毕业论文（设计）：Pt100热电阻线性测温装置的研制.doc

目录目录 摘要.3 ABSTRACT4 1 概述.5 1.1 单片机的发展及在温度测量中的应用5 1.2 温度传感器的发展和应用.5 1.2.1 温度传感器的分类6 1.2.2 温度传感器的发展6 1.3 铂电阻在温度测量中的应用及存在问题.7 1.3.1 铂电阻的非线性分析8 1.3.3 铂电阻的三线制接法8 1.3.2 铂电阻非线性校正方法9 2 系统硬件设计11 2.1 硬件电路构成.11 2.2 微型计算机的选择.11 2.3 热电阻的选择.12 2.4 热电阻测量及数据处理.12 2.4.1 电阻测量原理及电路图12 2.4.2 AD580.14 2.5 放大单元.16 2.5.1 OP0716 2.5.2 ICL7650.16 2.5.3 放大部分电路图.17 2.6 A/D 转换部分17 2.6.1 AD574.17 2.6.2 AD574 与 89C51 的接口电路19 2.7 串口输出单元19 2.7.1 MAX22019 2.7.2 串行输出电路20 2.8 LED 选择及显示电路.21 2.8.1 LED 数码管21 2.8.2 显示接口电路22 2.9 电源设计22 3 系统软件设计23 3.1 主程序流程图24 3.2 A/D 转换子程序25 3.3 串行输出子程序.25 3.4 显示子程序.25 总结.27 致谢.28 参考文献.29 附录.30 附录 1 电路整体原理图.30 附录 2. 程序31 Pt100 热电阻线性测温装置的研制 摘要摘要 热电阻具有测温范围大、稳定性好和耐氧化等特点，在低温测量中占有重要的地位。 本文介绍了一种利用89C51单片机并采用热电阻的线性温度测量装置。该装置由AD580、 标准电阻、放大器、AD转换器、数据采集与处理系统、数码显示、串行输出端口等组成。 利用恒流源和12位A/D转换器设计温度测量电路，完全消除了传统的不平衡电桥的非线性 误差，减小热电阻的接触电阻和引线电阻对测量误差的影响。在程序存储器EPROM中存 放电阻-温度分度表，采用信号比较的方式求出高精度的热电阻值，再根据热电阻值的大 小查线性表求取对应的温度值，实现了真正意义上的线性化，大大减小了放大器温漂和 非线性的影响，并且实现了热电阻全温度范围的温度测量。该方法具有简单、实用、测 量精度高、抗干扰能力强等特点1。 关键词: 热电阻；温度测量；单片机；数码显示；串行输出；非线性；查表 ABSTRACT Thermal resistor is characterized by having large range of temperature measurement, stability and anti-oxidation etc .It is important position in low temperature measurement. The paper introduces a linear temperature-measuring device based on platinum thermal resistor, using 89C51 single-chip microcomputer. The device consists of AD580, resistor, amplifier, AD converter, data sampling and processing system, digital play, serial output port and so on. 2In order to eliminate non-linearity error of tradition imbalance electric bridge, contact resistance and down-lead resistance, the temperature measurement circuit is designed with constant current source and 12 bits A/D convertor. The resistance- temperature table is put into EPROM. The method of single comparing is used to find thermal resistance value with high accuracy; then the value is mapped to the corresponding temperature by looking into reference table. Therefore, linear is implemented, which greatly reduces the impact of temperature-drift and non-linearity in amplifier. In addition, the device implements the measuring of full temperature range of the reference table. This method has many characteristics such as simplicity, practicality, high precision, strong anti-interference etc. Keywords: thermal resistor, temperature measurement,single-chip microcomputer,digital display,serial output,non-linear process, look-up reference table 1 1 概述概述 温度测量已是很成熟的技术，温度敏感元件既有传统的热电阻、热电偶、热敏电阻 等温度传感器，又有现代的集成温度传感器、数字温度传感器，还有超高温的光学温度 传感器，其中热电阻测温方法以其测量范围大、性能稳定、高精度、高灵敏度、安装使 用方便等特点在中、低温测量中占有重要的地位。