1引言
高温测量, 在科研及工业生产过程中占有极其重要的地位, 目前依然主要使用的仍然是铂铑系列的贵金属热电偶, 由于贵金属材料资源稀缺, 价格昂贵, 并且提炼和回收能造成环境污染, 因此限制了其应用, 迫切要求新方法的出现。自从美国国家标准局 R. R. Dils 提出黑体腔型接触式光纤高温测量方法之后, 基于黑体辐射的高温计便得到了人们的重视和研究。这种方法具有测量准确、抗干扰能力强、安装使用方便等优点, 由于不使用贵重金属, 因此使用成本很低。本文在对黑体腔、光路部分改进的同时, 充分利用德州仪器的 MSC1211 单片机的许多新特性, 如自带的 8 路 24 位高精度∑- △A/D 转换器、片内偏移/增益自校准电路、4 通道 16 位 D/A 转换器等, 实现了对高温的高精度测量, 并且使得整个系统在集成化程度、分辨率、稳定性、可靠性方面提高了不少。
2 黑体式光电高温计的工作原理及整体设计
黑体式光电高温计由黑体腔、光电探测器以及信号处理电路组成, 如图1 所示。将黑体腔插入被测量介质中, 使其直接接触被测介质温度, 并发出与被测温度成一定关系的辐射信号, 通过光纤把信号送给光电探测器, 经光电转换后将电信号送至信号处理器即可进行待测温度的计算、补偿、显示和远传等。
MSC1211 是一款增强型8051 内核低功耗单片机, 它有许多优良特性, 比如, 它内部有高达32kB 的 FLASH 存储器,SRAM达1.2kB, 有多达21 个中断源, 执行速度比标准8051快3 倍等等。
整个体统的主要任务是黑体腔感知温度发出辐射信号, 调理电路将辐射信号转换为电信号, 经 A/D 转换进入信号处理器, 计算出温度值, 并能输出电流或电压信号, 以供传输或二次仪表使用。最终选择 MSC1211 作为信号处理的核心元件, 主要是基于以下考虑:(1) 24 位∑- △A/D 转换器, 这是实现高精度测温的重要保证; (2) 内部包含完整的前向通道和后向通道 DAC,使用非常方便, 这样功能完备的片上系统, 需要的外围电路很少, 整机结构显得非常简洁, 并且可靠性高。见图1 虚线框内,原本A/D 转换、单片机控制系统、D/A 转换三部分的内容, 用一个MSC1211 单片机就可以取代。
3 基于MSC1211 的硬件设计
如图1, 光信号通过光电探测器转换为电流信号, 再通过调理电路转换为合适的电压信号, 进入以 MSC1211 为核心的信号采集和处理系统, 基于MSC1211 的硬件设计如图2 所示, 由于单片机本身强大的功能, 使得外围电路很少, 看起来非常简洁。
3.1 模数转换器
MSC1211 内部包含完整的前向通道, 有多路开关, 可以选择差分输入的形式或者单端对地输入形式。在这个通道上, 还可以选择使用缓冲器, 其内部放大器为可编程增益放大(PGA)在 1~128 之间可调, 这样对于一些输出微弱信号的传感器就比较方便, 可以直接接入 MSC1211 的输入端, 无需在电路中再增加中间放大环节, 这对于系统设计是十分有利的。通过改变命令寄存器的方式设置内部通道的功能, 用指令就可以选择输入缓冲器, 设置放大增益, 控制通道开关切换, 进行偏移校正等。
3.1.1 多路选择开关
多路开关, 通过寄存器 ADMUX 来选择。MSC1211 可以自动检测这些信号输入引脚是否开路或短路。另外该电路还可以检测自身温度。当ADMUX=FFH 时, 电路的测温二极管就连接到ADC 的输入端, 此时其余通道开路。这有利于器件自身的保护, 当芯片温度过高时, 可以通过强制电路进入空闲模式使系统降温。
3.1.2 偏移DAC
