基于單片機的寬范圍高精度光纖傳感測溫儀的研制

2 系統的硬件設計

整個系統按照模塊化的設計方法設計，使系統的整體結構更加完善，系統性能得以提高，方便調試、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整個范圍內的信號檢測。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公司的超低偏置電壓運算放大器，低漂移、低噪聲、高開環增益，適合于將光電轉換信號放大。從熱力學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。兩路分別都有調零和調增益功能，兩路信號輸入到一個數字開關MAX4622。MAX4622是一個單刀雙擲數字開關，它的導通電阻最大為5Ω。MAX4622的通道選通信號由程序根據當前溫度的高低來控制。如圖2所示。

2.2 模數轉換單元

為了達到大范圍、高精度地測量，不僅要精心設計信號拾取單元，而且在A/D轉換部分也采用了可編程增益放大器PGA103和12位的A/D轉換器 MAX191來實現信號的數字化。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轉換器的輸入界限，在PGA103的輸入端加一保護二極管，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/數轉換器，它的輸入可為單極性或雙極性，內建采樣保持器，可調內部參考電壓，采樣速率為100kSPS，數據可以串行輸出也可以8位并行輸出，內部或外部采樣時鐘。它有三種工作模式：Slow-Memory模式、ROM模式、Serial-Interface模式。在本系統中選用ROM模式，即A/D轉換后的數字量以8 位并行輸出到單片機，單片機分兩次讀取12位的轉換結果；0～5V，采用內部的振蕩時鐘，通過外接一個120pF的電容，正常情況下可產生1MHz的時鐘。A/D轉換結束后，通過8051查詢MAX191的轉換狀態端來判斷轉換的結束與否，然后再通過兩條讀指令來讀取12位的A/D轉換結果，最后將兩次讀的8位數據拼接為12位的轉換結果。