基于單片機的智能傳感器設計畢業(yè)論文

1、 基于單片機的智能傳感器設計摘要隨著自動化技術的發(fā)展和微電子技術的進步，以及現(xiàn)場總線技術的日益成熟，數(shù)控技術在生產(chǎn)過程中的應用越來越廣泛，對現(xiàn)場信號的采集、傳輸和數(shù)據(jù)處理提出更高的要求。本論文闡述了現(xiàn)場信號通信的發(fā)展概況和智能變送器的現(xiàn)狀，分析了智能變送器的作用和工作原理，針對應用中使用的不同的傳感器輸出不同幅值的弱直流電信號的要求，設計了智能變送器系統(tǒng)。它實現(xiàn)了弱直流電信號放大，并能根據(jù)信號的幅值大小來自動改變放大系數(shù)，提高測量靈敏度，對采樣數(shù)據(jù)處理后，既能輸出420ma dc標準電流信號，又能通過rs485總線與其他上位機或同位機進行數(shù)字通信。系統(tǒng)根據(jù)傳感器輸出的信號范圍通過編程設定由集成

2、測量放大器ad623和非易失性數(shù)控電位器x9241組成的放大環(huán)節(jié)的增益，將弱信號放大到05v dc，通過多通道12位串行a/d轉換器tlc2543進行a/d轉換，將采集到的數(shù)據(jù)送給單片機80c52，由單片機進行濾波、標度變換等數(shù)據(jù)處理后，通過8位并行d/a轉換器dac0832將數(shù)據(jù)轉換成420ma dc信號輸出，或通過隔離后的rs485總線將數(shù)據(jù)傳送給上位機。系統(tǒng)設計有獨立的看門狗電路和eeprom存儲器電路，提高了系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)軟件采用mcs51單片機匯編語言，模塊化程序設計方法，設計了儀表監(jiān)控主程序、放大器增益設定程序、adc轉換和處理子程序、dac轉換等子模塊，并設計了相應的通信協(xié)議。

3、關鍵詞智能變送器；通信；單片機；現(xiàn)場總線；測量信號intelligent sensor based on single-chip designabstractwith the development of automation and the progress of the micro electronics technology, and the mature of field bus, digital control technology is widely used in production process, so collection, transition and treatmen

4、t of signal should meet higher requirements. this thesis is about general development of field signal communication and status of intelligent transducer, analyzes function and operation principle of intelligent transducer. the transducer is designed chiefly for different weak output signal of non-st

5、andard sensors. it can amplify the weak signal, alter the amplification factor according to the size of the weak signal and improve system sensitivity. after sample data processed, it not only can output 420ma standard direct current, but also can communicate with other computers and single chip by

6、mean of rs485 bus. according to the output signal range of the sensor, the system sets the gain of amplification link which is composed of ad623 and x9241 by way of program, amplifies the weak signal to dc 05v, then makes a/d transition through， multipassages and 12bit tlc2543, brings the sampled da

7、ta to single chip 89c52, filtering the data, and transferring surveyor etc ,then transits the data to 420ma dc signal by dac0832,or sends the data to other computers through isolated rs485 bus. the design of the system has its own separate watchdog and eeprom memory circuit; therefore it can improve

8、 system reliability. software of the system designs main program, amplifier gain setting program, adc transition program, dac transition program and processing subprogram by adopting assemble language of mcs51 single chip and modularization program design method, and also designs corresponding commu

9、nication protocol. keywords intelligent；transducer；communication；single-chip；field-bus; measuring signal目錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.2 智能變送器的現(xiàn)狀21.3 現(xiàn)場信號通信的發(fā)展概況41.4 本論文的主要工作6第2章 硬件電路設計82.1 單片機選擇92.2 輸入信號增益自調(diào)節(jié)電路設計92.3 模數(shù)轉換器選擇及接口電路設計112.3.1 tlc2543c簡介112.3.2 tlc2543c的主要性能122.3.3 tlc2543c的轉換過程132.4

10、數(shù)模轉換器接口電路設計152.5 v/i變換電路設計152.6 復位及運行監(jiān)視電路設計162.7 rs485總線接口電路設計182.8 顯示器接口電路設計192.9 鍵盤接口電路設計192.10 電源202.11 本章小結20第3章 應用軟件設計213.1 監(jiān)控程序模塊213.2 輸入信號增益自調(diào)節(jié)模塊223.3 數(shù)據(jù)采集和處理模塊223.4 通信模塊設計233.4.1 串行通信接口的基本任務243.4.2 rs485簡介和串行通信協(xié)議的實現(xiàn)243.5 通信模塊設計293.6 鍵盤模塊的設計293.7 軟件抗干擾的設計303.8 本章小結31結論32致謝33參考文獻34附錄a35附錄b40附錄

