摘 要： 一種基于單片機(jī)的大動(dòng)態(tài)范圍、高的光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)研制，用雙光路、可編程增益放大系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的溫度測(cè)量，并利用12位ADC將被測(cè)溫度信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，利用單片機(jī)系統(tǒng)達(dá)到高的要求，整個(gè)系統(tǒng)有非線性校正、多點(diǎn)溫度補(bǔ)償、多種測(cè)量方式可選、LCD顯示和鍵盤輸入等功能，且系統(tǒng)可與計(jì)算機(jī)通過RS-232接口通訊，將采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)處理。
關(guān)鍵詞： 光纖傳感 溫度 單片機(jī)

光纖傳感測(cè)溫儀是一種非接觸式測(cè)溫方法與光纖傳感技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高、高重復(fù)性、快速響應(yīng)、非接觸式測(cè)量和高性價(jià)比的新型光纖傳感類測(cè)溫系統(tǒng)。該類測(cè)溫儀利用光纖的空間濾波效應(yīng)，使入射光波從空間瞬態(tài)變?yōu)榭臻g穩(wěn)態(tài)，消除雜散光的影響，提高測(cè)量的和穩(wěn)定性；將光纖探頭和電子處理單元隔離，使信號(hào)處理單元不受環(huán)境高溫影響，提高抗電磁干擾能力；響應(yīng)速度快；根據(jù)熱源溫度，選擇工作波段。
有時(shí)需要對(duì)范圍很寬的溫度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，但是實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍的測(cè)量，采用一個(gè)探測(cè)器的光纖傳感測(cè)溫儀很難達(dá)到要求。為了解決單一探測(cè)器光纖傳感測(cè)溫儀范圍窄的不足，設(shè)計(jì)了利用雙光路系統(tǒng)，采用兩個(gè)不同波長(zhǎng)范圍探測(cè)器的光纖傳感測(cè)溫儀，實(shí)現(xiàn)測(cè)量溫度范圍的擴(kuò)展，將測(cè)溫范圍的下限和上限延伸。實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍要求的光纖傳感測(cè)溫的關(guān)鍵技術(shù)之一是適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍要求的高信噪比電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)采用高阻抗低噪聲前放。500℃~1800℃溫度范圍的光功率動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)105W量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出放大器的動(dòng)態(tài)范圍，采用電子開關(guān)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)將測(cè)溫范圍分成若干溫度段，問題就能解決同時(shí)采用數(shù)據(jù)擬合等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高的測(cè)量。

儀器的工作過程為：用光纖將物體的輻射傳導(dǎo)至探測(cè)器，探測(cè)器輸出電信號(hào)完成光電轉(zhuǎn)換；利用信號(hào)拾取單元將電信號(hào)調(diào)理，然后將電信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)用8051單片機(jī)處理；在單片機(jī)中用軟件完成被測(cè)物體溫度的非線性校正、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ堋＝?jīng)過單片機(jī)處理后利用D/A轉(zhuǎn)換將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~5V的電壓信號(hào)輸出。

2.4 8051單片機(jī)單元
由于整個(gè)系統(tǒng)的程序較大，所以需要一個(gè)外部程序存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)中選用了32KB的EEPROM。在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度補(bǔ)償要存儲(chǔ)一些溫度點(diǎn)的修正值以提高系統(tǒng)的測(cè)量，所以將EEPROM既作程序存儲(chǔ)器又作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。整個(gè)系統(tǒng)的地址分配為：0000~7FFF為存儲(chǔ)器地址，D000~D003和E000~E003分別為兩個(gè)8255A的四個(gè)端口地址，BFFC~BFFF為A/D轉(zhuǎn)換器的地址，F(xiàn)FF4~FFF5為D/A轉(zhuǎn)換器的地址。在地址譯碼中沒有采用GAL而是通過分離元件實(shí)現(xiàn)。地址譯碼通過兩片74LS138、一片74LS04、一片74LS08來實(shí)現(xiàn)。
2.5 RS-232通訊單元
為了方便數(shù)據(jù)的處理，將測(cè)量所得的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，本系統(tǒng)采用RS-232通訊方式，通訊速率為9600波特率。接口所用芯片為MAX232，接收端采用VC++編制的接收程序，顯示并存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)。進(jìn)而分析、處理得到擬和曲線。在單片機(jī)中將利用此擬和曲線實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前被測(cè)物的溫度值。
2.6 數(shù)模轉(zhuǎn)換單元
系統(tǒng)中預(yù)留一路模擬信號(hào)輸出，在測(cè)量、顯示的同時(shí)可將當(dāng)前的溫度值通過D/A轉(zhuǎn)換輸出進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)采用的D/A轉(zhuǎn)換器為MAX508，它是一種完備的12位、片內(nèi)參考電壓、電壓輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出電壓和參考電壓同極性，允許單電源工作，雙緩沖邏輯輸入接口使之與微處理器連接非常容易。

3.1 初始化子程序
在初始化程序中，主要對(duì)8051的系統(tǒng)資源，包括定時(shí)器、中斷、串行通訊、LCD顯示、8255A等進(jìn)行初始化工作。
3.2 LCD顯示子程序和鍵盤輸入子程序
在顯示程序中，完成顯示功能菜單的任務(wù)。菜單顯示的字符利用LCD顯示控制器HD61830的字符集中的資源，菜單為滾動(dòng)式，通過功能鍵可使光標(biāo)從上往下移動(dòng)，當(dāng)移至下一行時(shí)，屏幕開始滾動(dòng)顯示。利用軟件程序掃描8255A的PA和PC口得到按鍵的鍵值，函數(shù)返回鍵碼。
3.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序和D/A轉(zhuǎn)換子程序
A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀入采用查詢方式。通過查詢MAX191的BUSY端的信號(hào)來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果需要兩次讀取，然后拼接成12位的結(jié)果。如果為了使外部干擾的影響減小可采用軟件濾波。對(duì)于溫度信號(hào)一般來說是緩變的，可采用一階滯后濾波或中值平均濾波等。D/A轉(zhuǎn)換是直接將12位的數(shù)據(jù)送入MAX508的緩沖器即可實(shí)現(xiàn)數(shù)摸的轉(zhuǎn)換。
3.4 RS-232通訊子程序
通訊中將12位的數(shù)據(jù)分成兩次傳送，在計(jì)算機(jī)中采用VC++6.0中的一個(gè)通訊控件MS Communications Contro16.0來實(shí)現(xiàn)串口的通訊程序。在接收到測(cè)量數(shù)據(jù)后，可進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理與分析得到光纖傳感測(cè)溫儀的特性曲線將此曲線生成電壓－溫度表存入單片機(jī)程序中來計(jì)算出溫度。