调理电路输出的电压范围需要调整, 使用偏移 DAC 非常方便。偏移DAC 是一个可编程的电压源, 模拟输入信号首先与偏移DAC 的输出电压相加, 然后经 PGA 放大, 最后送到∑-△A/D 进行模数转换。
3.1.3 A/D转换
A/D 转换在缺省条件下使用内部 2.5V 作为参考电压, 本文中使用的是外部电压 5V, 外部电压通过 REF IN+ 和 REF IN-引脚之间的电压差值决定, REF IN+连接 AVdd, REF IN- 接地。
3.1.4 数字滤波
数字滤波器有三种, 快速稳定滤波器 (Fast settling), Sinc2滤波器, Sin3滤波器,用户可以通过 ADC 控制寄存器 1(ADCON1)的SM1～SM0 来选择。本文选用了自动模式, 滤波器可在三种之间自动切换, 以寻找最有效的滤波器。
3.2 数模转换器
信号输出有三种可以选择:4mA～20mA 标准电流信号, 模拟S 型热电偶电压输出信号和模拟 B 型热电偶电压输出信号。在这里充分体现了 MSC1211 的强大功能, 它不但具有片上四通道 16 位数模转换器, 并且具有电压和电流两种输出形式, 非常符合设计要求。由于热电偶的输出电压信号比较小, 都在几十毫伏量级, 所以需要在数模转换之后对其进行适当的比例调整, 可以用精密运算放大器 OP07 来完成。MSC1211 可以提供四通道 16 位数模转换器, 可以进行电压和电流输出, 电流输出的范围与电阻 RDAC 有关, 经实验, 本文选用 RDAC0 为 74Ω电阻, 得到 4～20mA 电流输出。
3.3 串口通讯
串口通讯的主要任务是通过上位机对拟合曲线参数进行修正。本系统采用串口中断的方法, 通过 MAX232 电路实现系统与 PC 主机的串行通信。MSC1211 片上集成了两个 UART 串行接口, 用户可以方便地通过它读写数据。对串口 0 的控制是通过 2 个特殊功能寄存器 SCON0 和 PCON 来实现的, 串口 1与其类似, 通过 SCON1 和 EICON 来实现。
4 软件设计
软件设计主要包括主程序、计算温度子程序、D/A 转换子程序、串口中断服务子程序、显示子程序、环境温度采集子程序等。主程序初始化时, 开启串口0 的串口中断, 并开启A/D转换, 先抛弃前四次的转换结果, 等待稳定后, 转换一次, 就能根据结果计算出相应的温度值, 并进行LCD 显示, 同时开启D/A 转换, 输出相应温度下的三种模拟信号, 循环进入下一次的转换。若发生串口中断, 则进入串口中断服务子程序,接收修正的参数。程序流程图如图 3 所示, 包括了主程序和串口中断服务程序。
要在此说明的是, 由于 MSC1211 的资料不是很多, 所以在编程时应当注意一些问题。在做 A/D 转换时, 每次更改 PGA 放大倍数需要重新校准, 在需要频繁切换输入通道的场合, 建议设定特殊寄存器 ADCON1 的 SM1～0 位为 00, 即进入自动模式数字滤波; 对偏移 DAC 的设置要在校准之后进行, 因为校准会影响偏移 DAC 的输出电压, 并且在自行校准之前, 应将偏移DAC 设置为 00H。在做 D/A 转换时, 要注意设置寄存器的顺序,先将DAC 输入值装入, 然后设定输出模式, 最后再选择 DAC载入模式, 即更新模式, 顺序一旦错误, 将不能正常运行。
5 结论
实验表明, 基于MSC1211 单片机的这种黑体式光电高温计可以达到 0.5%的最大测温误差, 成本低, 使用方便, 相对于昂贵的热电偶来说具有很大的优势, 而且还有很大潜力可供开发, 在许多领域有很大的应用价值。
