OP07和LTC1543在温度采集模块的设计和实现-设计应用

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单片机目前在工业、服务业及制造业都有着广泛的应用，采用单片机实现温度采集具有成本抵、开发周期短、易于实现和扩展功能的优点。由于单片机本身具有很强的数字量处理能力，因此本系统的设计可以为接下来的温度控制环节提供服务。温度测量与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。利用单片机技术的温度测控系统以其体积小，可靠性高而被广泛采用。温度测量在工业，农业，国防等行业有着广泛的应用，而且随着科学技术的发展对温度测量的精度要求愈来愈高。

1测量系统概述

典型的温度测量控制系统如图1所示，由温度采集模块、单片机、显示电路和反馈控制电路构成。温度的采集是温度测量控制的前提，简单可行的温度采集系统是温度测量及控制系统的发展方向之一。因此，这里提出一种简单可行的温带采集模块的设计方法。

2传感器的选择

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

热敏电阻依其电阻值随温度变化的情形，主要可将其分为负温度系数（NegativeTemperatureCoefficient,NTC）热敏电阻及正温度系数（PositiveTemperatureCoefficient,PTC）热敏电阻2种。PTC的电阻值可以随温度的上升而增大，由于其温度系数非常大，主要用在消磁电路、加热器、电路保护、电机启动、暖风机，风速测量，温度控制与补偿。NTC的电阻值可以随温度的上升而下降，由于其温度系数非常大，所以可以检知微小的温度变化，因此被广泛应用在温度的测量、电路软启动，控制与补偿。因此这里选择负温度系数的热敏电阻。它的实测温度值见表1.

电阻值和温度变化的关系式为：

其中，RT为在温度T(K)时的NTC热敏电阻阻值，RN为在额定温度TN(K)时的NTC热敏电阻阻值。(TN取25℃，RN=1．20kΩ)，T为规定温度(K)，B为NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。而且，

通过公式(1)、(2)以及表1，可求得B=3900K，从而可以得出电阻值和温度变化的关系式为：

3调理电路的设计

信号调理：就是信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等…但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到MCU或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。

由于传感器直接输出的模拟量幅度一般较低，同时为了更好地提高系统的抗干扰能力，在传感器的后端一般要进行调理，调理电路通常选用运算放大器完成。这里，采用OP07组成一个差分放大器完成后续幅度放大和隔离。OP07具有极低的输入失调电压、失调电压零漂、噪声电压等特点。调理电路的原理图如图2所示，其中RT1为热敏电阻。传感器输出电压经过放大后，输出给AD转换器。

电压增益为：

根据公式（4），可知改变RF/R1的值可以改变电压的放大倍数。

4TLC1543转换原理及软件设计

4.1TLC1543转换原理说明

TLC1543是TI公司的多通道、低价格的CMOS10位开关电容逐次逼近模数转换器，具有输入通道多，高速、高分辨率、性价比高、易于和单片机和单片机接口的特点，其引脚如图3所示。芯片内部有1个14通道多路选择器可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试，可广泛应用于各种数据的采集。

TLC1543工作时序如图4所示，其工作过程分为2个周期：访问周期和采样周期。工作时CS必须置低电平，CS为高电平时，I/OCLOCK、ADDRESS被禁止，此时DATAOUT为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始进行数据转换，I/OCLOCK、ADDRESS使能，DATAOUT脱离高阻状态。此后，CPU向ADDRESS端提供4位通道地址，控制14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1路送到采样保持电路。同时，I/OCLOCK端输入时钟时序，CPU从DATAOUT端接收前A/D转换结果。I/OCLOCK从CPU接收10时钟长度的时钟序列。前4个时钟从ADDRESS端转载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后6个时钟为模拟输入的采样提供控制时序。模拟输入的采样起始于第4个I/OCLOCK的下降沿，并一直持续6个I/OCLOCK周期，即到第10个I/OCLOCK的下降沿。CS的上升沿终止于I/OCLOCK工作过程并在规定的延迟时间内使DATAOUT引脚返回到高阻的状态，经过两个系统时钟周期后使I/OCLOCK和ADDRESS端无效。

4.2软件设计

TLC1543的3个控制输入端CS、I/OCLOCK、ADDRESS和1个数据输出端DATAOUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI接口，若没有SPI接口，需要通过软件模拟SPI协议以便和TLC1543接口。

TLC1543SPI接口软件设计流程如图5所示。

部分编程代码如下：

此外，在进行软件编写时，应注意TLC1543通道地址必须为写入字节的高4位，而单片机读入的数据是芯片上次A/D转换完成的数据。

5结束语

该温度采集模块使用的元器件少，其次不要求单片机有SPI接口，采用软件模拟SPI接口，简单易行，工作稳定，可靠性强。经过与AT89C52单片机和LCD1602液晶显示连接组成的温度测量系统，测得的室温与实