11、c44附錄d45千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 課題背景自動化儀表主要由檢測儀表和控制儀表兩大部分組成。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模越來越大，相應的自動化管理系統(tǒng)日趨復雜。由于計算機技術的高度發(fā)展和廣泛應用，近10年來在控制系統(tǒng)方面有了很大進展?？刂葡到y(tǒng)的各功能環(huán)節(jié)在信息的傳送、管理和操作上緊密配合，形成了高度復雜的分散型過程控制系統(tǒng)。隨著計算機技術的發(fā)展，微機價格的大幅度下降，pc機和各種單片機在工業(yè)和各行業(yè)應用日益廣泛。在控制網(wǎng)絡中，各種測量儀表往往用單片

12、機作數(shù)據(jù)處理單元，而在主控室，有微機對整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的顯示、存儲和匯總。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展，測量系統(tǒng)也逐漸發(fā)展，使得智能儀表的發(fā)展也越來越迅速。這樣就使常規(guī)的模擬儀表日薄西山。dcs、工業(yè)控制計算機(ipc)、plc、可編程單回路調(diào)節(jié)器等基本上主宰了這一領域。過程控制系統(tǒng)有以下幾種發(fā)展趨勢：1.控制中心向現(xiàn)場轉移傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)中的回路級或裝置級的控制功能將下放到現(xiàn)場，使系統(tǒng)成為真正的、徹底分散的系統(tǒng)。2.開放系統(tǒng)的實現(xiàn)開放系統(tǒng)要求互連性和互操作性，即不同廠家生產(chǎn)的儀表、裝置應能在一個系統(tǒng)中協(xié)同工作。計算機網(wǎng)絡技術與軟件技術的高速發(fā)展給開放系統(tǒng)帶來了曙光。di公司(contro

13、l system international inc)推出一種ucos(用戶可配置開放系統(tǒng))dcs，它采用冗余的以太網(wǎng)或光纖局域網(wǎng)將控制臺、各工作站計算機及各現(xiàn)場控制單元(fcu)連接起來，它采用可來自多方廠商的商用軟硬件和商用網(wǎng)絡，操作系統(tǒng)采用windows nt，非專利的現(xiàn)場控制單元可提供多任務和網(wǎng)絡直接訪問能力，與其連接的i/o子系統(tǒng)亦可來自多方廠商。毫無疑問，這種系統(tǒng)將成為真正的開放系統(tǒng)。3.智能控制技術將得到進一步應用專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等智能控制技術，已在直接數(shù)字控制及優(yōu)化控制中得到了初步應用。目前，在控制領域中，智能控制理論與技術是一個研究熱點，這種研究“熱”無疑將會

14、使智能控制技術的應用水平得到較快的提高。4.多媒體技術的應用多媒體技術無疑可以引入過程控制領域。操作員、工程師將可以坐在控制室里，從dcs的計算機屏幕上看到現(xiàn)場的真實畫面，聽到來自現(xiàn)場的聲音，以此來監(jiān)視設備的關鍵部位。由于智能儀表和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，過程控制的主流系統(tǒng)dcs的結構將發(fā)生轉折性變化，控制功能向現(xiàn)場轉移和分散，專利系統(tǒng)將向用戶可配置(集成)的開放系統(tǒng)過渡。這種控制系統(tǒng)的發(fā)展又使智能系統(tǒng)成為當今控制系統(tǒng)發(fā)展的熱點。由于控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，而測量系統(tǒng)的進展卻很小，使之難于滿足先進的控制系統(tǒng)要求。隨著微電子技術的飛速發(fā)展，尤其是近年來由于低功耗、多功能單片微處理器、a/d與d/a變換器

15、件的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了扎實的物質基礎。對于諸如溫度、濕度、流量、位移等物理量的測量與控制，如何提高系統(tǒng)的可靠性與精度，減少外部連接線，對于量程浮動、輸出信號可遠傳和隨量程線性轉移，以及一機多用，以同一檢測模板用于不同物理量的檢測場合，并滿足多種線性與非線性輸入信號的精度要求等課題，已越來越為廣大科技人員所關注。同時世界上一些主要的儀表制造廠相繼研制成功了帶微處理機構的各種智能變送器，開創(chuàng)了“智能式”變送器的新階段。1.2 智能變送器的現(xiàn)狀變送器是工業(yè)過程重要的基礎自動化設備之一。主要完成物理信號的測量和變換處理。隨著高參數(shù)、大容量設備的增加和過程工藝的復雜化。對自動化的依

16、賴性越來越大，變送器用量不斷增多，要求不斷提高。目前普通使用的變送器是以70年代統(tǒng)一的420madc模擬信號標準傳送信號的二線制變送器(國內(nèi)還有少量四線制010ma dc信號變送器)。它們在傳送信號時，模擬信號不能簡單迭加，信道為一對一，即一(或二)對導線上只能傳輸一個變送器輸出信號，且只能單向傳輸。智能變送器即在變送器本體內(nèi)直接使用微處理器芯片，對被測物理量進行數(shù)字化處理，并增加數(shù)字通信接口，可直接與計算機進行數(shù)字通信。使用數(shù)字通信的信道復用技術和低功耗電路，使多個變送器可共用一條通信總線并進行雙向通信，大大減少了現(xiàn)場信號引線15。微處理器直接對被測信號進行數(shù)字化處理，使變送器的測量精度和量

