基于C8051F单片机的红外轴温探测器零点校正技术

零漂校正过程

首先我们设定在某一环境下，探头输出没有零点漂移，那么根据公式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。我们可以调节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化的情况。由于ADC不能采集0V以下的电压，所以该电压不能选择0V。在这里我们选择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)

当环境改变时，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，如果输出大于VC，则减小DAC0的输出，即减小VREF；相反，如果输出小于VC，则增大DAC0的输出，即增大VREF，这样如此采集－＞调整－＞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，我们完全是靠DAC0的变化量

将

抵消掉。

消除零点漂移是一个逐渐逼近的过程，每次逼近的步长可以通过软件设定，但由于受到DAC分辨率的影响，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，我们能够调节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为16M时，完成一个采集，调整的周期最多用数百uS。列车通过时间一般在十分钟以内，在此时间内完成的数据采集，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如图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，连接单片机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整电压，以提高调整细度。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C语言编程框图如图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进行系统调零，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，如果输出电压大于0.5V，可以减小参考电压抵消漂移；相反，如果输出电压小于0.5V，说明有负向零点漂移产生，则要增大参考电压抵消漂移。

结语

根据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，如果零点漂移本身范围过大时，有可能超出DAC的调节范围。通常有效调节零漂的跨度要略小于DAC的输出范围，可在DAC输出范围的两头各划出一段数据区作为超限标志。程序中每次调节DAC0输出后，要随时检测被转化数字量的大小，一旦发现DAC输出值超出调节范围，可以及时对外发出超限警告。

实际设计中，零点的调整只是解决本传感器的一个问题，其它例如不同环温下的非线性问题还需要另行解决，好在采用C8051F007高性能单片机，其功能和速度均可同时满足上述要求。