货车轮毂温度测控系统设计.doc

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1、毕业论文(设计)题目名称： 货车轮毂温度测控系统设计 题目类型： 毕业设计 学生姓名： 刘芬 院 (系)： 机械工程学院 专业班级： 装备10901班 指导教师： 张善彪 辅导教师： 时 间： 2013.3 至 2013.6 货车轮毂温度测控系统设计学生：刘芬，过程装备与控制工程指导教师：张善彪，过程装备与控制工程摘要大型货车在丘陵地带或坡道上行驶时需频繁或长时间刹车，会造成刹车鼓（盘）、制动蹄温度骤升，轮毂温度聚增，在剧烈高温下最终会导致刹车失灵，以及温度过高至使轮胎气压过高而出现爆胎现象而造成安全事故，通过对国内外刹车过热问题采取的解决方法的研究,最好的解决方案是设计出了一套大型货车制动过

2、热自动控制系统装置,该系统由温度检测单元、液位检测单元、人机接口单元以及单片机控制单元等部分组成。该系统是以铂电阻PT100作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号的采集。另外，还设计了时钟电路模块，能实现对温度的实时测量。本设计采用了两线制铂电阻温度测量电路，通过对电路的设计，减小了测量电路及PT100自身的误差，使温控精度在0100范围内达到0.1。本文采用AT89S51单片机，TLC2543 A/D转换器，DS1302时钟芯片，AD620放大器，铂电阻PT100及6位数码管组成系统，编写了相应的软件程序,使其实现温度的实时显示。该系统点是

3、：使用简便；测量精确、稳定、可靠；测量范围大；使用对象广。主控芯片根据设定的温度条件输出控制信号,启动喷水设备对刹车系统降温;在手动方式下,也可以控制单片机启动喷水设备，降低刹车系统的温度。本课题对系统的硬件和软件进行分析说明，通过绘制相关的硬件连接图和软件流程图,建立系统软硬件模型，证明该系统可以实现对大型货车制动过热自动控制的功能。 关键词PT100，单片机，温度测量，DS1302Design Of The Temperature Self-control Of The Truck Skid SystemAbstractRequired frequent or prolonged brak

4、ing when large Vehicles with goods driving on hills or ramps ,it will cause the brake drum (disk) , brake shoe temperature leapt hub ,at the same time, it will increase the truck skid system in the high temperature , eventually ,the result willcause severe brake failure, and the high tire pressure t

5、emperature is too high to make the phenomenon appear flat tire and caused accidents, according to research the solutions of overheated brakes in abroad, the best way solution is designing a new set of device .the set of device with the temperature self-control of the truck skid system inclusions the

6、 temperature detection unit, the level detection unit,the man-machine interface unit and the MCU control unit and other components. The system is based on a PT100 platinum resistance as temperature sensor, using the constant-current temperature method, through the single-chip microcomputer control,

7、amplifier, A/D converter, temperature signal acquisition. In addition, also designed the clock circuit module, can realize the real-time measurement of temperature. This design adopts two wire platinum resistance temperature measurement circuit, the design of circuit, reduces the error of the measur

8、ement circuit and its PT100, the precision of temperature is 0 100 reach 0.1 . This paper uses the AT89S51 microcontroller, TLC2543 A/D converter, DS1302 clock chip, AD620 amplifier, platinum resistance PT100 and the 6 digital tube system, compiled the corresponding software program, so as to realiz

9、e the real-time display of temperature. The system is simple: use; measurement accuracy, stability, reliability; measurement range; widely used object.The main chip export the output control signal according to the main chip set temperature, to start to spraying equipment to cool the braking system;

10、 in the manual mode, you can start spraying equipment to reduce the temperature of the truck skid system. The topic of the device need hardware and software analysis ,it need establish the system hardware and software model by drawing the relevant hardware connection diagram and software flow chart

11、, in order to prove that the device can realize the function of reducing the temperature of the truck skid system. Keywords: PT100 MCU temperature measurement DS1302目 录毕业论文（设计）任务书 开题报告指导教师审查意见评阅教师评语答辩会议记录中文摘要外文摘要1 绪论5 1.1研究背景及意义5 1.2国内外研究现状6 1.3研究内容62 温度测控系统设计方案7 2.1温度测控系统的结构7 2.2温度控制器功能设计10 2.3执行机构