17、程比大為提高，并具有診斷報警功能，還可克服溫漂和各種零漂影響，有的還具有直接pid輸出等高級處理功能。通過數(shù)字雙向通信，可在控制室中對變送器進行遠程診斷、標定和組態(tài)，因此智能變送器的性能遠優(yōu)于普通變送器，近10年來在國外已獲得日益廣泛的應用。1983年，美國honeywell公司將第一個稱為smart變送器的stj3000d壓力變送器推入了美國國內(nèi)市場，使智能變送器進入了商品化。隨后美國的rosemount，foxboro等一些公司在1986年美國儀表學會(1sa)的會議上爭相推出了一些稱為smart變送器的新型智能變送器系列。這類變送器具有適合各種新應用的能力，克服了以往模擬變送器準確度不夠

18、高、漂移過大、量程有限、維護和維修費用大等一些不足。由于這類變送器內(nèi)部有微處理機，采用了數(shù)字集成化測量方式，不僅能輸出420ma的模擬信號，而且還能輸出數(shù)字信號，實現(xiàn)了現(xiàn)場和控制室之間進行雙向數(shù)字通信。這一典型的數(shù)字通信功能縮小了測量技術與控制技術之間的差距。如果采用這種數(shù)字式集成化測量與控制方式，就能消除許多與模擬電路有關的誤差源，因而能達到更高的性能標準。例如總的測量回路可以不用a/d轉換器和d/a轉換器。由于智能變送器采用先進傳感技術，計算機技術及數(shù)字通訊技術，加上采用超大規(guī)模離子注入技術及超精細加工工藝技術，它的優(yōu)點是一般變送器無法比擬的：1.具有420madc或數(shù)字信號輸出功能。2.

19、有較高的精度和較好重復性,一般智能變送器精度為士0.1，如工作在數(shù)字方式下則更高。另外由于智能變送器有環(huán)境溫度及靜壓補償，不受日夜、冬夏溫差變化的影響，具有很好的重復性。3.遷移范圍大,智能變送器的遷移量可達-2000+1900，而普通型壓力變送器為-600+500。4.智能變送器量程比普遍達到40：1以上，而普通型變送器一般為l0：1。寬量程比可使變送器本身的實用性，通用性得以提高，給用戶及設計者帶來方便，減少備用表數(shù)量及種類。5.擁有完善的自診斷功能,通過通信器可查出變送器自身診斷的故障結果信息。6.通過dcs或通信器可遠距離對變送器編程、組態(tài)、檢查和校驗,傳統(tǒng)的變送器在調(diào)校時，應從現(xiàn)場拆

20、除進行離線校驗，既影響生產(chǎn)又很繁瑣，而且有些變送器是安裝在高溫、高壓、危險爆炸場所或者人們很難達到的地點，采用智能變送器避免了以上繁瑣危險的工作7。變送器的發(fā)展是與傳感器技術和計算機技術的發(fā)展分不開的，新一代的變送器必然是全數(shù)字化的。另外智能變送器組態(tài)的內(nèi)容包括遠程設定變送器標號，線性輸出或是方根輸出，測量范圍，阻尼時間常數(shù)等。變更測量范圍時，不需要把變送器從過程線管線上拆下來，也不需要對變送器送入差壓信號或壓力信號，只需要通過sfc鍵盤的簡單操作就可實現(xiàn)遠程設定、變更和校準，就像我們用遙控器對電視機或錄像機進行遠距離操縱一樣。這種變更和校準不需要電流電壓表參與，而且零點調(diào)整和量程調(diào)整互不干擾

21、。這樣一來就大大減少了工廠檢修停工期和縮短維修時間。智能變送器的自診斷功能也給使用和維修帶來不少實惠，比如jtd 200型變送器，自診斷的內(nèi)容包括組態(tài)檢查、通訊檢查、變送器工作檢查、過程異常檢查等。診斷顯示共有27種型式，通過這些顯示，立即可以識別問題所在區(qū)段。智能通訊器和現(xiàn)場變送器通訊的方式各家公司是不一樣的，有的是無線的，有的是將通訊信號子以調(diào)制，通過420ma的直流信號線進行傳送。智能變送器是微處理機技術和通訊技術進入變送儀表的必然產(chǎn)物，它使儀表變得更靈巧。微機技術和通訊技術將會進入越來越多的儀表。如上所述智能變送器具有很多優(yōu)點，因此它最適用于測量范圍變化較大、環(huán)境條件較差而要求測量精度

