2.2.2 温度信号获取与放大电路
本设计要检测温度范围0℃～400℃，可选用的常用温度传感器有集成温度传感器、热电偶、热电阻等。
集成温度传感器（如AD590、DS1820等）使用方便，信号易于调理，但它们的测温范围普遍窄，一般在200℃以下，不能满足要求。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，其优点是测量精度高、测量范围广，常用的热电偶从-50℃至+1600℃均可连续测量。但需采用电路或软件设计等修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响，使用不便。
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-200℃～600℃，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度是最高的，所以我们最终选择铂电阻PT100作为传感器。
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。所以通常将其放在电桥桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器AD620的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。电路原理图如图3所示。
图2-3 热电阻测温电路原理图
对信号放大，我们使用了低价格、高精度的仪器放大器AD620，它运用方便，可以通过外接电阻方便的进行各种增益（1-1000）的调整。其增益计算公式为：
49.4k?A?1?
R
温度值计算过程：
由于A/D检测到的模拟电压值
U?(RTR2?)?2?A
RT?R1R2?R3RT?1?At?Bt2 R3计算可到的RT值，然后利用如下公式求出温度值：
11
?10?7，B??5.847?10 其中 A?3.096847?3实际测量中，为提高测量精度，我们分两挡进行测量，当温度处于0℃～210℃时，继电器
J2所在桥臂电阻为R32，继电器J1选择AD620的反馈电阻R5，温度处于195℃～400℃时，控制继电器J2将电阻R31串接上，并相应控制继电器J1选择R6作为AD620的反馈电阻，在切换桥臂电阻时同步改变放大倍数，从而达到自动改变量程、提高测量精度的目的。
2.3 模数转换单元
2.3.1 12位串行A/D转换器MAX187
MAX187是美信公司推出的12位A/D转换芯片，内部含有采样/保持电路，单5V操作电源，转换速度为8.5μs，具有片上4.096 V参考电压，模拟量输入范围为0～VBEF。三线串行接口，兼容SPI，QSPI，MicroWire总线。
1. MAX187的引脚功能说明
MAX187有8脚DIP封装和16脚SO封装2种，图1给出DIP封装的引脚排列。表1是引脚功能说明。
图2-4 MAX187引脚图
2. MAX187操作时序
用采样/保持电路和逐位比较寄存器将输入的模拟信号转换为12位的数字信号，其采样/保持电路不需要外接电容。MAX187有2种操作模式：正常模式和休眠模式，将SHDN置为低电平进入休眠模式，这时的电流消耗降到10μA以下。SHDN置为高电平或悬空进入正常操作模式。
表2-1 MAX187 引脚功能表 引脚 1 2 3 4 5 6 7 8 名称 Vcc AIN SHDN REF GND DOUT CS SCLK 功能 +5V电源 模拟量输入，范围0-Vref 操作模式选择，低电平休眠模式 参考电压 地 数据输出 片选端 时钟，最高为5MHz
完整的操作时序如图2所示。使用内参考时，在电源开启后，经过20 ms后参考引脚的4.7μF
12
电容充电完成，可进行正常的转换操作。A/D转换的工作过程是：当CS为低电平时，在下降沿MAX187的T/H电路进入保持状态，并开始转换，8.5μs后DOUT输出为高电平作为转换完成标志。这时可在SCLK端输入一串脉冲将结果从DOUT端移出，读入单片机中处理。数据读取完成后将CS置为高电平。要注意的是：在CS置为低电平启动A/D转换后，检测到DOUT有效（或者延时8.5μs以上），才能发SCLK移位脉冲读数据，SCLK至少为13个。发完脉冲后应将CS置为高电平。
图2-5 MAX187时序图
2.3.2 模数转换单元电路的设计
A/D转换的好与坏直接关系到整个系统的精确度。
由于本系统测量的是温度信号，响应时间长，滞后大，不要求快速转换，因此选用12位串行AD——MAX187。MAX187具有12位的分辨力，其基准电压为4.096V，故最小分辨电压为