12、113 电路硬件设计12 3.1PT100温度传感器特性和测温原理12 3.2恒流源电路13 3.3放大电路的设计14 3.4A/D转换器的选择与设计电路16 3.5DS1302时钟电路设计18 3.6单片机控制电路20 3.7按键和显示电路24 3.8其他设备的选用254 电路软件设计28 4.1系统的软件程序流程图29 4.2功能分析跟算法的选用335 实验方案34 5.1实验室模拟36 5.2现场模拟376 结论38参考文献39致谢40附录411 绪论1.1 研究背景及意义随着交通运输业的发展，大型货车已成为这一行业中必不可缺的交通运输工具。由于路况以及车辆自身的问题，在长途运输时，往往

13、需频繁使用刹车系统，因此，在整个运输过程中，刹车系统常常工作于高温环境中，很容易造成以下问题：在高温环境中，刹车系统的各工作部件易发生氧化，会减少刹车系统的使用寿命，甚至可能导致刹车失灵，造成安全事故。为此，国外多采用为车辆安装辅助制动装置的方法，能较好地提高制动效果，但由于我国道路地形复杂，该装置的实际使用效果并不是很理想，另外常用的方法是采用改良刹车片的材料，虽然效果较好，但材料研制复杂、成本较高，使用并不普遍。目前，国内很多驾驶员为了降低运输成本，都会在车上安装一个高位水箱，利用其高位产生的压力将其传送到刹车毂上，从而冷却车毂，但是在行车过程中司机要根椐当时的具体情况来控制水箱开关，而水

14、箱的高度有限，压力太小，时常会出现喷嘴堵塞现象，或利用刹车本身的气压来实现刹车淋水冷却，这种方式对水箱等配件的密封性能和受压能力要求高，容易损坏水箱等配件，为了更好地解决大型货车制动安全问题，保持刹车系统性能稳定，本课题设计了一种大型货车制动过热自动控制系统。该系统是以铂电阻PT100作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号的采集。另外，还设计了时钟电路模块，能实现对温度的实时测量。本设计采用了两线制铂电阻温度测量电路，通过对电路的设计，减小了测量电路及PT100自身的误差，使温控精度在0100范围内达到0.1。本文采用AT89S51单片机，T

15、LC2543A/D转换器，DS1302时钟芯片，AD620放大器，铂电阻PT100及6位数码管组成系统，编写了相应的软件程序，使其实现温度的实时显示。该系统优点是：使用简便；测量精确、稳定、可靠；测量范围大；使用对象广。主控芯片根据设定的温度条件输出控制信号，启动喷水设备对刹车系统降温；在手动方式下，也可以控制主控芯片启动喷水设备，降低刹车系统的温度。使用该系统，既可减缓刹车系统工作零件因温度过高而加速氧化的问题，增加刹车系统的使用寿命，还能减少因热衰退现象而造成的车辆行驶安全隐患，保持刹车系统性能稳定，提高行驶的安全性。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外温度测控系统研究国外对温度控制技术

16、研究得比较早，开始于20世纪70年代左右，先是采用模拟式的组合仪表，采集现场的信息并进行指示、记录和控制等，80年代末出现了分布式的控制系统，目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术发展十分迅猛，一些国家在所实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。1.2.2 国内温度测控系统研究 我国对于温度测控技术的研究较晚一些，开始与20世纪80年代左右。我国的工程技术人员在吸收和借鉴发达国家温度测控技术的基础上，掌握了温度室内微机控制技术，不过该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制的方面。我国在温度测控设施计算机方面的应用，总体上正在从消化吸收

17、、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制单参数单回路的系统居多，目前还没有真正意义上所讲的多参数综合控制系统，与发达国家相比，我国的温度控制系统方面仍然存在着比较大的差距。我国的温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然存在着种种问题，存在着装备配套能力差，产业化的程度地，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。随着科技的发展和全球化的经济日益趋于整体化，以单片机为核心的控制温度的系统必将成为单片机发展的整体趋势。在不久的未来，艺考着单片机控制温度所带来的便捷将充斥着日常生活的各个方面，而且在工业化方面也将体现出单片机控制温度系统所