22、高和采用數(shù)字通信的大型控制系統(tǒng)及特殊應用場合。具體應用場合敘述如下：1.用于現(xiàn)場總線根據(jù)isa sp50委員會定義的現(xiàn)場總線概念，智能變送器將在現(xiàn)場總線中扮演主要角色，具有pid調(diào)節(jié)功能的變送器可以進一步將集中控制的危險性分散到最小，同時采用數(shù)字通訊，節(jié)省了大量的模擬通訊電線。目前智能變送器的價格已經(jīng)接近普通變送器的水平。而對使用者來說，可以在控制室內(nèi)對現(xiàn)場變送器進行調(diào)整，更改量程，組態(tài)等操作，相當方便。2.用于特殊場合對于現(xiàn)場總線尚未普及的情況，智能變送器可用于高空，塔頂或有毒有害氣體環(huán)境，人員不宜接近的場合，可減少維護人員的工作量及死亡的可能性。3.用于要求測量精度高的場合對于一些環(huán)境溫度

23、及過程靜壓變化較大而要求測量精度高的場合，利用智能變送器具有溫度及靜壓補償?shù)墓δ埽擅黠@提高變送器的測量準確性，如儲運系統(tǒng)灌區(qū)液位的測量點以及冬季與夏季、晝夜之間溫差較大，很容易使普通變送器誤差增加一倍，而智能變送器卻能夠克服這一缺點，提高測量精度。4.用于量程范圍較大的場合近年來，受市場經(jīng)濟的影響，煉油廠加工的原油性質及處理量有較大的波動，導致部分流量的測量回路經(jīng)常出現(xiàn)超量程或低量程運行，而采用的fc系列變送器，量程比太小（10：1），改量程時變送器需換型，給生產(chǎn)維護帶來了不便，也增加了各種量程的變送器的備用數(shù)量，增加了企業(yè)固定資金的投入。智能變送器具有40：1的量程比，很容易克服上述困難。

24、由于其更高的性能價格比，智能變送器不僅在二十一世紀的數(shù)字化時代，而且在現(xiàn)場總線時期也是大有可為的，必定有美好的應用前景1。1.3 現(xiàn)場信號通信的發(fā)展概況現(xiàn)場儀表信號的傳輸方式經(jīng)歷了模擬信號傳輸方式、模擬數(shù)字混合信號傳輸方式、全數(shù)字信號傳輸方式三個階段。1.模擬信號傳輸方式本世紀40年代，過程控制儀表基于氣動信號，60年代先后引入010ma和420ma模擬電流信號標準，這兩個標準對儀表工業(yè)發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。ddz-iii型模擬儀表皆以420madc信號作為現(xiàn)場信號傳輸標準。現(xiàn)場變送器將檢測信號變換為420madc信號，經(jīng)雙絞線送入控制室內(nèi)的控制器中，經(jīng)控制運算之后，將其輸出變換為420madc

25、信號，傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行器件，完成過程控制。2.模擬數(shù)字混合信號傳輸方式420ma dc作為信號傳輸標準，系統(tǒng)響應快，簡單通用是其主要優(yōu)點。但其傳輸精度不高，易受干擾，一對電纜線上只能單方向傳輸單一信息，不僅使電纜用量大，而且也出現(xiàn)了信息傳輸?shù)摹捌款i”現(xiàn)象。1986年,rosemount公司提出了hart通信協(xié)議(highway addressable remote transducer)即可尋址數(shù)據(jù)通道遠傳傳感器。hart通信協(xié)議參照國際標準化組織(iso)制定的“開放系統(tǒng)互聯(lián)模型(osi)”，簡化使用了其第1、2、7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應用層。在其物理層中，hart協(xié)議采用了基于bell

26、202通信標準的頻移鍵控技術(fsk)，使數(shù)字信號調(diào)制后疊加于420madc信號上，數(shù)字信號使用1200hz和2200hz兩個不同的頻率分別對應數(shù)字1和數(shù)字0，通信時頻率變化的平均分量為0，使數(shù)字信號和模擬信號互不影響。hart協(xié)議的智能變送器輸出信號波形如圖1-1所示。+0.5ma0ma-0.5ma 1200hz “1” 2200hz “0”圖1-1 hart協(xié)議智能變送器輸出信號波形由于hart協(xié)議采用了420madc信號和數(shù)字信號的混合傳輸方式，使其不僅可利用420ma dc信號而且可利用同一電纜利用數(shù)字信號實現(xiàn)雙向多信息傳輸，從而達到諸如修改量程、阻尼時間、pid參數(shù)等目的，進而可提高

27、系統(tǒng)的運行質量和管理效率，降低操作和運行成本。另外，數(shù)字信號的應用，使現(xiàn)場智能變送器部分地采用了“明天的技術”，將pid調(diào)節(jié)、流量積算、設定值程序發(fā)生、曲線設定等功能下放到hart智能變送器中，實現(xiàn)控制功能下放。其次，由于hart協(xié)議采用了osi的簡化模型，使不同廠家生產(chǎn)的hart協(xié)議產(chǎn)品具有一定的開放性，大大方便了用戶的選用。hart協(xié)議是公開的，世界上已有70多家公司宣布接受這一協(xié)議，如foxboro、abb、toshiba等，并組成了hart用戶組織hug（hart user group）。據(jù)1994年統(tǒng)計，世界上遵守hart協(xié)議的產(chǎn)品市場占有率約為70%左右。3.全數(shù)字信號傳輸方式ha