但热电阻输出与温度之间的非线性特 性给精确测量带来诸多不便。热电阻测温时信号处理常用的方法是采用桥式测量线路、 热电阻线性化处理等，其缺点是存在引线电阻。引线电阻随温度变化会产生附加误差,线 性化处理比较繁琐且只能减少误差，而正反馈法非线性也依然比较严重。 本文论述了一种基于Pt100的线性测温装置，该装置在单片机的控制下，先精确测出 热电阻值Rt，在由Rt的值查热电阻分度表得出温度值，然后由串行端口输出，实现了真正 意义上的线性化，且实现了热电阻全温度范围的测量，并获得了较高的测量精度。 1.1 单片机的发展及在温度测量中的应用 单片机的应用几乎渗透到人类生活的每一个角落，对人类生活在不知不觉中产生巨 大的影响。计算机控制已经越来越多的参与到自动控制领域，使各种控制仪表逐渐向智 能化、集成化发展，出现了大批智能控制仪表，不但使过去以分立元件为主的自动控制 仪表被以智能元件为主的智能仪表所代替，而且性能上也有了大幅度的提高，可以实现 直接的数字化输出，与现场总线直接相连，实现真正的智能化、数字化、单元化，配合 工业 PC 以及 DCS 系统，在工业控制领域发挥了极其重要的作用。单片机技术在各个领 域正得到越来越广泛的应用，MCS-51 系列单片机以其优越的性能，成熟的技术及高可靠 性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片 机应用领域中的主流。 温度是工业控制中主要的被测对象之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、 石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低、精度 不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、 控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而， 对温度的控制方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展和广泛的应用。利 用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示其 优越性3。 1.2 温度传感器的发展和应用 温度参数是目前工业生产中最常用的生产过程参数之一，因此研究温度的测量方法 和装置具有重要的意义。实用的温度传感器种类很多，但在工业部门多采用辐射温度计 及热电偶。国外以辐射测温为主(占2/3)，国内则多采用热电偶和热电阻(占98%)。国外辐 射温度计的蓬勃发展对国内影响很大，近几年国内辐射温度计明显呈上升趋势。 1.2.1 温度传感器的分类 温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感 器，一类是非接触式温度传感器。 接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理 达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测量物 体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象， 这种方法将会产生很大的误差。 非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测温 方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温 度场的温度分布，但受环境的影响比较大。 1.2.2 温度传感器的发展 温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。目前，国际上新型温度传 感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。 温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段： a.传统的分立式温度传感器热电偶传感器 热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触， 不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测量,特 殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到-269，钨铼最高可达2800。 b.模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感 器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、 可完成温度测量及模拟信号输出等功能。 