基于单片机的宽范围高精度光纤传感测温仪的研制(地址译码74LS138,74LS04)
发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:553
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摘 要： 一种基于单片机的大动态范围、高精度的光纤温度传感器的设计研制，用双光路、可编程增益放大系统来实现大动态范围的温度测量，并利用12位adc将被测温度信号由模拟量转换为数字量，利用单片机系统达到高精度的要求，整个系统有非线性校正、多点温度补偿、多种测量方式可选、lcd显示和键盘输入等功能，且系统可与计算机通过rs-232接口通讯，将采样数据传输到上位机处理。
关键词： 光纤传感 温度 单片机
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光纤传感测温仪是一种非接触式测温方法与光纤传感技术相结合，实现高精度、高重复性、快速响应、非接触式测量和高性价比的新型光纤传感类测温系统。该类测温仪利用光纤的空间滤波效应，使入射光波从空间瞬态变为空间稳态，消除杂散光的影响，提高测量的精度和稳定性；将光纤探头和电子处理单元隔离，使信号处理单元不受环境高温影响，提高抗电磁干扰能力；响应速度快；根据热源温度，选择最佳工作波段。
有时需要对范围很宽的温度信号进行测量，但是实现宽温度范围的测量，采用一个探测器的光纤传感测温仪很难达到要求。为了解决单一探测器光纤传感测温仪范围窄的不足，设计了利用双光路系统，采用两个不同波长范围探测器的光纤传感测温仪，实现测量温度范围的扩展，将测温范围的下限和上限延伸。实现大动态范围要求的光纤传感测温的关键技术之一是适应大动态范围要求的高信噪比电子数据处理系统的设计。电子数据处理系统应采用高阻抗低噪声前放。500℃~1800℃温度范围的光功率动态范围高达105w量级，远远超出放大器的动态范围，采用电子开关动态范围扩展技术将测温范围分成若干温度段，问题就能解决同时采用数据拟合等技术来实现高精度的测量。
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1 仪器基本原理框图及功能框图
整个仪器主要分为以下几个部分信号拾取单元、模数转换单元、键盘与显示单元、8051单片机系统单元、rs-232通讯单元以及数模转换单元。整个原理框图如图1所示。 |
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仪器的工作过程为：用光纤将物体的辐射传导至探测器，探测器输出电信号完成光电转换；利用信号拾取单元将电信号调理，然后将电信号经过a/d转换成数字信号用8051单片机处理；在单片机中用软件完成被测物体温度的非线性校正、温度补偿等功能。经过单片机处理后利用d/a转换将温度信号转换成0~5v的电压信号输出。
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2 系统的硬件设计
整个系统按照模块化的设计方法设计，使系统的整结构更加完善，系统性能得以提高，方便调试、维修。
2.1信号拾取单元
由于测量的温度范围广，只使用一个光电探测器不能适应整个范围内的信号检测。所以将温度范围一分为二，用两个探测器两条光路来实现信号的检测。两个通道的电路大体相似，但由于信号的强弱不同，在系统中所选用的运放不一样。其中低温段所使用的运放为opa129。opa129是b_b公司的超低偏置电流运算放大器，低漂移、低噪声、高开环增益，适合于将光电转换信号放大。从热力学中玻耳兹曼定律可知，信号与温度的四次方成正比。在温度较低时信号很弱，采用opa129；而温度较高时则使用op27运放。两路分别都有调零和调增益功能，两路信号输入到一个数字开关max4622。max4622是一个单刀双掷数字开关，它的导通电阻最大为5ω。max4622的通道选通信号由程序根据当前温度的高低来控制。如图2所示。 |
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2.2 模数转换单元
为了达到大范围、高精度地测量，不仅要精心设计信号拾取单元，而且在a/d转换部分也采用了可编程增益放大器pga103和12位的a/d转换器max191来实现信号的数字化。pga103是一种通用的低温漂可编程增益放大器，它的增益分为三挡：x1、x10、x100，通过两个cmos/ttl兼容的输入端来选择，pga103工作电压从±4.5v~±18v。系统中pga103的增益选择端a0、a1分别接至8051单片机的p10、p11端。为了防止在单片机上电时，p1口输出全为1，pga103的增益为100可能会输出大于a/d转换器的输入界限，在pga103的输入端加一保护二极管，以防止过冲电压损害pga103。max191是maxim公司的一种12位、非线性误差为1/2lsb的cmos模/数转换器，它的输入可为单极性或双极性，内建采样保持器，可调内部参考电压，采样速率为100ksps，数据可以串行输出也可以8位并行输出，内部或外部采样时钟。它有三种工作模式：slow-memory模式、rom模式、serial-interface模式。在本系统中选用rom模式，即a/d转换后的数字量以8位并行输出到单片机，单片机分两次读取12位的转换结果；模拟信号单极性输入