28、rt協(xié)議采用了420ma dc信號和數(shù)字信號進行信息傳輸，與傳統(tǒng)的420ma dc信號兼容，實現(xiàn)了雙向數(shù)字通信，可進行總線式連接而節(jié)省電纜，比420ma dc信號傳輸方式的控制系統(tǒng)有了很大進步。但它有不足之處，一是速度慢，數(shù)字的通信波特率僅為1200bps；二是hart協(xié)議智能儀表只能固定擔當系統(tǒng)中“主”或“從”設備中一個，屬主從式通信，僅適用于那些對通信速度要求不高的場合16。自80年代起，微處理器、計算機網(wǎng)絡和通信技術取得了長足進展。微處理器與傳感器、執(zhí)行器相結合涌現(xiàn)了大量的智能化、數(shù)字化變送器和執(zhí)行裝置。數(shù)字化無可置疑的優(yōu)點，導致了取代420ma dc的強烈要求，促使發(fā)達國家紛紛推出了各

29、自的數(shù)字總線和現(xiàn)場網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線的概念應包含以下兩方面內(nèi)容：1.現(xiàn)場總線首先是一種通信標準，是一種全數(shù)字化、雙向、多信息、多主站通信規(guī)程的應用技術，它要保證連接可互操作（interoperable）產(chǎn)品，能把控制功能分散到現(xiàn)場裝置中，并能實現(xiàn)數(shù)字形式寬范圍通信。2.現(xiàn)場總線的通信標準是開放的，供應商提供各種可互操作的產(chǎn)品，如控制系統(tǒng)、測量儀表和執(zhí)行裝置，用戶可自由選擇不同廠商的產(chǎn)品，利用現(xiàn)場總線構成自己所需的自動化系統(tǒng)。開放性是現(xiàn)場總線的主要標志之一。盡管現(xiàn)場總線國際標準進展不如想象中快，但最終其標準是必將建成的。一旦現(xiàn)場總線標準制訂完成，勢必引起控制系統(tǒng)一場革命，其影響將超過50年代末由舊式

30、模擬儀表向電動或氣動單元組合儀表轉換的影響，和超過80年代從電子模擬儀表轉到dcs那樣大的深度?，F(xiàn)場總線產(chǎn)品的應用勢必開辟控制領域新紀元，并對自動化產(chǎn)品市場及控制系統(tǒng)的體系結構和設計方法產(chǎn)生很大的沖擊。毫無疑問，數(shù)字化傳輸是現(xiàn)場變送器信號傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。不同傳輸方式的數(shù)字化變送器框圖如圖1-2所示。數(shù)字信號field接口420ma dc 信號d/acpucpua/da/d傳感器傳感器數(shù)字化傳輸變送器模擬信號傳輸數(shù)字化變送器圖1-2 數(shù)字化變送器框圖在數(shù)字傳輸方面，有現(xiàn)場總線國際標準，但限于資料和開發(fā)工具限制，還不能按其標準進行設計工作?？紤]到實際情況，本人認為有rs485和can總線兩種，較易

31、進行開發(fā)，也能滿足使用要求。盡管can總線有許多優(yōu)點，但can總線開發(fā)、使用費用要高于rs485總線，從經(jīng)濟性考慮，設計采用rs485總線。1.4 本論文的主要工作在充分了解國內(nèi)外變送器發(fā)展動態(tài)的前提下，結合現(xiàn)場控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設計了現(xiàn)場總線通信協(xié)議，研制了相應的硬件裝置，完成了軟件的設計與實現(xiàn)，進行了系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實驗。具體內(nèi)容如下：1.針對實際應用中傳感器輸出的不同幅值的弱信號，設計自適應增益模擬信號高精度放大電路；2.選擇合適的adc和dac芯片，進行接口設計，送入微處理器進行數(shù)據(jù)采集處理，輸出模擬420madc標準信號，以達到與模擬變送器兼容；3.擴展rs485總線接口，設計通信協(xié)議，實現(xiàn)信

32、號的數(shù)字化傳輸；4.鍵盤及顯示電路設計；5.復位、看門狗、存儲器電路設計；6.軟件的設計與實現(xiàn)；7.抗干擾措施。第2章 硬件電路設計變送器是工業(yè)過程重要的基礎自動化設備之一。主要完成物理信號的測量和換處理。隨著高參數(shù)、大容量設備的增加和過程工藝的復雜對自動化的依賴越來越大，變送器用量不斷增多要求不斷提高。模擬式變送器主要是由運算放大器、電阻、電容等器件構成，功能較單一，主要起信號放大、變換作用。近年來隨著微電子技術的飛速發(fā)展，尤其是近年來由于低功耗、多功能單片微處理器、高精度a/d與d/a變換器件的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了扎實的物質基礎。智能變送器都是以cpu為核心構成的數(shù)字化