模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度） 、测温误差小、价格低、 响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校 准，外围电路简单。 目前，光纤测温技术主要有全辐射测温法、单辐射测温法、双波长测温法及多波长 测温等 。光纤技术的发展，为非接触式测温在生产中的应用提供了非常有利的条件。光 纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题。而在高温领域，光纤 测温技术越来越显示出强大的生命力。全辐射测温法是测量全波段的辐射能量而得到温 度，周围背景的辐射、介质吸收率的变化和辐射率T的预测都会给测量带来困难,因此难 于实现较高的精度。单辐射测温法所选波段越窄越好，可是带宽过窄会使探测器接收的 能量变得太小，从而影响其测量准确度。多波长辐射测温法是一种很精确的方法，但工 艺比较复杂，且造价高，推广应用有一定困难。双波长测温法采用波长窄带比较技术， 克服了上述方法的诸多不足，在非常恶劣的条件下，如有烟雾、灰尘、蒸汽和颗粒的环 境中,目标表面发射率变化的条件下，仍可获得较高的精度 半导体吸收式光纤温度传感器是一种传光型光纤温度传感器。所谓传光型光纤温度 传感器是指在光纤传感系统中，光纤仅作为光波的传输通路，而利用其它如光学式或机 械式的敏感元件来感受被测温度的变化。这种类型主要使用数值孔径和芯径大的阶跃型 多模光纤。由于它利用光纤来传输信号，因此它也具有光纤传感器的电绝缘、抗电磁干 扰和安全防爆等优点，适用于传统传感器所不能胜任的测量场所。在这类传感器中，半 导体吸收式光纤温度传感器是研究得比较深入的一种。 半导体吸收式光纤温度传感器由一个半导体吸收器、光纤、光发射器和包括光探测 器的信号处理系统等组成。它体积小，灵敏度高，工作可靠，容易制作，而且没有杂散 光损耗。因此应用于象高压电力装置中的温度测量等一些特别场合中，是十分有价值的。 c.智能温度传感器 智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子 技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温 度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存 储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU） 、随机存 取存储器（RAM）和只读存储器（ROM） 。 智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU） ， 并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。 1).数字温度传感器。 随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更 因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理 器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测 温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中，比较有代表性的数字温度传感器有 DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。 2).智能温度传感器发展的新趋势 (1)提高测温精度和分辨力 智能温度传感器，采用的是 8 位 A/D 转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到 1。目前国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是 912 位 A/D 转换器，分辨力一般可达 0.50.0625。 (2)增加测试功能 温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629 型单线智能温度传感器增加了 实时日历时钟（RTC）,使其功能更加完善。DS1624 还增加了存储功能，利用芯片内部 256 字节的 E*EPROM 存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从单通道 想多通道的方向发展，这为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。 1.3 铂电阻在温度测量中的应用及存在问题4，5 热电阻传感器主要用于中低温度(-200+650或850)范围的温度测量。常用的 工业标准化热电阻有铂热电阻和铜热电阻。铂电阻具有适用范围广、测量范围大、稳定 性高、重复性好、价格低廉、使用方便等优点，成为目前工业和实验室中温度测量应用 最广泛普遍的传感元件之一。按准确度等级，铂电阻温度计可分为标准铂电阻温度计和 工业铂电阻温度计。标准铂电阻温度计被ITS - 90 国际温标采用,作为1318033 K961178 温域内的内插标准仪器 。工业铂电阻温度计的使用温度范围是- 200+ 850 。