基于ispPAC和单片机的热电偶实验仪(MAX7219)

摘要：介绍了一种基于eda技术的热电偶实验装置。本系统以isppac和单片机为核心电路，辅以高精度a/d转换器件及led显示器，实现对温差电动势的测量及数字显示。该系统具有稳定性好、集成度高、灵活性强、实验成本低等特点。
关键词：热电偶,isppac，单片机，a/d转换器
1.引言 在大学物理热电偶实验中，传统的温差电动势的测量多采用补偿法，温度的测量使用水银温度计。整个实验过程复杂、原理不直观，仪器误差较大。因其对电源要求高而常使用干电池或者稳压电源，从而导致实验成本高。为了解决传统实验方法中存在的问题，笔者研制了一种基于isppac[1]和单片机的热电偶实验仪，该实验仪放大电路采用在线系统可编程模拟器件isppac（in-system programmability programmable analog circuit），使用其开发软件pac-designer在计算机中可进行重复的设计、修改与配置功能模块；采用数字传感器精确的测量温度；利用高精度a/d转换器件对结果进行数字化；利用单片机对整个系统协调控制，并实现数据的转换与显示。整个系统性能稳定、测量准确、价格低廉。2 实验系统的设计2.1系统组成 系统由如图1所示的温差电动势测量模块、cpu控制模块、温度测量模块和led显示模块共四个模块组成[2-5]。温差电动势经过isppac可编程放大后被转换成直流电压，输入到a/d转换器进行数模转换，再通过单片机控制电路送入led显示，最终实现人机接口。2.2 温差电动势测量电路设计 本系统采用的在系统可编程模拟器件为美国lattice公司生产的芯片。它由4个可编程模拟信号处理电路模块(pac block)，模拟信号布线区和在系统可编程接口电路等部分组成，器件用5v单电源供电。每个pac模块由两个差分输入(differential inputs)仪表放大器(ia1和ia2)，1个反馈放大器iaf和1个差分输出(differential outputs)求和放大器(oa1)所组成。其中仪表放大器的跨导增益可调（gm的变化范围为2ua/v～20ua/v），电路输出阻抗为109欧姆，共模抑制比为69db。 反馈放大器iaf增益固定，等于2ua/v。输出放大器的反馈电容cf有多种电容值(1pf-62pf)可供选择。温差电动势由ia1的vin+和vin-端输入。pac模块结构如图2所示。图1系统框图图2pac模块结构图图中，信号从ia1输入，输入信号：vin=vin+ －vin- （1）输出信号：vout=vout+ －vout- （2）而：ia=gm1×vin （3）
ib= (vout+ －va) ×scf （4）ic=gm3 ×vout （5） 因为处理的温差电动势为直流信号ib，实际等于零。由基尔霍夫电流定律及反馈放大器iaf输入阻抗大的特点可得ia =ic，从而得pac模块的传递函数为：vout=(gm1/gm3) ×vin （6） 将isppac10内的4个pac模块采用级连的方式构成电路，可以得到增益为1～10000中任意数值的放大电路。此实验仪所用的热电偶由康铜和铁两种金属组成，温差100℃时输出温差电动势约为2.38mv。为满足a/d转换器输入满度电压取值应小于5v的接口要求，将放大倍数设置为1000。 利用模拟可编程芯片开发系统pac-designer完成isppac10的编程和设计。将4个差分输入(differential inputs)仪表放大器(ia1、 ia3、 ia5、 ia7)串联连接,温差电动势从in1输入，从out4输出，电路连线如图4。各仪表放大器的放大倍数依次设定为：10，10，10和1，即电压信号被放大1000倍。考虑到信号接入过程的误差，在设定完参数后应和标准值进行比较，并适当调整放大倍数作为补偿。图3 isppac10内部电路连接示意图2.3 温度测量电路及接口 本系统采用的温度传感器是dallas公司生产的一线式3引脚数字温度传感器ds18b20，温度测量范围为－10℃～＋125℃，测温分辨率可达0.0625℃。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源在本系统中由系统电源直接提供。单片机以一根端口线即p2.4与之通信。

2.4 单片机和a/d转换器及显示驱动的接口 单片机和a/d转换器及显示驱动的接口电路如图4所示。单片机采用atmel公司的增强型芯片at89c51；a/d转换器采用具有高分辨率、低漂移、价格低廉的∑﹣△结构集成电路 ad7705；显示驱动选用maxim公司的高集成化串行输入/输出的共阴极led显示驱动器max7219 ，每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管。 被isppac10放大了的电动势从图3的out4输出，从ad7705的差分输入通道2的ain