33、儀表，工作原理如圖2-1所示。將過接口電路進行顯示、信號遠傳cpu進行數(shù)據(jù)采集處理進行放大、濾波等變換電路由傳感器將非電量信號變換為電量信號 圖2-1 變送器工作原理圖智能變送器采用cpu后，不僅可對溫度、濕度、流量、位移等物理量進行測量與變送，還能大大提高系統(tǒng)的可靠性與精度，實現(xiàn)一機多用。v/idac0832本論文智能變送器的硬件電路設計主要包括單片機選擇、弱信號增益自調(diào)節(jié)電路設計、a/d轉換器選擇及接口電路設計、d/a轉換器電路選擇及接口設計、看門狗電路、存儲器電路設計、rs485總線接口電路設計、420ma轉換電路設計、鍵盤和顯示器接口電路設計等。硬件設計原理框圖如圖2-2所示。下面分節(jié)

34、給予介紹。420macputlc2543增益調(diào)節(jié)電路傳感器rs-485接口傳感器光隔增益調(diào)節(jié)電路看門狗、存儲器電路鍵盤、液晶顯示電路圖2-2 硬件原理設計框圖2.1 單片機選擇因mcs51系列單片機已被國內(nèi)用戶廣泛認可和應用，貨源充足，資料豐富，仿真工具種類繁多且成熟，因此設計選用atmel公司生產(chǎn)的80c52單片機，其本身具有8051cpu內(nèi)核，片內(nèi)256字節(jié)ram、特殊功能寄存器sfr、時鐘頻率3.5-12/24/33mhz、3個8位并行i/o口、2個16位定時計數(shù)器、全雙工串行口、布爾處理器、4層優(yōu)先級中斷結構，兼容ttl和cmos邏輯電平。硬件擴展方便，用途廣泛2。2.2 輸入信號增益

35、自調(diào)節(jié)電路設計目前現(xiàn)實應用中存在很多非標準的傳感器，其應用存在兩個問題：1.傳感器輸出信號不是05v、420ma等標準信號，而是mv級直流弱信號，經(jīng)運算放大器放大后才能達到通常的a/d轉換器需要的05v信號要求。2.傳感器輸出信號在滿量程情況下，信號幅值不一致，如同批次某應變片式壓力傳感器，在同一+5vdc電壓供電情況下，滿量程時輸出信號在5.5mv6.8mv之間變化；不同作用的傳感器同樣存在輸出信號不一致的問題。在多傳感器應用系統(tǒng)中，給運放電路設計、調(diào)試、維修帶來了很大困難。所以，論文對選用輸出不同幅值的弱信號的多傳感器應用系統(tǒng)，設計一種通用的能夠根據(jù)傳感器輸出信號滿量程幅值自動調(diào)節(jié)增益的運

36、算放大電路。設計思路為：在變送器工作現(xiàn)場利用鍵盤輸入所使用的傳感器輸出信號的滿量程幅值或由上位機通過遠程通信方式將傳感器輸出信號的滿量程幅值下載到變送器中，變送器cpu根據(jù)該幅值大小，自動計算所需運放增益，達到增益自動調(diào)節(jié)目的。可變增益放大器的增益改變方式主要有人工(或機械)和程控兩大類，具體方法有多種，每種方法各有其優(yōu)點和局限性。從理論上講改變集成運算放大器(運放)的反饋電阻或輸入電阻，即可改變放大器的增益。有以下三種方法：1.用非易失性數(shù)控電位器改變電阻非易失性數(shù)控電位器克服了模擬電位器的主要缺點，無噪聲、壽命長、阻值可程控改變、可設定阻值掉電記憶，步進阻值小，增益接近線性。2.用dac改

37、變電阻電流輸出型dac內(nèi)含r2r電阻網(wǎng)絡，可以作為運放的反饋電阻或輸入電阻，在dac輸入數(shù)據(jù)的控制下，實現(xiàn)放大器增益的程控改變。3.用集成多路模擬開關改變電阻用不同阻值的固定電阻，將其分別接入運放的輸入回路，以此來達到改變輸入電阻的目的，從而實現(xiàn)對信號的放大或衰減，即改變放大器的增益。缺點是多路模擬開關的導通電阻影響放大器的增益。本設計采用第一種方法，即用非易失性數(shù)控電位器和高精度運放組成程控增益放大器。由新型的集成儀表放大器ad623和非易失性數(shù)控電位器x9241組成。采用程控改變運放的反饋電阻來實現(xiàn)可變增益的放大器。非易失性數(shù)控電位器克服了模擬電位器的主要缺點，無噪聲，壽命長，阻值可程控改

38、變，可設定阻值掉電記憶。設計采用的電路具有增益范圍寬、成本低，適用做單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳感器與adc之間的信號放大器。增益自調(diào)節(jié)電路原理如圖2-3所示：圖2-3 增益自調(diào)節(jié)電路下面簡要介紹所用芯片ad623與x9241。ad623是一個集成單電源儀表放大器，該芯片內(nèi)含3個運算放大器，它能在單電源下提供滿電源幅度的輸出。ad623允許使用單個增益設置電阻進行增益編程，以得到更好的用戶靈活性，且符合8引腳的工業(yè)標準配置。在無外接電阻的條件下，ad623被設置為單位增益，在接入外界電阻后，ad623可編程設置增益，且其增益最高可達1000倍。ad623通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比