在各 种智能仪表中，对于铂电阻测温，典型的用法是用不平衡电桥将铂电阻随温度变化的电 信号输出,再经放大和A/D转换后送单片机进行运算。其原理是应用铂电阻随温度变化阻 值发生变化的测温原理，将待测温度量的变化转化为电阻的变化，再进一步通过电桥电 路转换为电量的变化。但是其阻值与温度之间的关系为非线性特性，因而为了保证一定 的测量准确度，在实际使用中应进行线性化处理。另外，传感器到测量仪表之间的引线 电阻处理不当将带来测量误差。当被测温度点可能远离测量仪器所处的控制室，从现场 到控制室引线所经受的环境温度影响难以估计，因此应采取一定的技术措施消除引线电 阻对测量的影响。 1.3.1 铂电阻的非线性分析6，7 按照国际电工委员会的铂热电阻技术标准，铂电阻 Pt100 在 0650 范围内的符合 ITS - 90 的国际分度表函数 R ( t) 可用下式表示： Rt = R0 (1 + A t + Bt2) （1- 1） 其中 Rt , R0 分别是 t 和 0 时的铂电阻阻值, A = 3. 90802 10-3 1 , B = -5. 80195 10- 72 。 该分度函数的特点是温度覆盖范围广、精度高,但随着温度的升高,铂电阻的非线性越 来越严重. 可见,在 0 650 测温范围内存在非线性项 Bt2 ,且为负值,因而电阻的变化 率随着温度的升高而下降。 电阻随温度变化的斜率为： d Rt/d t= R0 ( A + 2 Bt) （1- 2） 斜率的变化为： d2 Rt/d t2 = 2 R0 B = - 2 100 5. 80195 10-7- 1. 2 10-4 (/ 2) （1- 3） 可同 Pt100 温度斜率的变化率随温度的升高以- 1. 2 10 - 4/ 2 的速率下降,是单调上凸 特性,如图所示。 图 1-2 铂电阻的非线性特性曲线 上图中曲线为 Pt100 特性曲线,曲线为线性化的理想直线。设被测温度范围为： 0800，则曲线 2 是以曲线 1 的 0与 800作为起点与终点所连的直线段, 即线性 化的理想电阻温度特性。如不进行非线性校正, 非线性误差在曲线 1 与 2 相交中点处 （400）以最大值出现，即 max=R0(1+400A+4002B)-(400/800)(R800- R0) + R0 （1- 4） 0250 500 emax R500 R0 Rt(O) t(0C) 在曲线 1 和曲线 2 相交两点的中间处, 即 t=400时铂电阻的非线性误差最大,代入上式 可得：max =5.815 , 5.815 的变化量相当于 Pt100 铂电阻在 16左右的变化量, 即在 0800的测温范围内, 最大非线性误差可达 2%左右, 相当可观。因此, 在测温仪表中 必须对非线性化问题进行线性化处理。 1.3.3 铂电阻的三线制接法 四线制铂电阻测温当然是消除引线影响的最佳方案,但对多路测温而言成本太高,工 业上一般采用折衷的三线制铂电阻测温方案8。 三线制接法补偿即将连接热电阻的两根导线分别置于两个桥臂中，当环境温度变化而使 导线电阻值改变时它的影响得到抑制。由于每一路可减 少一根导线，且对电路参数的调试要求不高，补偿了环 境温度对测量的影响，而测量电路所用的均为普通器件。 由电路知： （1-5） 1 0 2 )( 2rRR RRV V Bt Bti 图1-3 铂电阻的三线制接法 式中： Rt为温度t时铂电阻阻值； RB为初始温度t0时铂电阻阻值, RB=Rt0,rt为铂电阻引线电 阻。 当rt因环境影响变为rt1时有： （1-6 0 t1 () 22 itB tB VRR V RRr ） （1- 000t1t 00t 2() 2 tB VVVrr VVRRr 7） 以长100m、截面为1mm2铜导线为例，其电阻为。若引线所处环)(72 . 1 100 20 r 境温度在20基础上变化20（平均值）则有： 1ttt rrrtr = （1-0.004 20 1.720.1376( ) 8） R RB R Rtrt rt V0 Vi rt 式中：为铜电阻品均温度系数。 显然不论用硬件还是软件线性化处理, 铂电阻引线与环境温度变化带来的影响使不 平衡电桥电路无法满足高精度测温要求。因此，本设计提出了相似的恒流源电阻/电压转 换三线制铂电阻测量电路。这在后面作详细叙述。 1.3.2 铂电阻非线性校正方法 硬件校正法就是构造一网络使输出信号是温 度的线性函数。如果将输出电压一部分反馈回来, 使供电电流增加, 就能有效地提高输出电压, 使之 对温度变化呈线性关系, 显然对于铂电阻, 必须是 正反馈, 即正反馈法校正铂电阻非线性9，10。 图 1-4 有源线性电桥 具体形式一般是对不平衡单臂电桥的桥臂引入正反馈,如图 1-4 为一有源单臂电桥。 正反馈的引入有两种方式, 第一种方式是将与输出成反比的信号引入到桥臂a 点, 而形成正反馈, 如图1-5(a)所示电路。 第二种方式是将与输出成正比的信号引入到桥臂b 点而形成正反馈, 如图1-5(b)所示。 必须指出, 对图a与图b电路各参数值设计要求很严格, 反馈量的轻微变化对其输出的 影响就会很大, 且很易发生自激而影响正常测量。 (a)(b) 图1-5 加入正反馈的电路 在使用微机场合, 用软件方法对铂电阻进行非线性校正不但节省大量的硬件开支, 使侧量电路简单, 而且精度也可提高。 线性插值法就是把非线性函数红幻的曲线分成若干段, 然后把相邻两段用直线连结 起来, 用此直线代替相应曲线。线性插值法按插值基点选取方法不同分为两种等距离分 段法和非等距离分段法。 _ + Pt100 R1 R2 R3 Rt U2 U0 IC _ + Pt100 R1 R2 R3 Rt U2 U0 IC1 _ + IC2 a R6 R4 R5 _ + Pt100 R1 R3 Rt U2 U0 IC b R4 R5 R6 2 2 系统硬件设计系统硬件设计 2.1 硬件电路构成 硬件电路由信号处理单元、放大单元、数据采集及处理单元、串行输出单元、电源 电路等组成。 系统组成框图如下图 1 所示： 图 2-1 硬件组成原理方框图 2.2 微型计算机的选择 本系统选用AT89C51作为CPU。AT89C51是一种低功耗、高性能的片内4KB快闪可编 程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，其内部有4 KB的EEPROM,。AT89C51单片机 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案.。三级程序存储器锁定、128*8 位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、 低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。利用89C51串行输出工作方式，使 89C51的利用率大大提高，外部电路得以简化。89C51可直接与键盘进行扫描读数，可直 接用串/并行转换模块74LS164驱动LED显示温度值。因其利用率高，负载重，后向电路只 需加一块通向驱动器即可正常工作。在串行传输数据时，频率可达到1MHz,对温度的显示 完全达到测控精度要求。与MCS -51微控制器产品系列兼容,使用高密度、非易失存储技 术制造，存储器可循环写入/擦除1000次。AT89C51的引脚与8031相同。因此，不需要扩 展即能满足要求11。 数码显示 多路开关 单 片 计 算 机 串行输出 量程调整 模数转换 AD 574 放大单元 输出单元数据采集单元 信号处理单元 恒流源 AD580 Pt100及 标准电阻 多 路 开 关 2.3 热电阻的选择 热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的。 铂虽属贵重金属但具有耐高温、使用寿命长，温度灵敏度高，对温度变化反应速度快， 同时电阻温度特性好，便于分度和读数等特点因此采用铂热电阻作为温度测量元件,其型 号为Pt100 ,测量范围为- 200 + 650 。Pt100 型铂热电阻在0 时的阻值为100 ,200 时的阻值在170 左右。 2.4 热电阻测量及数据处理 测量电路由热电阻 Rt、AD580、标准电阻 R1、多路模拟开关 U1 和 U2等组成。图中 r 是热电阻引线等效电阻。标准电阻 R1用锰铜丝绕制而成，性能稳定。 温度的测量和控制主要取决于温度测量精度，因此，为了保证精度，从硬件采用了 三个方面的措施：第一，测量中传感器的连接采用新的三线制方法，补偿由导线引起的 误差；第二，选用高精度低漂移运算放大器 OP07 作为运算放大的电路，第三，测量电路 采用恒流源供电。 AD580 用作标准电流源，其输出电流 I 经多路模拟开关 U1分别由四个支路输出，在 R1上形成标准校准电压信号 U01、在热电阻 R1上形成输入信号 U02，在引线电阻 2r 上形 成引线电阻补偿信号 U03，在接地线上形成零点校正信号 U04。为了提高测量精度，电路 设计时让四个支路负载电阻尽量相同。热电阻采用三线制连接，三条引线敷设环境和长 度相同。如图 2-3 所示12。 2.4.1 电阻测量原理及电路图 图 2-2 测量原理图 见图 2-2， U1 、U2为多路模拟开关，I、R0、R1、A、AD 分别为标准电流、被测电 阻、标准电阻、放大器、AD 转换器，U01、U02分别为标准校准电压信号和被测电压信号， 设定一应的 AD 采样值分别为 S1、S2, U01和 U02由电流源 I 流过电阻 R1和 R0支路获得， U01用于对放大器和采样通道校准。在单片机控制下， U1 和 U2的通道 IN1 导通时，有 011 UI R 电流源 多路开关 单片计算机 多 路 开 关 AAD ICOM IN0IN1 U01 U02 R0R1 IN1 IN0 COM U1 U2 （2- 111 ( )SK tI R 1） 上式中为采样时放大转换通道的等效转换系数。当 U1 和 U2的通道 IN0 导通时， 1( ) K t 01 U 有 020 UI R （2- 220222 ( )( )SK tUK tI R 2） 上式中为采样时放大转换通道的等效转换系数。将式（2-2）与式（2-1）比较，有 2( ) K t 02 U （2- 202 111 ( ) ( ) K tI RS SK tI R 3） 因为有一个测量周期是在极短的时间内完成的，所以，可以认为，则式（2- 12 ( )( )K tK t 3）为 2002 1111 ( ) ( ) K tI RRS SK tI RR （2-4） 整理的被测电阻为 （2- 2 01 1 S RR S 5） 由式（2-4）、（2-5）可见，由于采用了与标准信号采样值比较的方法，且数据采集周期极短， 使得被测电阻值与标准电阻 R1、标准校准信号的采样值 S1、被测信号的采样值 S2有关， 与电流源无关，大大减小了反放大采样通道的放大倍数、零点漂移和非线性的影响，因 此，提高了测量精度，实现了电阻值的精确测量，测量精度主要取决于 AD 转换器的分辨 率。 