轉(zhuǎn)換方式。采樣頻率為40k Hz，最大采樣與轉(zhuǎn)換時間為25μs。數(shù)據(jù)可并行或串行輸出，并帶有三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種微處理器相連。積分非線性(INL)最大為177。 LSB，無漏碼的差分非線性(DNL)最大為12位。具有連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、轉(zhuǎn)換無失碼。典型信噪比(SNR)為73 dB。孔徑延遲(aperture delay)時間為40 ns。內(nèi)帶+ V基準電壓，也可選用外部+ V基準電壓。差分電壓輸入范圍為177。10 V，同時帶有四通道多路選擇器。采用單+5 V電源供電。正常工作情況下的功耗為50 mW；關閉模式下的功耗僅為50μW。 圖41所示為ADS7824的內(nèi)部結構框圖它采用的是具有固有采樣/保持功能的電容式DAC(CDAC)轉(zhuǎn)換方式，CDAC是根據(jù)電荷再分配的原理產(chǎn)生模擬輸出電壓的。它包括一列有N個按照二進制加權排列的電容，在采樣階段，陣列電容的公共端(所有電容連接的公共點)接地，所有自由端連接到輸入信號。采樣后，公共端與地斷開，自由端與輸入信號斷開。這樣可在電容陣列上有效的獲得與輸入電壓成正比的電荷量。然后，所有電容的自由端接地以驅(qū)動公共端至一個負壓VIN。作為二進制搜索算法的第一步，MSB電容的自由端與地斷開，并連接到VREF可驅(qū)動公共端電壓向正端移動VREF/2，若此時該電壓小于地電壓，比較器輸出為邏輯1，則預示MSB大于VREF/2，否則，比較器輸出為邏輯0，此時預示著MSB小于VREF/2，接下來，下一個最大的電容與地斷開，并連接到VREF，通過比較器確定下一位的數(shù)值，如此循環(huán)直到判定出全部數(shù)字位。ADS2874有28個引腳，其各引腳定義如下：AGND1(1)，AGND2(8)：模擬地。AIN0～AIN3(2，3，4，5)：模擬信號輸入通道0～3，其差分輸入電壓范圍為177。10 V。CAP(6)：內(nèi)部參考電壓緩沖輸出，可為CDAC在整個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)提供適宜的開關電流。D7～D5(9，10，11)：當PAR/SER端為高時，為8位并行數(shù)據(jù)高三位輸出，為低時呈高阻態(tài)。REF(7)：參考電壓輸入/輸出端。D4(12)：當PAR/SER端為高時，該端輸出8位并行數(shù)據(jù)bit 4，PAR/SER端為低時，該腳為串行時鐘選擇端。具體選擇方式是：當該端輸入高電平時，串行轉(zhuǎn)換采用外部串行時鐘；為低電平時，串行轉(zhuǎn)換采用內(nèi)部時鐘。D3(13)：當PAR/SER端為高時，該端輸出8位并行數(shù)據(jù)bit3，PAR/SER為低時，該端輸出為同步信號SYN，當系統(tǒng)使用多個ADS7824時，使用該引腳可實現(xiàn)各個芯片數(shù)據(jù)輸出的同步。DGND(14)：數(shù)字地。D2(15)：當PAR/SER端為高時，該端輸出8位并行數(shù)據(jù)bit2，PAR/SER為低時，為串行時鐘信號輸出。D1(16)：當PAR/SER端為高時，該端輸出為8位并行數(shù)據(jù)bit1，PAR/SER為低時，該端為串行數(shù)據(jù)輸出。D0(17)：當PAR/SER為高時，該端輸出為8位并行數(shù)據(jù)bit0，PAR/SER為低時，該端為串行輸出標記端。A1，A2(18，19)：輸入信號通道選擇端。PAR/SER(20)：并行/串行輸出選擇端。BYTE(21)：字節(jié)選擇控制端。在讀取期間，若BYTE為0，則高8位有效；若為1，則低4位有效。R/C（非）(22)：讀取/轉(zhuǎn)換控制端。CS(23)（非）：片選端。BUSY(24)（非）：輸出狀態(tài)端。轉(zhuǎn)換開始時，BUSY為低電平；轉(zhuǎn)換完成后，該端輸出為高電平。CONTC(25)：連續(xù)轉(zhuǎn)換模式控制端，CONTC為5 V時，ADS7824工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，此時芯片可對4個輸入通道信號進行連續(xù)采集和轉(zhuǎn)換。PWRD(26)：電源關閉模式端，高電平有效。關閉模式時，系統(tǒng)將切斷芯片內(nèi)部模擬和數(shù)字電路的電源，以使芯片處于低功耗狀態(tài)。Vs1，Vs2(27，28)：+5 V電源輸入端。ADS7824內(nèi)含三態(tài)輸出緩沖電路和串行/并行輸出方式，且與CPU的接口非常靈活。圖42為ADS7824在并行方式下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時序圖[56]。