39、而保持最小的誤差。線路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達200hz時仍保持恒定而受到抑制。ad623具有較寬的共模輸入范圍，它可以放大具有低于低電平150mv的共模電壓的信號。特別適合模塊化電路應用，且在最小的空間內(nèi)提供很好的線性度、溫度穩(wěn)定性和可靠性。輸入信號加到作為電壓緩沖器的pnp晶體管上，并且提供一個共模信號到輸入放大器。每個放大器接入一個精確的50k的反饋以保證增益可編程。差分輸入為： vo=(1+100krg)vc （21）然后差分電壓通過輸出放大器轉變?yōu)閱味穗妷?，該放大器也能抑制任何共模輸入電壓引起的輸出信號中的（共模）電壓。?腳的輸出電壓以5腳的電位為基準進行測量?；鶞识耍?腳

40、）的阻抗是100k。在需要電壓/電流轉換的運用中僅僅需要在5腳與6腳之間連接一只小電阻。由于所有的放大器都是電壓反饋性放大器，所以ad623的帶寬隨增益的增大而減小。在單位增益下，輸出放大器限制了帶寬。因此，即使在更高的增益下，ad623的帶寬下降并不是很快。ad623的增益由rg進行電阻編程，或更準確的說，由1腳與8腳之間的阻抗來決定。ad623被設計為使用0.1%1%容限的電阻提供精確的增益。對于任意的增益值，rg可用以下的公式計算： rg=100kg-1 （22）式中g為放大器的增益。x9241是把四個非易失性數(shù)控電位器集成在一個單片的cmos微電路中。x9241包含四個電阻陣列，每個陣

41、列包含有63個電阻單元，所有的四個電位器分享串行接口并分享一個公共的結構。每個電位器包括一個電阻陣列、一個滑動端計數(shù)寄存器以及4個數(shù)據(jù)寄存器。在每個單元之間和二個端點都有可以被滑動單元訪問的抽頭點?；瑒訂卧陉嚵兄械奈恢糜捎脩敉ㄟ^二線串行總線接口控制。每個電阻陣列，與一個滑動端計數(shù)寄存器（wcr）和四個8位數(shù)據(jù)寄存器聯(lián)系在一起，這四個數(shù)據(jù)寄存器可以由用戶直接寫入和讀出?；瑒佣擞嫈?shù)寄存器的內(nèi)容控制滑動端在電阻陣列中的位置。數(shù)據(jù)寄存器可以由用戶讀出和寫入。數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容可以傳輸?shù)交瑒佣擞嫈?shù)寄存器以設置滑動端的位置。當前滑動端的位置可以被傳輸?shù)脚c它相聯(lián)系的任意一個數(shù)據(jù)寄存器。這些陣列可以串聯(lián)起來成

42、為具有127、190或253個抽頭的電阻元件。2.3 模數(shù)轉換器選擇及接口電路設計2.3.1 tlc2543c簡介tlc2543是具有11個輸入端的12位串行模數(shù)轉換器。tlc2543是美國德州儀器公司于近幾年推出的一種性能價格比較優(yōu)越的12位a/d轉換芯片，具有多種封裝形式，并具有民用級、工業(yè)級、軍用級產(chǎn)品。在產(chǎn)品型號、規(guī)格、封裝形式、適用范圍等方面，已形成一個系列。一九九八年以來開始在我國推廣使用。就12位a/d轉換器來說，tlc2543具有轉換快、穩(wěn)定性好、與微處理器接口簡捷、價格低等優(yōu)點，已經(jīng)在我國單片機應用領域得到很好的推廣了。tlc2543c的引腳如圖2-4所示。圖2-4 tlc2

43、543c的引腳2.3.2 tlc2543c的主要性能a/d、d/a轉換器是過程及儀器儀表、設備等檢測與控制裝置中應用比較廣泛的器件。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，各種高精度、低功耗、可編程、低成本的a/d轉換器不斷推出，使得控制系統(tǒng)的電路更加簡潔，可靠性更高。tlc2543c是是德州儀器公司生產(chǎn)的一種開關電容結構的逐次迫近式a/d轉換器，片內(nèi)提供轉換時鐘，12位或8位串行數(shù)據(jù)輸出，可采集11路模擬輸入電壓。由片內(nèi)多路開關選通，并采樣保持。在本芯片工作溫度(070)范圍內(nèi)。ad轉換時間為10微秒，采樣率為66kbps，具有單+5v電源工作的方式，且提供3路內(nèi)置自測方式。通過對該芯片內(nèi)數(shù)據(jù)輸入寄存