4.096?0.001V 212能分辨的最小温度变化为
400?0.001v?0.0976?C 122能达到设计的基本要求。为进一步提高精度，可以直接采用16位AD转换器，也可以采用过采样和求均值技术来提高测量分辨率。本系统采用了后一种方法。
所谓过采样技术是指以高于奈奎斯特频率的采样频率进行采样，也就是说当ADC以高于系统所需采样频率fs的速率对信号采样时，能增加有效位数。每增加一位分辨率，信号必须被以4倍的速率过采样，即
fos?4w?fs
其中w——希望增加的分辨率位数； fs——初始采样频率要求； fos——过采样频率。
13
图2-6 模数转换电路
假设每秒钟输出一个温度值（1Hz）。为了将测量分辨率增加到16位，按下式计算过采样频率，即：
fos?44?1(Hz)?256Hz
因此，如果以fs=256Hz的采样频率对温度信号进行采样，则将在所要求的采样周期内采集到足够的样本，对这些样本求均值便可得到16位的输出数据。为此，先累加（将256个连续样本加在一起），然后将总和除以16。这样得到的结果便是16位的有效数据，增加了4位有效数据。
用过采样和求均值技术后，新的AD分辨率计算如下： 最小分辨电压为
4.096?0.625mV 162这样，可以测量的最小温度变化为
400?0.0000625V?0.0061?C 216在采用过采样和求均值技术的情况下，用同一个12位ADC可以测量的最小温度变化为0.0061℃，就允许了以高于0.01℃的精度对温度进行测量。
另外，为了减小工频信号引起的误差，我们设计了在40ms（20ms的两倍）时间内采样，然后再取平均值，将工频信号误差滤除。
2.4 通信模块设计
2.4.1 RS-485接口简介
在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。
RS-485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求如下： （1）接收器的输入电阻RIN大于等于12kΩ （2）驱动器能输出±7V的共模电压
（3）输入端的电容小于等于50pF
（4）在节点数为32个，配置了120Ω的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V （5）接收器的输入灵敏度为200mV
14
因为RS-485的远距离、多节点（32个）以及传输线成本低的特性，使得EIA RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。
RS-485串行接口的电气标准实际上是RS-422的变型，它属于七层OSI（Open System
Interconnection，开放系统互连）模型物理层的协议标准。由于性能优异、结构简单、组网容易，RS-485总线标准得到了越来越广泛的应 用。其互连方式如图2-8所示。
图2-7 RS-485互连方式图
RS -485采用平衡发送和差分接收方式来实现通信：在发送端TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原 成TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传输速率和最大传输距离也大 大提高。如果以10Kbps速率传输数据时传输距离可达12m，而用100Kbps时传输距离可达1.2km。如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。 另外RS-485实现了多点互连，最多可达32台驱动器和32接收器，非常便于多器件的连接。不仅可以实现半双工通信，而且可以实现全双工通信。
2.4.2 电路设计
由于单片机串行口输出的是TTL电平，要想实现多机通讯，必须要将其转换成常用的串行通信总线标准接口电平，如RS-232或RS-485。
其中RS-232适于短距离或带调制解调器的通信场合，其逻辑电平与TTL、MOS逻辑电平完全不同，需要用MAX232驱动芯片进行电平转换。其主要缺点是数据传输速率慢、传送距离短（不超过30m），抗干扰能力差，不能满足题目的要求。RS-485标准接口为差分驱动结构，它通过传输线驱动器把逻辑电平变换为电位差，完成信号的传递，具有传输速率快、传送距离长（可传1200m）、抗干扰能力强等优点，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。所以本系统使用RS-485总线进行传输，采用MAX485驱动芯片进行电平转换。原理图如下：
图2-8 从机与MAX485接口电路图
15