基于OP07和LTC1543溫度采集模塊的設(shè)計(jì)

石飛飛，馬辰

（北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京100083）

溫度是表征物體冷卻程度的物理量，也是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，對溫度的測量及控制始終占據(jù)著極其重要的地位[1]。用模擬傳感器所得到的溫度信息是模擬量，不適于單片機(jī)的處理，所以A/D轉(zhuǎn)換器起著至關(guān)重要的作用。基于LTC1543溫度采集模塊，分辨率高，速度快，性價(jià)比高。

1 測量系統(tǒng)概述

典型的溫度測量控制系統(tǒng)如圖1所示，由溫度采集模塊、單片機(jī)、顯示電路和反饋控制電路構(gòu)成。溫度的采集是溫度測量控制的前提，簡單可行的溫度采集系統(tǒng)是溫度測量及控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。因此，這里提出一種簡單可行的溫帶采集模塊的設(shè)計(jì)方法。

圖1 溫度測量控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of temperature measurement and control system

2 傳感器的選擇

熱敏電阻依其電阻值隨溫度變化的情形，主要可將其分為負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，NTC）熱敏電阻及正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）熱敏電阻2種。PTC的電阻值可以隨溫度的上升而增大，由于其溫度系數(shù)非常大，主要用在消磁電路、加熱器、電路保護(hù)、電機(jī)啟動(dòng)、暖風(fēng)機(jī)，風(fēng)速測量，溫度控制與補(bǔ)償。NTC的電阻值可以隨溫度的上升而下降，由于其溫度系數(shù)非常大，所以可以檢知微小的溫度變化，因此被廣泛應(yīng)用在溫度的測量、電路軟啟動(dòng)，控制與補(bǔ)償。因此這里選擇負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，它的實(shí)測溫度值見表1。

電阻值和溫度變化的關(guān)系式為：

其中，RT為在溫度T（K）時(shí)的NTC熱敏電阻阻值，RN為在額定溫度TN（K）時(shí)的NTC熱敏電阻阻值。（TN取25℃，RN=1.20 kΩ），T為規(guī)定溫度（K），B為NTC熱敏電阻的材料常數(shù)，又叫熱敏指數(shù)。而且，

通過公式（1）、（2）以及表1，可求得B=3 900 K，從而可

表1 熱敏電阻實(shí)測溫度值Tab.1 The measured temperature of thermistor

以得出電阻值和溫度變化的關(guān)系式為：

3 調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

由于傳感器直接輸出的模擬量幅度一般較低，同時(shí)為了更好地提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在傳感器的后端一般要進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理電路通常選用運(yùn)算放大器完成。這里，采用OP07組成一個(gè)差分放大器完成后續(xù)幅度放大和隔離。OP07具有極低的輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電壓零漂、噪聲電壓等特點(diǎn)。調(diào)理電路的原理圖如圖2所示，其中RT1為熱敏電阻。傳感器輸出電壓經(jīng)過放大后，輸出給AD轉(zhuǎn)換器。

圖2 調(diào)理電路原理圖Fig.2 Schematic of conditioning circuit

電壓增益為：

根據(jù)公式（4），可知改變RF/R1的值可以改變電壓的放大倍數(shù)。

4 TLC1543轉(zhuǎn)換原理及軟件設(shè)計(jì)

4.1 TLC1543轉(zhuǎn)換原理說明

TLC1543是TI公司的多通道、低價(jià)格的CMOS 10位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有輸入通道多，高速、高分辨率、性價(jià)比高、易于和單片機(jī)和單片機(jī)接口的特點(diǎn)[2]，其引腳如圖3所示[3]。芯片內(nèi)部有1個(gè)14通道多路選擇器可選擇11個(gè)模擬輸入通道或3個(gè)內(nèi)部自測電壓中的任意一個(gè)進(jìn)行測試，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)的采集。

