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基于單片機寬范圍高精度光纖傳感測溫儀研制

作者： 時間：2013-10-16 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏

光纖傳感測溫儀是一種非接觸式測溫方法與光纖傳感技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)高精度、高重復(fù)性、快速響應(yīng)、非接觸式測量和高性價比的新型光纖傳感類測溫系統(tǒng)。該類測溫儀利用光纖的空間濾波效應(yīng)，使入射光波從空間瞬態(tài)變?yōu)榭臻g穩(wěn)態(tài)，消除雜散光的影響，提高測量的精度和穩(wěn)定性；將光纖探頭和電子處理單元隔離，使信號處理單元不受環(huán)境高溫影響，提高抗電磁干擾能力；響應(yīng)速度快；根據(jù)熱源溫度，選擇最佳工作波段。

有時需要對范圍很寬的溫度信號進(jìn)行測量，但是實現(xiàn)寬溫度范圍的測量，采用一個探測器的光纖傳感測溫儀很難達(dá)到要求。為了解決單一探測器光纖傳感測溫儀范圍窄的不足，設(shè)計了利用雙光路系統(tǒng)，采用兩個不同波長范圍探測器的光纖傳感測溫儀，實現(xiàn)測量溫度范圍的擴展，將測溫范圍的下限和上限延伸。實現(xiàn)大動態(tài)范圍要求的光纖傳感測溫的關(guān)鍵技術(shù)之一是適應(yīng)大動態(tài)范圍要求的高信噪比電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計。電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)采用高阻抗低噪聲前放。500℃~1800℃溫度范圍的光功率動態(tài)范圍高達(dá)105W量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出放大器的動態(tài)范圍，采用電子開關(guān)動態(tài)范圍擴展技術(shù)將測溫范圍分成若干溫度段，問題就能解決同時采用數(shù)據(jù)擬合等技術(shù)來實現(xiàn)高精度的測量。

1 儀器基本原理框圖及功能框圖

整個儀器主要分為以下幾個部分信號拾取單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、鍵盤與顯示單元、8051單片機系統(tǒng)單元、RS-232通訊單元以及數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。整個原理框圖如圖1所示。

儀器的工作過程為：用光纖將物體的輻射傳導(dǎo)至探測器，探測器輸出電信號完成光電轉(zhuǎn)換；利用信號拾取單元將電信號調(diào)理，然后將電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號用8051單片機處理；在單片機中用軟件完成被測物體溫度的非線性校正、溫度補償?shù)裙δ?。?jīng)過單片機處理后利用D/A轉(zhuǎn)換將溫度信號轉(zhuǎn)換成0~5V的電壓信號輸出。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)按照模塊化的設(shè)計方法設(shè)計，使系統(tǒng)的整結(jié)構(gòu)更加完善，系統(tǒng)性能得以提高，方便調(diào)試、維修。

2.1信號拾取單元
由于測量的溫度范圍廣，只使用一個光電探測器不能適應(yīng)整個范圍內(nèi)的信號檢測。所以將溫度范圍一分為二，用兩個探測器兩條光路來實現(xiàn)信號的檢測。兩個通道的電路大體相似，但由于信號的強弱不同，在系統(tǒng)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公司的超低偏置電流運算放大器，低漂移、低噪聲、高開環(huán)增益，適合于將光電轉(zhuǎn)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。在溫度較低時信號很弱，采用OPA129；而溫度較高時則使用OP27運放。兩路分別都有調(diào)零和調(diào)增益功能，兩路信號輸入到一個數(shù)字開關(guān)MAX4622。MAX4622是一個單刀雙擲數(shù)字開關(guān)，它的導(dǎo)通電阻最大為5Ω。MAX4622的通道選通信號由程序根據(jù)當(dāng)前溫度的高低來控制。如圖2所示。
2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元
為了達(dá)到大范圍、高精度地測量，不僅要精心設(shè)計信號拾取單元，而且在A/D轉(zhuǎn)換部分也采用了可編程增益放大器PGA103和12位的A/D轉(zhuǎn)換器MAX191來實現(xiàn)信號的數(shù)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，通過兩個CMOS/TTL兼容的輸入端來選擇，PGA103工作電壓從±4.5V~±18V。系統(tǒng)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，P1口輸出全為1，PGA103的增益為100可能會輸出大于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入界限，在PGA103的輸入端加一保護(hù)二極管，以防止過沖電壓損害PGA103。MAX191是MAXIM公司的一種12位、非線性誤差為1/2LSB的CMOS模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的輸入可為單極性或雙極性，內(nèi)建采樣保持器，可調(diào)內(nèi)部參考電壓，采樣速率為100kSPS，數(shù)據(jù)可以串行輸出也可以8位并行輸出，內(nèi)部或外部采樣時鐘。它有三種工作模式：Slow-Memory模式、ROM模式、Serial-Interface模式。在本系統(tǒng)中選用ROM模式，即A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)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(zhuǎn)換結(jié)果；模擬信號單極性輸入，幅值為0~5V，采用內(nèi)部的振蕩時鐘，通過外接一個120pF的電容，正常情況下可產(chǎn)生1MHz的時鐘。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過8051查詢MAX191的轉(zhuǎn)換狀態(tài)端來判斷轉(zhuǎn)換的結(jié)束與否，然后再通過兩條讀指令來讀取12位的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，最后將兩次讀的8位數(shù)據(jù)拼接為12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.3 鍵盤和顯示單元
本系統(tǒng)采用8255A的A口和C口擴展出一個4×4的鍵盤，包括10個數(shù)字鍵和6個功能鍵。在本系統(tǒng)中采用程序掃描法來識別按鍵。單片機先使8255A的PC口均為低電平，再讀A口。如果A口不全為高電平，則延時10ms去抖動；然后再讀A口，此時A口仍不全為高電平，說明確有鍵按下。進(jìn)一步確定按下鍵的位置，先置PC0=0，PC1=PC2=PC3=1，讀A口，由A口低電平的位便可確定按下鍵的位置。依次類推，如果檢查完所有的鍵均無按下，說明是干擾或誤操作；掃描結(jié)束時，按下鍵的位置信息存于某個存儲單元中。

