基于ADuC847系統(tǒng)級(jí)芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)顯溫度壓力測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、概述

隨著數(shù)字化技術(shù)的深入發(fā)展，現(xiàn)今用的諸多測(cè)量設(shè)備已摒棄了陳舊的模擬指針儀表技術(shù)，向數(shù)字化過渡。尤其在腐蝕、振動(dòng)場(chǎng)所及真空、微壓等測(cè)量中，傳統(tǒng)壓力溫度表精度低、損壞率高、不適宜長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)戎T多缺點(diǎn)，使得數(shù)字化技術(shù)的需求變得迫切。典型的例子就有測(cè)量電壓電流、流量、溫度、壓力等各類儀表。目前有關(guān)溫度壓力測(cè)量的數(shù)字儀表已經(jīng)不再新鮮，但是如何設(shè)計(jì)使其達(dá)到理想的精度還值得推敲。本設(shè)計(jì)中采用電壓/電流源計(jì)算中抵消方法降低了電壓/電流源本身的誤差，提高了設(shè)計(jì)精度。設(shè)計(jì)的數(shù)顯壓力溫度表是現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量?jī)x表，它采用電池（3.3V）長(zhǎng)期供電方式，無需外接電源，安裝方便。本設(shè)計(jì)的數(shù)顯溫度壓力測(cè)量根據(jù)不同的傳感器有不同的測(cè)量范圍。調(diào)試實(shí)驗(yàn)中溫度測(cè)量范圍是零下20℃-105℃，壓力測(cè)量范圍是0PA—30MPA。

美國(guó)模擬器件公司（ADI）發(fā)布的MicroConverter數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）——ADuC847。 該系統(tǒng)級(jí)芯片在一顆單芯片內(nèi)帶有24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和10個(gè)單端輸入通道（或5個(gè)完全差分輸入通道）多路復(fù)用器，集成了ADI公司精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、可編程微控制器（MCU）和閃速存儲(chǔ)器。這種高精密模擬技術(shù)集成一個(gè)高速微控制器內(nèi)核，即嵌入了一個(gè)快速可編程的8位單指令周期的8052閃存MCU。這種器件消除了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，同時(shí)又保持了極低噪聲，這對(duì)于精密儀器儀表應(yīng)用來說非常關(guān)鍵，非常適合工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用中要求精確測(cè)量寬動(dòng)態(tài)范圍低頻信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合，例如智能傳感器、溫度與壓力傳感器、4～20mA控制環(huán)路和病人監(jiān)護(hù)。

2、ADuC847芯片管腳及功能模塊的介紹

下面先將ADuC847的部分管角及芯片結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)要介紹：

如下圖（1）中：

AIN0~AIN9：十個(gè)模擬輸入通道，輸入電壓可以選擇單極性或者雙極性（差分）方式；

Iexc1和Iexc2：驅(qū)動(dòng)電流輸出，可以作為恒流源用于溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)上；

REFIN—、REFIN＋和REFIN2—、REFIN＋是外部參考差分電壓輸入端；

PWM0/PWM1：脈寬調(diào)制波形輸出端；

PWMCLK：外部PWM時(shí)鐘信號(hào)輸入端；

P0.0-P0.7：雙向I/O口；

P2.0-P2.7，P3.0-P3.7：內(nèi)部接有上拉電阻的雙向口；

RxD/TxD：UART串口收發(fā)端；

INT0/INT1：外部中斷輸入口，也可以作為Timeo/Time1的門控輸入口；

T0/T1：Timer/Counter0和Timer/Counter1的外部輸入；

SCLK （I2C）、SDATA：I2C接口的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)口；

WR、RD：P0口外部存儲(chǔ)器的讀寫控制；

（1） ADuC847的管腳結(jié)構(gòu)

功能模塊包含一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)位于ADC之前以便直接測(cè)量低幅度信號(hào)的可編程增益放大器（PGA）、一個(gè)12位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、兩個(gè)靈活的脈寬調(diào)制（PWM）輸出、兩個(gè)電流源、一個(gè)基準(zhǔn)電壓源、一個(gè)從32kHz晶振產(chǎn)生12.58MHz時(shí)鐘的振蕩器與鎖相環(huán)（PLL）以及UART、SPI和I2C通信端口。

3、 溫度及壓力的測(cè)量電路設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)包括溫度測(cè)量和壓力測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分，溫度測(cè)量采用熱電阻PT100作傳感器，壓力測(cè)量則采用壓力應(yīng)變橋進(jìn)行設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)基于ADuC847芯片的應(yīng)用，下面圖（2）、圖（3）原理圖即為ADuC847應(yīng)用的部分外圍電路。

溫度測(cè)量計(jì)算方法

Iexc為ADuC847輸出驅(qū)動(dòng)電流（選200/400uA），Re+和RE-構(gòu)成外部參考電壓差分輸入Vref；AN5-AN6兩端為熱敏電阻產(chǎn)生的電壓差：Vin，并經(jīng)過放大G倍后送如ADC轉(zhuǎn)換。ADC的代碼為：

其實(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)很好理解，這里將熱敏電阻的測(cè)量變成了和標(biāo)準(zhǔn)電阻Rref的比值的測(cè)量。當(dāng)ADCnorm=1時(shí)，即R兩端的信號(hào)經(jīng)放大后等于標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓。由于參考電壓在AD847中有1.024的放大，所以這里4倍的放大就變成了4/1.024（3.90625）倍的放大，也既是當(dāng)ADCnorm=1時(shí)，有3.90625R=5600， R=1433.60 ohm， 該值就是P_scale0.

將PT100帶入相應(yīng)的計(jì)算公式或查表，求出PT100當(dāng)前值對(duì)應(yīng)的溫度T。

如果不考慮非線性影響，可以直接利用線性近似來直接求出溫度T。比如鉑電阻可以這樣處理。但是熱敏電阻不可以這樣處理。

PT100的溫度特性如下：

?

4、 結(jié)束語

數(shù)顯壓力溫度表技術(shù)先進(jìn)，性能卓越，能使您摒棄傳統(tǒng)壓力溫度表的諸多弊端，快步進(jìn)入電子數(shù)字化時(shí)代，方便并且精確，應(yīng)用范圍廣泛。此類產(chǎn)品已在石油、化工、電力等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

該測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)是：

● 大屏幕：大屏幕LCD顯示，讀數(shù)直觀清晰。

● 高精度：采用先進(jìn)的微處理器技術(shù)，選用ADuC24位高轉(zhuǎn)換精度芯片，加上設(shè)計(jì)電路的中接的芯片內(nèi)部恒流源，降低了誤差，使該儀表精度高，性能穩(wěn)定。

● 低功耗：超低功耗設(shè)計(jì)，僅需3.3V電池，使用方便。

● 防腐蝕：選用抗腐蝕陶瓷側(cè)壓芯片，整體全不銹鋼密封防水、防濺設(shè)計(jì)，適應(yīng)諸多腐蝕性介質(zhì)及環(huán)境。

● 耐振動(dòng)：電子器件采用貼片焊接工藝，整體緊固組裝，在強(qiáng)振動(dòng)場(chǎng)所能夠正常使用。

● 壽命長(zhǎng)：高質(zhì)量的進(jìn)口原裝芯片，超強(qiáng)的過載及抗沖擊能力，正常使用壽命長(zhǎng)是傳統(tǒng)壓力溫度表的幾倍、幾十倍。

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