OP07和LTC1543在温度采集模块的设计和实现

 

　　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（Negative Temperature Coefficient,NTC）热敏电阻及正温度系数（Positive Temperature Coefficient,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=1．20 kΩ)，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=3 900 K，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。

　　4 TLC1543转换原理及软件设计

　　4.1 TLC1543转换原理说明

　　TLC1543是TI公司的多通道、低价格的CMOS 10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/O CLOCK、ADDRESS被禁止，此时DATA OUT为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始进行数据转换，I/O CLOCK、ADDRESS使能，DATA OUT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/O CLOCK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/O CLOCK的下降沿，并一直持续6个I/O CLOCK周期，即到第10个I/O CLOCK的下降沿。CS的上升沿终止于I/O CLOCK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/O CLOCK和ADDRESS端无效。

　　4.2 软件设计

　　TLC1543的3个控制输入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和1个数据输出端DATA OUT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。

　　TLC1543 SPI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，测得的室温与实际室温的误差在-0.25~+0.25℃之间。但是，在A/D转换部分没有附加的调零和满刻度调整电路，在实际的运用中可以加强对参考电压的滤波处理和注意地线的连接及进行数据滤波等来保证度和稳定性。此外，也可以运用数字式智能传感器来满足测量系统的测量、线性度、一致性等要求。