基于单片机的宽范围高精度光纤传感测温仪的研制

2 系统的硬件设计

整个系统按照模块化的设计方法设计，使系统的整体结构更加完善，系统性能得以提高，方便调试、维修。

2.1 信号拾取单元

由于测量的温度范围广，只使用一个光电探测器不能适应整个范围内的信号检测。所以将温度范围一分为二，用两个探测器两条光路来实现信号的检测。两个通道的电路大体相似，但由于信号的强弱不同，在系统中所选用的运放不一样。其中低温段所使用的运放为 OPA129.OPA129是B_B公司的超低偏置电压运算放大器，低漂移、低噪声、高开环增益，适合于将光电转换信号放大。从热力学中玻耳兹曼定律可知，信号与温度的四次方成正比。在温度较低时信号很弱，采用 OPA129；而温度较高时则使用OP27运放。两路分别都有调零和调增益功能，两路信号输入到一个数字开关MAX4622。MAX4622是一个单刀双掷数字开关，它的导通电阻最大为5Ω。MAX4622的通道选通信号由程序根据当前温度的高低来控制。如图2所示。

2.2 模数转换单元

为了达到大范围、高精度地测量，不仅要精心设计信号拾取单元，而且在A/D转换部分也采用了可编程增益放大器PGA103和12位的A/D转换器 MAX191来实现信号的数字化。PGA103是一种通用的低温漂可编程增益放大器，它的增益分为三挡：X1、X10、X100，通过两个 CMOS/TTL兼容的输入端来选择，PGA103工作电压从±4.5V～±18V。系统中PGA103的增益选择端A0、A1分别接至8051单片机的 P10、P11端。为了防止在单片机上电时，P1口输出全为1，PGA103的增益为100可能会输出大于A/D转换器的输入界限，在PGA103的输入端加一保护二极管，以防止过冲电压损害PGA103。MAX191是MAXIM公司的一种12位、非线性误差为1/2LSB的CMOS模/数转换器，它的输入可为单极性或双极性，内建采样保持器，可调内部参考电压，采样速率为100kSPS，数据可以串行输出也可以8位并行输出，内部或外部采样时钟。它有三种工作模式：Slow-Memory模式、ROM模式、Serial-Interface模式。在本系统中选用ROM模式，即A/D转换后的数字量以8 位并行输出到单片机，单片机分两次读取12位的转换结果；0～5V，采用内部的振荡时钟，通过外接一个120pF的电容，正常情况下可产生1MHz的时钟。A/D转换结束后，通过8051查询MAX191的转换状态端来判断转换的结束与否，然后再通过两条读指令来读取12位的A/D转换结果，最后将两次读的8位数据拼接为12位的转换结果。