基于C8051F单片机的红外轴温探测器零点校正技术

1、基于c8051f单片机的红外轴温探测器零点校正技术在数据采集系统中，前级的零点漂移是探测误差的主要来源，特殊是在环境恶劣的条件下。例如，用于铁路轴温检测的探头，要在环境温度40至+55的范围内牢靠的工作，其零点的温漂范围很大，是很难采纳容易的软件修正和硬件补偿技术彻低解决的。本文介绍利用c8051f007，在举行温度数据采集和处理的同时，通过片上对前级放大器举行零点自动调节，采纳“软硬兼施”的闭环调节办法，补偿了系统的零点漂移。按照本课题的特点，因为环境温度变幻的速度非常缓慢，当采集时光相对环境温度变幻较短时，可以认为在采集过程中零点的漂移量是相对固定的。那么，当差动放大器的输入端上产生零点漂

2、移时，我们可以在非数据采集时光内动态地调节放大器的输出参考点，抵消掉零点漂移带来的影响。此种办法同样可用于其它传感器零点漂移范围较大、信号变幻较慢的状况。零点误差的产生传感器输出vs由零点电压vz和信号电压vr组成，vs=vz+vrvr是与被测量物理量挺直相关的电压，要通过转换成数字量。vz是零点电位，从长时光来看，vz往往是随环境温度缓慢变幻的，但在较短的采集时光内，也可以近似看作不变。为了只将vr举行放大采集，我们将另行提供一个补偿电压vn，并且使vn=vz，将vs和vn输入到一个差模放大器的两输入端。设放大器的增益为g，则放大器输出为(vz+vr-vn)g。假如vn=vz，则输出为vrg

3、，挺直得到我们需要的电压。但实际中，vz会随时光缓慢变幻，我们无法时刻做到vn=vz。而一旦vnvz，输出就会产生零点误差(vz-vn)g，尤其是在g很大的时候，误差会非常显然。按照探测现场的实际状况，平常无列车通过，探头暂停采集的时候，我们可以利用adc不停地捕获零点漂移，并通过dac输出补偿电压vn，随时去掉零点误差。而当列车通过探头的时光内，单片机停止校正并锁存dac调零输出，探头以此刻dac调节的输出状态作为探测零点开头举行工作。主要器件介绍仪表放大器ad620仪表放大器是一个双端输入的差动放大器，除了高精度，高稳定性的特点外，其输出零点参考电压可以通过ref管脚的电压随意设置，这就为

4、我们调节零漂提供了可能。ad620的输入端有着高达109的输入阻抗；输入失调电压30uv，输出失调电压400uv。输入偏置很低，通常在0.5na最高不超过2na；增益为100时，增益误差0.15%；增益100时的共模抑制比高达130db；输入噪声，输出噪声。除此以外，ad620的温度稳定性也非常优异：增益大于1时，增益的温度系数为-50ppm，输入失调电压和输出失调电压的平均温度系数分离为0.3uv/和5.0uv/。与通用运放不同的是，通用运放大多用衔接在输入与输出间的外部控制自身闭环增益，而仪表放大器采纳内部反馈网络，它的增益控制电阻是不与输入、输出端衔接在一起的，有特地用来衔接增益设置电阻

5、的引脚。ad620通过接在1、8脚之间的电阻来设置增益大小，增益g与增益设置电阻之间的关系如公式1。(1)普通通用运放的输出都是对地输出，而仪表放大器的输出是相对于放大器的输出参考引脚电位的。通过在输出参考引脚施加不同的电压可以设置对地输出电压的输出零点。仪表放大器的对地输出电压公式如公式2。vo=g(v+ -v-)+vref(2)c8051f007单片机本设计计划需要用到高速和高精度adc、dac，silicon laboratories公司的高性能单片机c8051f007正巧满足这一需要。该单片机集成了8051内核，但时钟频率更高，处理能力更强。片上集成8通道12位adc和2个12位dac

6、，除了完成采集和处理任务之外，还有足够的模拟部件举行零漂调节。比用分别元件既提高了牢靠性，又简化了，也降低了成本。片上集成dacc8051f007片上集成的两个dac用法办法非常容易，dac可以用单片机内部提供的2.43v参考电压，也可以外部提供。我们在这里用法内部参考电压。参考电压配置寄存器是ref0cn，地址是0xd1。无论用法dac0还是dac1，都需要将寄存器的0、1位置“1”。在本应用中，bit2到bit0设置成“000”，也就是12位转换数值的msb到lsb存在dac0h的bit3到dac0l的bit0。dac1的设置过程与dac0相同，不再赘述。表1表2片上集成adcc8051f

7、007片上集成了一个8通道12位adc。8个通道既可以单独设置成单通道，也可以两两设置成双端差动采集。在adc的输入端还有一个前端放大器，放大倍数可以编程。adc参考电压可以外部提供，也可以用法内部参考电压。内部参考电压2.43v。可以挑选多个adc转换开启信号。adc用法前，也要先设置参考电压，内部参考电压的设置过程可以参考dac。接着设置adc的输入方式寄存器amx0cf(地址0xba)和通道挑选寄存器amux0sl(0xbb)。8个输入通道两两分成一组(通道0和通道1、通道2和通道3、通道4和通道5、通道6和通道7)。amx0cf的bit0到bit3可以分离设置这四组输入的方式。置“1”