见图 2-3 设 S3、S4分别为 U03、U04的采样值，则由式（2-5）可得热电阻和引线电阻分别 为 (2-6) 2 t1 1 S 2rR S R (2-7) 3 1 1 S 2rR S 将式（7）代入式（6）并整理得热电阻为 (2-8) 3232 t111 111 SSSS RRR SSS R 上式既是本装置计算热电阻的基本关系式。数据采集及处理系统在单片机控制下完 成数据采集后，即按上式计算热电阻值，然后查分度表求出温度值输出和显示。式中 R1=390.48，温度值精确到小数点后一位，两温度点之间按线性内插计算参考温度。实 际计算时 S1、S2、S3先减去零点校正值 S4后，再代入式（8）计算热电阻值13。 图 2-3 热电阻测量电路 表 1 逻辑控制功能表 步骤步骤 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 功能功能 1 0 0 0 0 采集标准信号采集标准信号 U01 2 0 1 0 1 采集被测信号采集被测信号 U02 3 1 0 1 0 采集引线电阻信号采集引线电阻信号 U03 4 1 1 1 1 采集零点校正信号采集零点校正信号 U04 2.4.2 AD580 AD580 是美国模拟器件公司生产的单片集成三端高精度 2.5V 参考源，输入电压在 6 9 1011 16 3 7 8 13 14 15 12 1 2 5 4 VDD VEE INHC B A 69 1011 16 3 7 8 13 14 15 12 1 2 5 4 INHCBA VDD VEE VSS R2 r r r Rt R4 R1 R3 COM COM 15V AD580 +5V IN0 IN1 IN2 IN3 IN0 IN3 IN2 IN1 OUT P1.0 P1.1 P1.2P1.3 +5V _ + Vi IC2 IC1 Q2Q1 R2 R1 R4 R3 V0 Vr ?Vbe + - V1 + - 4.5-30V 之间时，参考输出均为 2.5V14。 图 2-4 AD580 的原理电路 设 Q1的 be 结电压为 Vbe1,Q2的 be 结电压为 Vbe2，Ic1=Ic2n,则有 1c1c21c21 V = (I +I )R = (1+n)I R = be 1 2 V (1+n)R R = be1be2 1 2 V-V (1+n)R R = c1 T c2 1 2 I V ln I (1+n)R R = （2- 1 2 RkT (1+n)lnn qR 9） 得 （2- 1 rbe1 2 RkT V = V+(1+n)lnn qR 10） 式中 k 和 q 为物理常数，T 为绝对温变。由上式显见:第一项为晶体管的 Vbe，为负 温度系数，第二项 T 为绝对温度，其他为常数，故第二项为正温度系数。理论上当 Vr 为 1.205V 时，正负温度系数相等，总的温度系数为零，从而得到零温度系数的基准电压。 再通过缓 冲放大器及电阻 R3、R4，便可得到要求的基准电压值。 （2- 3 0 4 (1) r R VV R 11） AD580 V+ V- R = 2.5 1ImA R 图 2-5 AD580 电流与工作电压特性曲线图 图 2-6 AD580 用作电流源 AD580 也可以用作电流源使用，本装置中 AD580 作标准恒流源。如图 2-6 所示15。 2.5 放大单元 放大单元由运算放大器 IC1-IC3 等组成见图。因输入信号由 AD580 输出电流 I 转换 而成，因此要用高输入阻抗放大器。为了提高输入阻抗和减小零点漂移的影响，放大器 第一级是跟踪器，第一级和第二级的 IC1、IC2 选用斩波稳零式高精度运算放大器 ICL7650 ，第三级选用 OP07。 2.5.1 OP07 OP07 是一种高精度单片运算低失调放大器，具有很低的输入失调电压和漂移。 OP07 采用超高工艺和齐纳微调技术，使其温漂很小，广泛用于精密加法，检波，微弱信 号精密放大。其要求双电源供电，使用温度范围 070。使用 OP07 一般不用考虑调零 和频率问题就能满足要求。如要调零，可采用调零电位器调整，阻值可选 200。引脚图 如图 2-7。 图 2-7 OP07 引脚图 500A 5V 输 入 电 流 1 2 3 4 5 6 7 8 VOS TRIM V+ OUT NC -IN +IN V-OP07 VOS TRIM + - 2.5.2 ICL7650 ICL7650是Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放。 动态校零技术 消除了CMOS器件固有的失调和漂移，从而摆脱了传统斩波稳零电路的束 缚，克服了传统斩波稳零放大器的这些缺点。它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、 共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点，常常被用在热电偶、 电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的前置放大器中。 ICL7650 采用 14 脚双列直插式和 8 脚金属壳两种封装形式。 