基于ispPAC和單片機的熱電偶實驗儀(MAX7219)

摘要：介紹了一種基于eda技術(shù)的熱電偶實驗裝置。本系統(tǒng)以isppac和單片機為核心電路，輔以高精度a/d轉(zhuǎn)換器件及l(fā)ed顯示器，實現(xiàn)對溫差電動勢的測量及數(shù)字顯示。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、集成度高、靈活性強、實驗成本低等特點。
關(guān)鍵詞：熱電偶,isppac，單片機，a/d轉(zhuǎn)換器
1.引言 在大學(xué)物理熱電偶實驗中，傳統(tǒng)的溫差電動勢的測量多采用補償法，溫度的測量使用水銀溫度計。整個實驗過程復(fù)雜、原理不直觀，儀器誤差較大。因其對電源要求高而常使用干電池或者穩(wěn)壓電源，從而導(dǎo)致實驗成本高。為了解決傳統(tǒng)實驗方法中存在的問題，筆者研制了一種基于isppac[1]和單片機的熱電偶實驗儀，該實驗儀放大電路采用在線系統(tǒng)可編程模擬器件isppac（in-system programmability programmable analog circuit），使用其開發(fā)軟件pac-designer在計算機中可進行重復(fù)的設(shè)計、修改與配置功能模塊；采用數(shù)字傳感器精確的測量溫度；利用高精度a/d轉(zhuǎn)換器件對結(jié)果進行數(shù)字化；利用單片機對整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與顯示。整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定、測量準(zhǔn)確、價格低廉。2 實驗系統(tǒng)的設(shè)計2.1系統(tǒng)組成 系統(tǒng)由如圖1所示的溫差電動勢測量模塊、cpu控制模塊、溫度測量模塊和led顯示模塊共四個模塊組成[2-5]。溫差電動勢經(jīng)過isppac可編程放大后被轉(zhuǎn)換成直流電壓，輸入到a/d轉(zhuǎn)換器進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過單片機控制電路送入led顯示，最終實現(xiàn)人機接口。2.2 溫差電動勢測量電路設(shè)計 本系統(tǒng)采用的在系統(tǒng)可編程模擬器件為美國lattice公司生產(chǎn)的芯片。它由4個可編程模擬信號處理電路模塊(pac block)，模擬信號布線區(qū)和在系統(tǒng)可編程接口電路等部分組成，器件用5v單電源供電。每個pac模塊由兩個差分輸入(differential inputs)儀表放大器(ia1和ia2)，1個反饋放大器iaf和1個差分輸出(differential outputs)求和放大器(oa1)所組成。其中儀表放大器的跨導(dǎo)增益可調(diào)（gm的變化范圍為2ua/v～20ua/v），電路輸出阻抗為109歐姆，共模抑制比為69db。 反饋放大器iaf增益固定，等于2ua/v。輸出放大器的反饋電容cf有多種電容值(1pf-62pf)可供選擇。溫差電動勢由ia1的vin+和vin-端輸入。pac模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖1系統(tǒng)框圖圖2pac模塊結(jié)構(gòu)圖圖中，信號從ia1輸入，輸入信號：vin=vin+ －vin- （1）輸出信號：vout=vout+ －vout- （2）而：ia=gm1×vin （3）
ib= (vout+ －va) ×scf （4）ic=gm3 ×vout （5） 因為處理的溫差電動勢為直流信號ib，實際等于零。由基爾霍夫電流定律及反饋放大器iaf輸入阻抗大的特點可得ia =ic，從而得pac模塊的傳遞函數(shù)為：vout=(gm1/gm3) ×vin （6） 將isppac10內(nèi)的4個pac模塊采用級連的方式構(gòu)成電路，可以得到增益為1～10000中任意數(shù)值的放大電路。此實驗儀所用的熱電偶由康銅和鐵兩種金屬組成，溫差100℃時輸出溫差電動勢約為2.38mv。為滿足a/d轉(zhuǎn)換器輸入滿度電壓取值應(yīng)小于5v的接口要求，將放大倍數(shù)設(shè)置為1000。 利用模擬可編程芯片開發(fā)系統(tǒng)pac-designer完成isppac10的編程和設(shè)計。將4個差分輸入(differential inputs)儀表放大器(ia1、 ia3、 ia5、 ia7)串聯(lián)連接,溫差電動勢從in1輸入，從out4輸出，電路連線如圖4。各儀表放大器的放大倍數(shù)依次設(shè)定為：10，10，10和1，即電壓信號被放大1000倍?？紤]到信號接入過程的誤差，在設(shè)定完參數(shù)后應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，并適當(dāng)調(diào)整放大倍數(shù)作為補償。圖3 isppac10內(nèi)部電路連接示意圖2.3 溫度測量電路及接口 本系統(tǒng)采用的溫度傳感器是dallas公司生產(chǎn)的一線式3引腳數(shù)字溫度傳感器ds18b20，溫度測量范圍為－10℃～＋125℃，測溫分辨率可達0.0625℃。被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源在本系統(tǒng)中由系統(tǒng)電源直接提供。單片機以一根端口線即p2.4與之通信。

2.4 單片機和a/d轉(zhuǎn)換器及顯示驅(qū)動的接口 單片機和a/d轉(zhuǎn)換器及顯示驅(qū)動的接口電路如圖4所示。單片機采用atmel公司的增強型芯片at89c51；a/d轉(zhuǎn)換器采用具有高分辨率、低漂移、價格低廉的∑﹣△結(jié)構(gòu)集成電路 ad7705；顯示驅(qū)動選用maxim公司的高集成化串行輸入/輸出的共陰極led顯示驅(qū)動器max7219 ，每片可驅(qū)動8位7段加小數(shù)點的共陰極數(shù)碼管。 被isppac10放大了的電動勢從圖3的out4輸出，從ad7705的差分輸入通道2的ain