8、将该组两个输入设置成双端输入方式，清0则该组两通道各自为单端输入方式。amux0sl的bit3到bit0为输入端口挑选位，控制多路器是外部某一输入端口与adc相连。详细设置方式可以参考c8051f007的数据手册。寄存器adc0cf，用来设置adc的转换速率和输入增益。地址0xbc，复位初始数值0x60，表1给出了寄存器adc0cf的配置解释。bit7- bit 5： adc转换时钟设定，通过设定000至1xx来控制adc的转换周期分离为1、2、4、8和16倍时钟。bit4- bit 3： 无用bit2- bit 1： adc内部前置放大器增益设置，通过设定000至1xx来控制放大器分离为1、

9、2、4、8和16倍的增益。adc0cn寄存器，用于控制adc的各种转换功能。地址0xe8，复位初始数值0x00，表2给出了adc0cn寄存器的配置解释bit7： adc开启位0：adc进入掉电状态1：adc进入激活状态，可以随时举行转换bit6： 采样跟踪模式设定0：在下一次采样之前，adc向来在跟踪1：根据adstm1-0(bit3-2)设定的方式跟踪 adstm1-0(bit3-2)00：向adbusy写入1时开头跟踪，需要3个转换周期01：定时器3溢出开头跟踪，需要3个转换周期10：管脚cnvts升高沿开头跟踪，需要3个转换周期11：定时器2溢出开头跟踪，需要3个转换周期bit5： 转换

10、完成中断标记0：自上次中断标记清除后，没有转换完成1：adc完成一次转换bit4：adc劳碌位读：0：转换完成或自复位后无转换；当中断开启时，该位由1变到0时触发中断1：adc正在忙于转换写：0：无效果1：假如adstm1-0(bit3-2)=00b时，触发一次转换bit3-2：转换触发模式：00：向adbusy写1触发转换01：定时器3溢出触发10：管脚cnvts升高沿触发11：定时器2溢出触发bit1：窗口比较中断标记(软件清零)0：窗口比较不满足匹配条件1：窗口比较满足匹配条件bit0：数据寄存器左对齐设置位0：数据寄存器右对齐1：数据寄存器左对齐零漂校正过程首先我们设定在某一环境下，探

11、头输出没有零点漂移，那么按照公式2，我们得到初始状态仪表放大器输出为(v+-v-?)g+vref。dac0输出中点电位1.2v，即vref=1.2v。我们可以调整放大器反相输入端的可调电位器，使放大器输出电压vc，该电压在零到adc最大采集电压之间，略高于0v即可，这样为的是使adc可以采集到放大器输出在这个电压上下变幻的状况。因为adc不能采集0v以下的电压，所以该电压不能挑选0v。在这里我们挑选0.5v，太高了会缩小电压采集的范围。此时(v+ -v- )g+vref=vc(vc=0.5) (3)当环境转变时，设此时传感器产生零点漂移为。放大器输出，零点漂移。此时通过adc采集放大器输出电压

12、，假如输出大于vc，则减小dac0的输出，即减小vref；相反，假如输出小于vc，则增大dac0的输出，即增大vref，这样如此采集调节采集.使放大器输出电压稳定在。(4)比较式3和式4可以看出，我们彻低是靠dac0的变幻量将抵消掉。消退零点漂移是一个逐渐靠近的过程，每次靠近的步长可以通过软件设定，但因为受到dac辨别率的影响，最小步长是dac的1lsb代表的电压，所以我们最小只能将零漂控制在0到最小步长之间。受dac输出范围的限制，初始时dac0输出1.2v，若设此时的零漂为vd(通常我们认为是零)，那么，我们能够调整的最大零点漂移范围是vd-1.2/g，vd+1.2/g。当单片机的系统时钟

13、为16m时，完成一个采集，调节的周期最多用数百us。列车通过时光普通在非常钟以内，在此时光内完成的数据采集，对缓慢的零点漂移来说影响是不大的。硬件、软件实现放大器零点校正的硬件原理图1所示。图1 放大器零点校正的硬件原理图仪表放大器的同相输入端接红外传感器输出电压；反相输入端输入调零电压。放大器1、8脚间接入增益设置电阻。5脚的参考电压输入，衔接单片机c8051f007片上dac0的输出，通过dac的输出来自动校正放大器的零点。实际电路中vref也可通过电位器分压来取得调节电压，以提高调节细度。放大器输出电压经ain0送至单片机片上的adc转化为数字量。单片机编程框图2所示。图2单片机c语言编程框图系统在不采集传感器输出电压的时候自身举行系统调零，先将放大器参考点电压设置为0.5v，也就是让dac0输出0.5v。然后采集放大器的输出电压，假如输出电压大于0.5v，可以减小参考电压抵消漂移；相反，假如输出电压小于0.5v，解释有负向零点漂移产生，则要增大参考电压抵消漂移。结语按照仪表放大器的输出公式我们可以看出，当放大倍数很高时，零点漂移也会同时被放大。这样，假如零点漂移本身范围过大时，有可能超出