其與AT89C51單片機的并行接口電路如圖43所示。圖中，（非）狀態(tài)，BUSY（非）為1時，表示ADS782完成了一次轉(zhuǎn)換。單片機通常通過兩次讀取操作將數(shù)據(jù)讀入，當R/C（非）=1，CS（非）=0，BYTE=0時，讀取高8位；當R/C（非）=1，CS（非）=0，BYTE=1時，讀取低4位。數(shù)據(jù)讀取完成后，單片機將R/C（非）和CS（非）端置低40 ns~12μs以啟動下一次轉(zhuǎn)換，此時BUSY輸出為低電平。圖43中，ADS7824的CS端與8051的鎖存地址A2相連，BYTE與8051的鎖存地址A4相連，R/C與8051的鎖存地址A3相連，因此，啟動ADS7824的端口地址為xxxx00xB。同時由于74LS373的片選端CE（非）。ADS7824的A1端和A2端始終為零，因而選擇ADS7824的通道0為模擬信號的輸入端。 DS18B20功能簡介DS18B20是美國DALLAS公司推出的單線數(shù)字化測溫IC芯片。它具有獨特的單線接口方式，即與單片機接口僅需占用1根I/O口線；支持多節(jié)點，使分布式溫度傳感器設計大為簡化；測溫時無需任何外部元件，可以通過數(shù)據(jù)線直接供電，具有超低功耗工作方式；測溫范圍55℃~+125℃，℃，可直接將溫度轉(zhuǎn)換值以9~12位數(shù)字碼的方式串行輸出。其典型封裝有3腳TO92，8腳SOIC和6腳TSOC等形式。DS18B20由三部分組成：64位光刻ROM；溫度傳感器；永久型溫度報警觸發(fā)器TH和TL。其結構如圖44所示。 1wire單總線原理 1wire單總線概述 1wire單總線是Maxim全資子公司Dallas的一項專有技術。與目前多數(shù)標準串行數(shù)據(jù)通信方式，如SPI/I2（平方）C/MICROWIRE不同，它采用單根信號線既傳輸時鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。它具有節(jié)省I/O口線資源、結構簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護等諸多優(yōu)點。1wire單總線適用于單個主機系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機設備。當只有一個從機位于總線上時，系統(tǒng)可按照單節(jié)點系統(tǒng)操作；而當多個從機位于總線上時，則系統(tǒng)按照多節(jié)點系統(tǒng)操作。單總線只有一根數(shù)據(jù)線。設備(主機或從機)通過一個漏極開路或三態(tài)端口，連接至該數(shù)據(jù)線，這樣允許設備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時釋放數(shù)據(jù)總線，以便總線被其它設備所使用。單總線端口為漏極開路。其內(nèi)部等效電路如下圖所示。 單總線要求外接一個約5 k的上拉電阻，這樣，單總線的閑置狀態(tài)為高電平。不管什么原因，如果傳輸過程需要暫時掛起，且要求傳輸過程還能夠繼續(xù)的話，則總線必須處于空閑狀態(tài)。位傳輸之間的恢復時間沒有限制，只要總線在恢復期間處于空閑狀態(tài)(高電平)。如果總線保持低電平超過480μs，總線上的所有器件將復位。另外在寄生方式供電時，為了保證單總線器件在某些工作狀態(tài)下(如溫度轉(zhuǎn)換期間、EEPROM寫入等)具有足夠的電源電流，必須在總線上提供強上拉(如圖45所示的MOSFET)。 1wire單總線命令序列典型的單總線命令序列如下：第一步：初始化；第二步：ROM命令(跟隨需要交換的數(shù)據(jù))；第三步：功能命令(跟隨需要交換的命令)。每次訪問單總線器件，必須嚴格遵守這個命令序列，如果出現(xiàn)序列混亂，則單總線器件不會響應主機。但是這個準則對于搜索ROM命令和報警搜索命令例外，在執(zhí)行兩者中任何一條命令之后，主機不能執(zhí)行其后的功能命令，必須返回至第一步?；趩慰偩€上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，初始化過程由主機發(fā)出的復位脈沖和從機響應的應答脈沖組成。應答脈沖使主機知道總線上有從機設備且準備就緒。在主機檢測到應答脈沖后，就可以發(fā)出ROM命令。這些命令與各個從機設備的唯一64位ROM代碼相關，允許主機在單總線上連接多個從機設備時，指定操作某個從機設備。這些命令還允許主機能夠檢測到總線上有多少個從機設備以及其設備類型，或者有沒有設備處于報警狀態(tài)。從機設備可能支持5種ROM命令(實際情況與具體型號有關)，每種命令長度為8位。主機在發(fā)出功能命令之前，必須送出合適的ROM命令。在主機發(fā)出ROM命令,以訪問某個指定的DS18B20后，接著就可以發(fā)出DS18B20支持的某個功能命令。這些命令允許主機寫入或讀出DS18B20暫存器、啟動溫度轉(zhuǎn)換