图 2-8 ICL765014 引脚引脚图 2.5.3 放大部分电路图 图 2-9 放大电路图 2.6 A/D 转换部分 2.6.1 AD574 为了保证合理的采样率,模- 数转换器可选用逐次比较式模- 数转换器，在本系统中选 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 14 13 12 11 CEXTB CEXTA NC -IN +IN NC V- INT/EXT EXT CLKIN INT CLKOUT V+ OUTPUT OUT CLAMP CRETN ICL7650 + - 1 2 8 710 11 2 3 7 4 6 5 4 1 2 8 7 63 - 5 4 6 +15V -15V -15V +15V +15V -15V 1F 0.1F 0.1F 0.1F0.1F + - - - + + ICL7650 OP07 ICL7650 用的是AD574。它是美国模拟器件公司生产的12 位逐次逼近型快速的A /D 转换器。转换 速度最大为25S, 转换精度0.05% , 是目前我国市场上应用最广泛、价格适中的A /D 转换器。主机可以采用中断、查询或延时方式读取AD574的转换结果值。由于AD574 片 内包含高精度的参考电压源和时钟电路, 这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况 下完成一切A/D 转换功能, 应用非常方便。 1)AD574的主要特性 内设高精度的参考电压（10V），只需外界一个适当电阻便可向DAC部分的解码网 络提供IREF电流，转换操作所需的时钟信号亦由内部提供，不需任何外接元器件。 模拟信号的输入为单端通道，设有外接补偿电路引脚，以纠正ADC的补偿误差。 其输入两成为10V和20V两档，供用户选择。在满刻度范围内无误码。 利用不同的控制信号，即可实现高精度的12位变换，又可作快速的8位转换，转换 后的数据有两种读出方式：12位一次读出；分8位、4位两次读出，先读高8位，再读低4 位，由A0位的状态分别控制读取高8位或低4位。设有三态输出缓冲器，可直接与各种类 型的8 位或16 位微处理器连接，而无需附加逻辑接口电路, 且能与CMOS 及TTL 电平 兼容。 需三组电源：+5V、+12V+15V和-15V-12V。由于精度高，所需电源必须有良 好的稳定性，并加以充分滤波，以防止高频噪音的干扰。 输入模拟信号：单极性时为0+10V或0+20V；双极性时为5V或10V范围。 低功耗：390mW。 2) AD574的引脚配置如图2-10： 图2-10 AD574引脚图 ：片选信号端。低电平有效。CS CE：允许信号端。高电平有效。可用作8031的WR和RD相与非后接CE，以确保 AD574A在被启动变换或读出变换结果的操作时，CE有效。 R/C ：读/变换，高为读 A/D 变换结果，低为启动 A/D 变换。 ：数据格式，高为 12 位并行输出，低为 8 位(或 4 位)并行输出。本设计令其接8/12 地。 A0 ：字节地址/短周期，高为 8 位变换/输出低 4 位，低为 12 位变换/输出高 8 位。 STS ：变换状态，高为正在变换，低为变换结束。STS 总共有三种接法：(1)空着： 只能在启动变换 25 s 以后读 A/D 结果；(2)接静态端口线：可用查询方法，待 STS 为低后 再读 A/D 变换结果；(3)接外部中断线：可引起中断后，读 A/D 变换结果。本设计夸其接 AD574 1 2 3 4 5 6 7 28 26 27 14 13 12 11 10 9 8 19 20 21 22 23 24 25 15 16 17 18 VL 12/ 8 CS A0 CR/ Vcc REF OUT AC REF IN VEE BIP OFF 10V IN 20V IN STS DB11 DB10 DB9 DB4 DB5 DB6 DB7 DB8 DB1 DB2 DB3 DB0 AC CE P10。 REFIN ：基准输入。 REFOUT ：基准输出。 BIP OFF ：双极性方式时，偏置电压输入。 DBIIDB0：12 位数据总线。 10VSPAN ：单极性 010 V 模拟量输入；双极性 0 5 V 模拟量输入。 DC：模拟量输入。 20VSPAN ：单极性 020 V 模拟量输入；双极性 0 10 V 模拟量输入 AC ：模拟地。 AC ：模拟地 表2 控制信号、CE、和的组合功能如下： CSCR/ 0 A8/12 CE CSCR/8/12 0 A 操作功能 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 12位A/D转换起动 8位A/D转换起动 12位转换数据输出 高8位转换数据输出 低4位后跟4位“0”输出 0 0 1 1 不执行操作 2.6.2 AD574 与 89C51 的接口电路 该电路采用单极性输入方式, 可对010V或020V模拟信号进行转换。转换结果的 高8位从D11D4 输出,低4 位从D3D0 输出,并且直接和单片机的数据总线相连。转换 遵循左对齐原则,D3D0 应接单片机数据总线的高半字节。为了实现启动A /D 转换和转 换结果的读出, AD574 的片选信号CS 由地址总线的P1.2提供, 在读写时,A1 应设置为低 电平。AD574 的CE 信号由单片机的WR 和RD 经一级或非门产生。R /C 则由P1.0提供。 输出状态信号STS 接到P3. 2 端可供单片机查询判断A / D 转换是否结束。AD574 的A0 由地址总线的P1.1控制,可用于实现全12 位转换,并将12 位数据分两次送入数据总线16。 如图2-11。 图2-11 AD574与89C51接口电路图 2.7 串口输出单元 串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方式。