18、带来的益处。1.3 研究内容车辆在丘陵地带或坡道上行驶时频繁或长时间刹车，这会造成刹车鼓（盘）、制动蹄温度骤升（尤其是大型货车），轮毂温度聚增，严重发热，在剧烈高温下最终会导致刹车失灵，以及温度过高至使轮胎气压过高而出现爆胎现象而产生安全事故，那么如何才能有效的避免制动过热现象呢？那就要有一套设备能有效解决制动过热问题，本课题就是设计了一种大型货车制动过热自动控制系统装置。该系统是以铂电阻PT100作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号的采集。另外，还设计了时钟电路模块，能实现对温度的实时测量。本设计采用了两线制铂电阻温度测量电路，通过对电路

19、的设计，减小了测量电路及PT100自身的误差，使温控精度在0100范围内达到0.1。本文采用AT89S51单片机，TLC2543 A/D转换器，DS1302时钟芯片，AD620放大器，铂电阻PT100及6位数码管组成系统，编写了相应的软件程序，使其实现温度的实时显示。该系统点是：使用简便；测量精确、稳定、可靠；测量范围大；使用对象广。主控芯片根据设定的温度条件输出控制信号，启动喷水设备对刹车系统降温；在手动方式下，也可以控制单片机启动喷水设备，降低刹车系统的温度。2 温度测控系统设计方案2.1 温度测控系统的结构执行机构轮毂温度传感器控制器 水箱 图1 温度测控系统的组成框2.1.1 温度传感

20、器安装位置 温度传感器的安装对设计装置的控制精度和它本身的使用寿命匀有很大的影响，那怎么去解决这个问题，下面就介绍一下影响温度传感器使用寿命的几个因素：1使用温度传感器的温度的不能高与它本身的使用范围，而且必须对它的温度有留有一定的温度空间。2要使测出的温度能如实反映要测的温度。3防止静电产生，尽可能与电热部分绝缘。4要保持输出端的清洁干净，避免发生短路、断路、生锈，接触不良的现象。很多车辆同时使用盘式制动器和鼓式制动器，盘式制动器多用于前轮上，而鼓式制动器用于后轮，盘式制动器摩擦力由制动片产生，这些制动片被挤压和夹紧到制动盘上，制动盘安装在车轮上。制动盘为铸造件，对它的两侧进行机加工。制动片

21、附在金属板上，金属板由液压系统中的活塞推动。对两种不同的制动器，可采取不同的安装方法，以利于传感器的测量精度和使用寿命。盘式制动系统的活塞安装在制动钳里或固定在制动钳上，制动钳不转动，因为它与车辆底盘相连接。制动钳由液压活塞、缸体、密封圈、弹簧以及用来产生活塞与制动片推动力的液压油通道。制动片垂直作用于转动的制动盘上。考虑到如果将PT100传感器安装在制动片或制动钳上，喷头喷水会使温度传感器检测失误，并且工作环境恶劣，暴露在空气中，所以最好将其安装在轮毂内，如转速传感器那样安装。2.1.2 温度传感器的选择 大型货车行驶时频繁或长时间刹车会导致轮毂发热，温度可以高达300，所以本课题中的主要技

22、术指标：1.测温范围，-200650摄氏度；2.测温精度，0.1摄氏度。 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电

23、阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如PT100、PT1000等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如PT100该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年也比较流行的I2C总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但

24、这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55+125，而且温度的测量精度都不高，好的才0.5，一般有2左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测

25、温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。由于本设计的任务是要求测量的范围为0300，测量的分辨率为0.1，综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器，具体的型号为WZP型铂电阻，该传感器的测温范围从200650。温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。 方案一：采用模拟分立元件 如电容、电感或晶体管等非线形元件，

26、该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。 方案二：采用温度传感器 通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统，最后经过LED显示温度。 热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方便，测量范围为-200650，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度是最高的，所以我们设计最终选择铂电阻PT100作为传感器。该方案采用热电阻PT100做为温度传感器、AD620作为信号放大器，TLC2543作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围

27、、高精度的特点。相对与方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。在这里我选用方案二完成本次设计。2.2 温度控制器功能设计 遥控发射接收装置控制大型货车制动过热自动控制系统的开启或关闭，有自动和手动两种工作模式；自动方式下，PT100温度传感器通过感应当前刹车毂或止动蹄上的温度，对刹车系统温度进行实时监测，温度信号输入到主控芯片(AT89C51单片机)，主控芯片根据设定的温度条件输出控制信号，启动喷水设备对刹车系统降温；在手动方式下，也可以控制单片机启动喷水设备，降低刹车系统的温度。1）有遥控功能，有手动和自动两种工作模式。2）在自动模式下，行驶或者制动过程中，温度传感器感应到温度，