TLC1543工作時(shí)序如圖4所示，其工作過程分為2個(gè)周期：訪問周期和采樣周期。工作時(shí)CS必須置低電平，CS為高電平時(shí)，I/O CLOCK、ADDRESS被禁止，此時(shí)DATA OUT為高阻狀態(tài)。當(dāng)CPU使CS變低時(shí)，TLC1543開始進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，I/O CLOCK、ADDRESS使能，DATA OUT脫離高阻狀態(tài)。此后，CPU向ADDRESS端提供4位通道地址，控制14個(gè)模擬通道選擇器從11個(gè)外部模擬輸入和3個(gè)內(nèi)部自測電壓中選通1路送到采樣保持電路。同時(shí)，I/O CLOCK端輸入時(shí)鐘時(shí)序，CPU從DATAOUT端接收前一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果[4]。I/O CLOCK從CPU接收10時(shí)鐘長度的時(shí)鐘序列。前4個(gè)時(shí)鐘從ADDRESS端轉(zhuǎn)載地址寄存器，選擇所需的模擬通道，后6個(gè)時(shí)鐘為模擬輸入的采樣提供控制時(shí)序。模擬輸入的采樣起始于第4個(gè)I/O CLOCK的下降沿，并一直持續(xù)6個(gè)I/O CLOCK周期，即到第10個(gè)I/O CLOCK的下降沿。CS的上升沿終止于一次I/O CLOCK工作過程并在規(guī)定的延遲時(shí)間內(nèi)使DATAOUT引腳返回到高阻的狀態(tài)，經(jīng)過兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期后使I/O CLOCK和ADDRESS端無效。

圖3 TLC1543引腳圖Fig.3 Pin map of TLC1543

圖4 TLC1543時(shí)序圖Fig.4 Timing diagram of TLC1543

4.2 軟件設(shè)計(jì)

TLC1543的3個(gè)控制輸入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和1個(gè)數(shù)據(jù)輸出端DATA OUT遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議，要求微處理器具有SPI接口，若沒有SPI接口，需要通過軟件模擬SPI協(xié)議以便和TLC1543接口。

TLC1543 SPI接口軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

部分編程代碼如下：

//聲明變量

uint ad；

uint i；

//初始化

uchar al=0，ah=0；

圖5 TLC1543 SPI接口軟件設(shè)計(jì)流程Fig.5 Flow chart of TLC 1543 SPI interface software design

CLOCK=0；

_CS=0；

port＜＜=4；

//把通道號打入1543

for（i=0;i＜4;i++）

{

D_IN=（bit）（port&0x80）;CLOCK=1;CLOCK=0；port＜＜=1；

}

//填充6個(gè)CLOCK，模擬輸入持續(xù)時(shí)間

for（i=0;i＜6;i++）

{

CLOCK=1;CLOCK=0；

}

//先取D9，D8

for（i=0;i＜2;i++）

{

D_OUT=1；

CLOCK=1；

ah＜＜=1；

if（D_OUT）ah+=0x01；

CLOCK=0；

}

//再取D7--D0

for（i=0;i＜8;i++）

{

D_OUT=1；

CLOCK=1；

al＜＜=1；

if（D_OUT）al+=0x01；

CLOCK=0；

}

此外，在進(jìn)行軟件編寫時(shí)，應(yīng)注意TLC1543通道地址必須為寫入字節(jié)的高4位，而單片機(jī)讀入的數(shù)據(jù)是芯片上次A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

該溫度采集模塊使用的元器件少，其次不要求單片機(jī)有SPI接口，采用軟件模擬SPI接口，簡單易行，工作穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)。經(jīng)過與AT89C52單片機(jī)和LCD1602液晶顯示連接組成的溫度測量系統(tǒng)，測得的室溫與實(shí)際室溫的誤差在-0.25～+0.25℃之間。但是，在A/D轉(zhuǎn)換部分沒有附加的調(diào)零和滿刻度調(diào)整電路，在實(shí)際的運(yùn)用中可以加強(qiáng)對參考電壓的濾波處理和注意地線的連接及進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波等來保證精確度和穩(wěn)定性[5]。此外，也可以運(yùn)用數(shù)字式智能傳感器來滿足測量系統(tǒng)的測量精度、線性度、一致性等要求[6-7]。

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