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摘 要： 一种基于单片机的大动态范围、高精度的光纤温度传感器的设计研制，用双光路、可编程增益放大系统来实现大动态范围的温度测量，并利用12位adc将被测温度信号由模拟量转换为数字量，利用单片机系统达到高精度的要求，整个系统有非线性校正、多点温度补偿、多种测量方式可选、lcd显示和键盘输入等功能，且系统可与计算机通过rs-232接口通讯，将采样数据传输到上位机处理。
关键词： 光纤传感 温度 单片机
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光纤传感测温仪是一种非接触式测温方法与光纤传感技术相结合，实现高精度、高重复性、快速响应、非接触式测量和高性价比的新型光纤传感类测温系统。该类测温仪利用光纤的空间滤波效应，使入射光波从空间瞬态变为空间稳态，消除杂散光的影响，提高测量的精度和稳定性；将光纤探头和电子处理单元隔离，使信号处理单元不受环境高温影响，提高抗电磁干扰能力；响应速度快；根据热源温度，选择最佳工作波段。
有时需要对范围很宽的温度信号进行测量，但是实现宽温度范围的测量，采用一个探测器的光纤传感测温仪很难达到要求。为了解决单一探测器光纤传感测温仪范围窄的不足，设计了利用双光路系统，采用两个不同波长范围探测器的光纤传感测温仪，实现测量温度范围的扩展，将测温范围的下限和上限延伸。实现大动态范围要求的光纤传感测温的关键技术之一是适应大动态范围要求的高信噪比电子数据处理系统的设计。电子数据处理系统应采用高阻抗低噪声前放。500℃~1800℃温度范围的光功率动态范围高达105w量级，远远超出放大器的动态范围，采用电子开关动态范围扩展技术将测温范围分成若干温度段，问题就能解决同时采用数据拟合等技术来实现高精度的测量。
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1 仪器基本原理框图及功能框图
整个仪器主要分为以下几个部分信号拾取单元、模数转换单元、键盘与显示单元、8051单片机系统单元、rs-232通讯单元以及数模转换单元。整个原理框图如图1所示。 |
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仪器的工作过程为：用光纤将物体的辐射传导至探测器，探测器输出电信号完成光电转换；利用信号拾取单元将电信号调理，然后将电信号经过a/d转换成数字信号用8051单片机处理；在单片机中用软件完成被测物体温度的非线性校正、温度补偿等功能。经过单片机处理后利用d/a转换将温度信号转换成0~5v的电压信号输出。
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2 系统的硬件设计
整个系统按照模块化的设计方法设计，使系统的整结构更加完善，系统性能得以提高，方便调试、维修。
2.1信号拾取单元
由于测量的温度范围广，只使用一个光电探测器不能适应整个范围内的信号检测。所以将温度范围一分为二，用两个探测器两条光路来实现信号的检测。两个通道的电路大体相似，但由于信号的强弱不同，在系统中所选用的运放不一样。其中低温段所使用的运放为opa129。opa129是b_b公司的超低偏置电流运算放大器，低漂移、低噪声、高开环增益，适合于将光电转换信号放大。从热力学中玻耳兹曼定律可知，信号与温度的四次方成正比。在温度较低时信号很弱，采用opa129；而温度较高时则使用op27运放。两路分别都有调零和调增益功能，两路信号输入到一个数字开关max4622。max4622是一个单刀双掷数字开关，它的导通电阻最大为5ω。max4622的通道选通信号由程序根据当前温度的高低来控制。如图2所示。 |
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2.2 模数转换单元
为了达到大范围、高精度地测量，不仅要精心设计信号拾取单元，而且在a/d转换部分也采用了可编程增益放大器pga103和12位的a/d转换器max191来实现信号的数字化。pga103是一种通用的低温漂可编程增益放大器，它的增益分为三挡：x1、x10、x100，通过两个cmos/ttl兼容的输入端来选择，pga103工作电压从±4.5v~±18v。系统中pga103的增益选择端a0、a1分别接至8051单片机的p10、p11端。为了防止在单片机上电时，p1口输出全为1，pga103的增益为100可能会输出大于a/d转换器的输入界限，在pga103的输入端加一保护二极管，以防止过冲电压损害pga103。max191是maxim公司的一种12位、非线性误差为1/2lsb的cmos模/数转换器，它的输入可为单极性或双极性，内建采样保持器，可调内部参考电压，采样速率为100ksps，数据可以串行输出也可以8位并行输出，内部或外部采样时钟。它有三种工作模式：slow-memory模式、rom模式、serial-interface模式。在本系统中选用rom模式，即a/d转换后的数字量以8位并行输出到单片机，单片机分两次读取12位的转换结果；模拟信号单极性输入
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