28、当温度大于80度小于120度时，大型货车制动过热自动控制系统就会自动打开一个电磁阀并且水泵吸水，通过喷头喷水冷却刹车毂；当大于120度小于150度时，大型货车制动过热自动控制系统就会自动打开两个电磁阀，水泵吸水，通过喷头喷水冷却刹车毂； 大于150度时，大型货车制动过热自动控制系统就会自动打开三个电磁阀，水泵吸水，通过喷头喷水冷却刹车毂，并且系统就会自动报警，驾驶者可采取措施。 3）对各个车轮的温度实时检测，二极管绿灯亮表示车轮温度到达80度，二极管黄灯亮表示车轮温度在120度至150度之间，闪烁二极管发光表示车轮温度大于150度，由此提醒驾驶者。4）在手动模式下，通过对各个车轮温度的实时检测

29、，可以对单个车轮的喷水设施进行控制，以解决转向刹车时单个车轮温度过高的问题。5）当水箱中的水用完，位置传感器检测到，系统就会自动报警，制动过热自动控制系统停止工作。2.3 执行机构本系统主要包括4个功能单元：温度检测单元、液位检测单元、人机接口单元以及单片机控制单元，各个单元之间的联系如图2所示。图2 系统框图该系统包含由AT89C51单片机，蜂鸣器，电磁阀，PT100温度传感器，2262，2272遥控发射接收装置，圆柱电容开关式传感器，由3组加了阀门的导管，12个喷水量相同的喷头，4个12V水泵，2262，2272遥控发射接收单元，发光二极管，普通二极管，电源单元组成。实际使用中，将本系统与

30、普通的喷淋设备组合，即可实现刹车系统温度的自动控制。当系统工作时， 利用12 V 车辆电源，通过LM7805芯片稳压至5 V后供电。系统支持温度多点测量，每隔1 s对刹车系统温度进行检测，当温度超过设定界限值时，由单片机发出控制信号，启动喷淋设备，对刹车系统进行点射式喷水降温。同时，该系统也提供了简易的水箱液位检测功能，当水箱缺水时，自动发出报警。该制动过热自动控制有遥控功能，有手动自动模式，根据感应温度自动洒水，水箱水位过低自动报警并自动切断电源功能，对各个车轮温度实时监控等功能。本系统在实际使用方便，无需由使用者进行复杂的初始化，并且系统还提供了一个基本的人机接口单元，使用者通过该单元,可

31、进行遥控控制。 3 电路硬件设计 系统的工作原理：测温的模拟电路是把当前PT100热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，经过放大器放大信号后送给A/D转换器把模拟电压转为数字信号后传给单片机AT89S51，单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到数码管进行显示。另外，外接一个时钟芯片DS1302产生时钟信号送入到单片机中进行处理控制，并将时间显示出来，以实现温度的实时监控。本设计系统主要包括温度信号采集单元，时间信号采集单元，单片机数据处理单元，时间、温度显示单元。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样）、放大电路、A

32、/D转换电路。系统的总结构框图如图3所示。信号放大调理电路PT100温度传感器A/D转换电路时钟电路按键控制电路AT89S51单片机LED数码管显示电路图3 系统的总结构框图3.1 PT100传感器特性和测温原理 电阻式温度传感器(RTD，Resistance Temperature Detector)是指一种物质材料作成的电阻，它会随温度的改变而改变电阻值。PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：在0650范围内：Rt =R0 (1+At+Bt2)在-2000范围内：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-10

33、0)t3)式中A、B、C 为常数，A=3.9684710-3；B=-5.84710-7；C=-4.2210-12；由于它的电阻温度关系的线性度非常好，因此在测量较小范围内其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+T) 其中=0.00392，Ro为100(在0的电阻值)，T为华氏温度，因此铂做成的电阻式温度传感器，又称为PT100。PT100温度传感器的测量范围广：-200+650，偏差小，响应时间短，还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其得到了广泛的应用，本设计即采用PT100作为温度传感器。主要技术指标：1. 测温范围：-200650摄氏度；2. 测温精度：0.1摄氏度；3.