顯示采用以內(nèi)藏HD61830控制器的液晶模塊8032B點陣型LCD。HD61830是點陣式液晶圖象顯示控制器，可與MPU直接接口，具有專用指令集，可完成文本顯示或圖形顯示的功能設(shè)置，以及畫面卷動、光標(biāo)、閃爍、位操作等功能。

2.4 8051單片機單元
由于整個系統(tǒng)的程序較大，所以需要一個外部程序存儲器，在系統(tǒng)中選用了32KB的EEPROM。在系統(tǒng)中實現(xiàn)多點溫度補償要存儲一些溫度點的修正值以提高系統(tǒng)的測量精度，所以將EEPROM既作程序存儲器又作數(shù)據(jù)存儲器。整個系統(tǒng)的地址分配為：0000~7FFF為存儲器地址，D000~D003和E000~E003分別為兩個8255A的四個端口地址，BFFC~BFFF為A/D轉(zhuǎn)換器的地址，F(xiàn)FF4~FFF5為D/A轉(zhuǎn)換器的地址。在地址譯碼中沒有采用GAL而是通過分離元件實現(xiàn)。地址譯碼通過兩片74LS138、一片74LS04、一片74LS08來實現(xiàn)。

2.5 RS-232通訊單元
為了方便數(shù)據(jù)的處理，將測量所得的數(shù)據(jù)送入計算機，本系統(tǒng)采用RS-232通訊方式，通訊速率為9600波特率。接口所用芯片為MAX232，接收端采用VC++編制的接收程序，顯示并存儲接收到的數(shù)據(jù)。進(jìn)而分析、處理得到擬和曲線。在單片機中將利用此擬和曲線實時計算當(dāng)前被測物的溫度值。

2.6 數(shù)模轉(zhuǎn)換單元
系統(tǒng)中預(yù)留一路模擬信號輸出，在測量、顯示的同時可將當(dāng)前的溫度值通過D/A轉(zhuǎn)換輸出進(jìn)而實現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)采用的D/A轉(zhuǎn)換器為MAX508，它是一種完備的12位、片內(nèi)參考電壓、電壓輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出電壓和參考電壓同極性，允許單電源工作，雙緩沖邏輯輸入接口使之與微處理器連接非常容易。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計完全按照結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法來完成 ，將整個程序細(xì)分為若干個子程序(模)，方便調(diào)試與檢查。開發(fā)系統(tǒng)采用Franklin C51編譯器和偉福仿真器，利用C51語言使得整個軟件開發(fā)變得簡單、快速、易于調(diào)試。整個軟件流程見圖3。下面就幾個主要的子程序作一簡單的介紹。

3.1 初始化子程序
在初始化程序中，主要對8051的系統(tǒng)資源，包括定時器、中斷、串行通訊、LCD顯示、8255A等進(jìn)行初始化工作。

3.2 LCD顯示子程序和鍵盤輸入子程序
在顯示程序中，完成顯示功能菜單的任務(wù)。菜單顯示的字符利用LCD顯示控制器HD61830的字符集中的資源，菜單為滾動式，通過功能鍵可使光標(biāo)從上往下移動，當(dāng)移至最下一行時，屏幕開始滾動顯示。利用軟件程序掃描8255A的PA和PC口得到按鍵的鍵值，函數(shù)返回鍵碼。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序和D/A轉(zhuǎn)換子程序
A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀入采用查詢方式。通過查詢MAX191的BUSY端的信號來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果需要兩次讀取，然后拼接成12位的結(jié)果。如果為了使外部干擾的影響減小可采用軟件濾波。對于溫度信號一般來說是緩變的，可采用一階滯后濾波或中值平均濾波等。D/A轉(zhuǎn)換是直接將12位的數(shù)據(jù)送入MAX508的緩沖器即可實現(xiàn)數(shù)摸的轉(zhuǎn)換。

3.4 RS-232通訊子程序
通訊中將12位的數(shù)據(jù)分成兩次傳送，在計算機中采用VC++6.0中的一個通訊控件MS Communications Contro16.0來實現(xiàn)串口的通訊程序。在接收到測量數(shù)據(jù)后，可進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理與分析得到光纖傳感測溫儀的特性曲線將此曲線生成電壓－溫度表存入單片機程序中來計算出溫度。

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