同步通信适用于传送速度高的 情况，其硬件复杂。而异步通信应用于传送速度在 50 到 19200 波特之间，是比较常用的 传送方式。在异步通信中，数据是一帧一帧传送的，每一串行帧的数据格式由一位起始 位，58 位的数据位，一位奇偶校验位(可省略)和一位停止位四部分组成。在串行通信前， 发送方和接收方要约定具体的数据格式和波特率（通信协议） 。 本设计中串行输出端口由MAX220完成，每数据包2个字节，波特率为9600，精确到 0.1 2.7.1 MAX220 MAX220包含4个部分：双路电荷泵DC-DC电压转换器、RS-232驱动器、RS-232接收 器，以及接收器与发送器使能控制输入。 1) 双路电荷泵 双路电荷泵将+5V转换为10V (空载)，为RS-232驱动器提供工作电压。第一个转换 器利用电容C1将+5V输入加倍，得到V+输出端C3上的+10V；第二个转换器利用电容C2将 +10V转换为V-输出端C4上的-10V。 2) RS-232驱动器 如果负载是标称值为5k的RS-232接收器，并且VCC =+5V时，驱动器输出电压摆幅 的典型值为8V。空载时驱动器输出电压范围是(V+-1.3V)至(V- +0.5V)。输入门限兼容于 TTL和CMOS逻辑。在关断模式、三态模式，或器件电源被断开的情况下，驱动器输出关 闭，并进入高阻状态，该状态下的漏电流通常只有几个微安(最大值为25A)。输出可以 P3.2 12 P3.6 P3.7 16 17 GND P1.0 P1.7 ALE EA 32 33 34 35 36 37 38 39 31 30 20 89C51 1 D7 Q7 D6 Q6 D5 Q5 D4 Q4 D3 Q3 D2 Q2 D1 Q1 D0 Q0 G OE 74LS373 8 13 14 DB11 DB10 DB9 DB8 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CE STS A0 AD574 V 7 11 15 1 9 12 10 DC AC REFIN REFOUT CS 6 28 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 3 4 5 BIPOFF R/C 10V IN 20V IN VEE Vcc +5V +15V -15V 12/8 - 被驱动到15V。在关断模式下，电源电流通常降至8A。MAX220不具备内部上拉电阻， 所以不能将未使用的驱动器输出强制为低电平，须将未使用的输入端连接至GND或 VCC。 3) RS-232接收器 所有接收器都是反相的。输入门限设定为0.8V和2.4V，驱动器既响应TTL电平输入， 也响应EIA/TIA-232E与V.28电平。接收器输入可以承受最高25V的过压输入，并提供标 称值为5k的输入端接电阻。接收器输入滞回的典型值为0.5V，并可确保0.2V最小值。这 样，对于慢变化输入信号可以产生明确的输出跳变，即使是在有一定噪声和振荡的情况 下。接收器传输延时典型值为600ns，与输入摆幅方向无关。 图2-12 MAX220引脚配置 2.7.2 串行输出电路 图2-13 串行输出电路 15 TXD RXD R2OUT T2IN 9 10 R2IN T2OUT 1 3 4 5 16 2 6 8 7 GND +5V V+ V- VCC C1 1F C2 1F 10 11P3.0 P3.1 P3.7 GND P1.0 P1.7 P2.7 P2.0 EA 20 89C51 +5V Vcc MAX220 C1+ V+ C1- C2+ C2- V- T2OUT R2IN Vcc GND T1OUT R1IN R1OUT T1IN T2IN R2OUT 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 2.8 LED 选择及显示电路 2.8.1 LED 数码管 LED数码管又分共阴和共阳两种如图2-11(a)、(b)。如果把7段数码管的每一段都等效 成发光二极管的正负两个极，那共阴就是把abcdefg这7个发光二极管的负极连 接在一起 并接地；它们的7个正极接到7段译码驱动电路74LS164的相对应的驱动端上（也是 abcdefg） ；共阳就是把 abcdefg的7个发光二极管的正极连接在一起并接到5V电源上，其 余的7个负极接到译码驱动集成电路74LS164相应的abcdefg输出端上。无论共阴共阳7段显 示电路，都需要加限流电阻，否则通电后就把7段译码管烧坏了。限流电阻的选取是：5V 电源电压减去发光二极管的工作电压除上10ma到15ma得数即为限流电阻的值。 (a)(b) 2-14 LED数码管 点亮显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应 的发光二极管恒定的导通或截止，这种显示方式每一位都需要有一个8位的输出控制；所 谓动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器各位，对于显示器的每一位来说，每隔一段 时间点亮一次。显示器的亮度既与导通的电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有 关。调整电流和时间参数，可以实现亮度较高稳定的显示。若显示器的位数不大于8位， 则控制显示器公共极电位只需一个I/O口，控制显示器的各位显示的字型也需要一个8位口。