34、稳定性：0.1摄氏度Pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。采用Pt100 测量温度一般有两种方案：方案一：设计一个恒流源通过Pt100 热电阻，通过检测Pt100 上电压的变化来换算出温度。方案二：采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用Pt100 热电阻，当Pt100电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。两种方案的区别只在于信号获取电路的不同，其原理上基本一致。3.2 恒流源电路 从上述关于PT100传感器测温原理可知，由PT1

35、00构成信号的获取电路常用的方法有2种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统中，考虑成本的问题，一般采用单臂桥；还有一种是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。A图 单臂桥式 B图 恒流源式图4 两种信号获取的结构电路根据测试技术的有关知识，图4中的A图的输出与电阻的阻值不是个正比的关系，因而数据处理起来特别麻烦，尤其是用单片机来处理这些非线性的问题；而图B的由于恒流源的作用，使得电压输出与电阻成良好的线性关系，因此，本系统采用恒流源电路来获取温度信号。恒流源电路的设计，有用三极管构成的，有用专门的恒流管，也有用价格低廉的器件通过比较巧妙的设计

36、构成的，本系统是采用价格低廉的运放为核心来构成的，恒流效果十分理想，系统设计的恒流源电路见下图5所示。 图5 由运放构成的恒流源电路 上图中，由于运放虚地的结果，造成OP-07的反相输入端为0V，而图中1.5K电阻的下端由于运用精密的电压源LM336-2.5，外加调整电路，该点电压可调整为2.500V，而由于运放的输入阻抗极高，输入端可以认为不吸入电流，因此从1.5K电阻上流过的电流大小固定而且一定等于OP-07输出端流入温度传感器PT100的电流，从而达到恒流的效果，连接PT100两端的压差正好反映温度变化的信号送入后级的放大器。这里值得注意的是恒流效果的好坏与下面几个因素有关，图示1.5K

37、电阻的精度及温度稳定性要好，我们采用的是高精度高稳定的电阻；还有是一定要选择输入阻抗高的运放，包括产生虚地处的运放（图中OP-07）和后级的放大器（图中的AD620），否则较大的输入电流也将直接影响恒流的效果；最后一点是参考电压（图中是2.5V）的稳定性要高，这里的参考电压采用是LM336-2.5V作为参考电压基准。3.3 放大电路的设计 放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据查阅的相关资料，在放大器电路精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构，如下图7所示，三运放中由A1、A2构成前级对称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，

38、在这个结构图中，要保证放大器高的性能，参数的对称性与一致性显得尤为重要，不仅包括外围的电阻元件R1与R2、R3与R4、R5与R6，还包括A1与A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器对器件要求相当高。随着微电子技术的发展，市场上出现了专用的高性能的仪用放大器，它的内部核心结构还是三运放，但是，采用微电子来解决刚才的参数匹配问题已不是什么复杂的问题。 图6 三运放结构的高性能放大器原理图 随着近年来微电子技术的发展，市面上出现了不少专用的高性能的芯片，AD620、AD623就是具有上述描述的三运放结构，在本设计中我们根据手中的元器件材料最终选择了AD620作为放大器电路的首级放大。AD62

39、0是低价格、低功耗仪用放大器，它只需要一只外部电阻就可设置11000倍的放大增益，它具有较低的输入偏置电流、较快的建立时间和较高的精度，特别适合于精确的数据采集系统，如称重和传感器接口，也非常适合医疗仪器的应用系统（如ECG检测和血压监视）、多路转换器及干电池供电的前置放大器使用。AD620的内部结构是由OP-07组成的三运放结构，性能大大优于自制的三运放IC电路设计，其基本接法是在1脚与8脚之间外接一RG电阻，增益由式G=1+49.4K/RG确定，由于它的外围电路十分简单，所以它在本系统中的应用见下图8所示。由于我们的温度测量范围是0300，而此时的温度传感器的电阻值根据分度表为100欧姆1

40、38.51欧姆，由于我们设计的恒流源为5/3毫安，因此AD620的输入端为166.7毫伏，假设考虑我们的TLC2543的最大输入为5.000V，我们设计的放大器的增益在尽量保证分辨率的条件下，则为20倍，假设我们只用一个AD620，则AD620的输出为2V5V(TLC只能转换5V)，这样12位的A/D转换器的分辨率则大于题目的要求0.1，因此，我们必须将100欧姆以下的值通过偏置的方法将其减掉，然后通过增加放大倍数来尽量提高分辨率，这里我们设计的偏置电路同样见下图2-4所示。这里设计的首级放大器的倍数是20倍，而后级放大则为4倍，合计的放大倍数为80倍，这样就完全满足设计分辨率的要求。 图7

41、放大电路3.4 A/D转换器的选择与设计电路 在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，通常需要用计算机对这些信号进行处理，则需要将其转换成数字量，A/D转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成计算机能接受的数字量。根据A/D转换器的工作原理，常用的A/D转换器可分为两种，双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。3.4.1 双积分A/D转换器工作原理双积分A/D转换器采用间接测量的方法，它将被测电压转换成时间常数T，双积分A/D转换器由电子开关，积分器，比较器，计数器和控制逻辑等部分组成。所谓双积分就是进行一次A/D转换需要两次积分。电路先对被测的输入电压Vx进行固定时间(T0)的正向积分

42、，然后控制逻辑将积分器的输入端通过电子开关接参考电压Vr，由于参考电压与输入电压反向且参考电压值是恒定的，所以反向积分的斜率是固定的，从反向积分开始到结束，对参考电压进行反向积分的时间T,正比于输入电压。输入电压越大反向积分时间越长，用高频标准脉冲计数测此时间，即可得到相应于输入电压的数字量。特点：可以有效的消除干扰和电源噪声，转换精度高，但是转换速度慢。3.4.2 逐次逼近型A/D转换器工作原理 逐次逼近型A/D转换器由D/A转换环节，比较环节和控制逻辑等几部分组成。其转换原理为：A/D转换器将一待转换的模拟输入电压Ui与一个预先设定的电压Ui（预定的电压由逐次逼近型A/D转换器中的D/A输

43、出获得）电压相比较，根据预设的电压Ui是大于还是小于待转换成的模拟输入电压Uin来决定当前转换的数字量是“0” 还是“1”，据此逐位比较，以便使转换结果（相应的数字量）逐渐与模拟输入电压相对应的数字量接近。 在本设计系统中，为了将模拟量温度转换成数字量，采用德州仪器公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器TLC2543，它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。TLC2543与外围电路的连线简单，三个控制输入端为CS(片选)、输入/输出时钟(I/OCLOCK)以及串行数据输入端(DATAINPUT)。片内的14通道多路

44、器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个，采样保持是自动的，转换结束，EOC输出变高。3.4.3 TLC2543的主要特性(1) 11个模拟输入通道； (2) 66ksps的采样速率； (3) 最大转换时间为10s； (4) SPI串行接口； (5) 线性度误差最大为1LSB； (6) 低供电电流(1mA典型值)； (7) 掉电模式电流为4A。TLC2543的引脚排列如图8所示。 图8 TLC2543的引脚AIN0AIN10：模拟输入端，由内部多路器选择。对4.1MHz的I/OCLOCK，驱动源阻抗必须小于或等于50。CS：片选端，CS由高到低变化将复位内部计数器，并控制和

45、使能DATAOUT、DATAINPUT和I/OCLOCK。CS由低到高的变化将在一个设置时间内禁止DATAINPUT和I/OCLOCK。DATAINPUT：串行数据输入端，串行数据以MSB为前导并在I/OCLOCK的前4个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压，之后I/OCLOCK将余下的几位依次输入。DATAOUT：A/D转换结果三态输出端，在CS为高时，该引脚处于高阻状态；当CS为低时，该引脚由前一次转换结果的MSB值置成相应的逻辑电平。EOC：转换结束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输。VCC、GND

46、：电源正端、地。REF、RFE：正、负基准电压端。通常REF接VCC，REF接GND。最大输入电压范围取决于两端电压差。I/OCLOCK：时钟输入/输出端。TLC2543每次转换和数据传送使用16个时钟周期，且在每次传送周期之间插入CS的时序。根据TLC2543时序图可以看出，在TLC2543的CS变低时开始转换和传送过程，I/OCLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATAOUT端，在I/OCLOCK下降沿时数据变化。当CS为高时，I/OCLOCK和DATAINPUT被禁止，DATAOUT为高阻态。TLC2543与单片机的连接如图9所示。A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10A911A1012R-13R+14/CS15DO16DI17CLOK18EO