44、器的編程，可實現(xiàn)12位或8位串行數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸出的格式為二進制數(shù)無符號數(shù)或有符號數(shù)、是最高有效位msb輸出還是最低有效位lsb輸出。芯片tlc2543c引腳功能特別強大其引腳說明如下：ain0ain10：模擬輸入端，由內(nèi)部多路器選擇。cs：片選端，cs由高到低變化將復位內(nèi)部計數(shù)器，并控制和使能data out、data input和i/o clock。cs由低到高的變化將在一個設置時間內(nèi)禁止data input和i/o clock。data input：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以msb為前導并在i/o clock的前4個上升沿移入4位地址，用來選擇下一個要轉換的模擬輸入信號或測試電壓，之后i

45、/o clock將余下的幾位依次輸入。data out：a/d轉換結果三態(tài)輸出端，在cs為高時，該引腳處于高阻狀態(tài)；當cs為低時，該引腳由前一次轉換結果的msb設置成相應的邏輯電平。eoc：轉換結束端。在最后的i/o clock下降沿之后，eoc由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D換完成及數(shù)據(jù)準備傳輸。vcc、gnd：電源正端、地。ref、ref：正、負基準電壓端。通常ref接vcc，ref接gnd。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差。i/o clock：時鐘輸入/輸出端3。其與cpu的接口原理見圖2-5。圖2-5 與cpu的接口原理2.3.3 tlc2543c的轉換過程 tlc2543每次轉換和數(shù)據(jù)傳

46、送使用16個時鐘周期，且在每次傳送周期之間插入cs的時序。在tlc2543的cs變低時開始轉換和傳送過程，i/o clock的前8個上升沿將8個輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時它將前一次轉換的數(shù)據(jù)的其余11位移出data out端，在i/o clock下降沿時數(shù)據(jù)變化。當cs為高時， i/o clock和data input被禁止，data out為高阻態(tài)4。其工作過程分為兩個周期：i/o周期和實際轉換周期，具體詳細周期情況見表2-1。1.i/o周期/cs變低后器件進入i/o周期，同時進行兩種操作:在i/oclock的前8個脈沖上升沿，以msb的方式從data input端輸入8位數(shù)據(jù)流到輸

47、入寄存器。其中前四位為模擬通道地址，控制14通道模擬多路器從11個模擬輸入和3個內(nèi)部自測電壓中，選通一路送到采樣保持電路，該電路從第四個i/o clock脈沖的下降沿開始對所選信號進行采樣，直到最后一個i/o clock脈沖下降沿。四個i/o clock脈沖的下降沿開始對所選信號進行采樣，直到最后一個i/o clock脈沖下降沿。i/o周期的時鐘脈沖個數(shù)與輸出直到最后一個i/o clock脈沖下降沿。i/o周期的時鐘脈沖個數(shù)與輸出數(shù)據(jù)長度同時由輸入數(shù)據(jù)的d3d2位選擇8、12、16位時， 在前8個時鐘脈沖之后，data input便無效。在data out短串行輸出8、12或16為各數(shù)據(jù)，當插

48、入/cs高電平脈沖控 表2-1 tlc2543真值表punctionselectinput data byteaddress bitsl1 l0lsbfbmpd7 d6 d5 d4d3 d2d1d0(lsb)(msb)select input channelain00 00 0ain10 00 1 ain20 01 0ain30 01 1ain40 10 0ain50 10 1ain60 11 0ain70 11 1ain81 00 0ain91 00 1ain101 01 0select voltage（vref+-vref-）)/21 01 1vref-）1 10 0vref+1 10 1

49、output data length8 bits0 112 bitsx 016 bits1 1output data formatmsb first0lsb first1unlpolar0blpoar1制器件工作時，第一個數(shù)據(jù)出現(xiàn)在/cs下降沿；當/cs保持為低時,第一個數(shù)據(jù)出現(xiàn)在eoc的上升沿，后續(xù)數(shù)據(jù)在i/o clock下降沿依次輸出，這個數(shù)據(jù)串是前一次轉換的結果。2.轉換周期:i/o周期的最后一個i/o clock下降沿之后，eoc變低，采樣值保持不變，轉換周期開始，片內(nèi)轉換器對采樣值進行逐次逼近式a/d轉換，其工作由i/oclock同步了的內(nèi)部時鐘控制，轉換完成后eoc變高，轉換結果鎖

50、存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個i/o周期輸出，i/o周期和轉換周期交替進行，從而可減小外部的數(shù)字噪聲對轉換精度的影響。輸出及其具體的轉換編程設計請見下章應用軟件設計。2.4 數(shù)模轉換器接口電路設計數(shù)模轉換器選用具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位d/a轉換器dac0832，是美國國家半導體公司（nsc）的產(chǎn)品，能直接與mcs51單片機相接口，不需要附加任何其他i/o接口芯片。其引腳如圖2-6所示。圖2-6 dac0832引腳其主要性能如下：分辨率8位；電流穩(wěn)定時間1微秒；可雙緩沖、單緩沖或直接數(shù)字輸入；只需在滿量程下調(diào)整其線形度；單一電源供電（+5+15v）；低功耗，20mw。dac0832采用cmo

51、s工藝，具有20個引腳雙列直插式單片8位d/a轉換器，主要由三部分構成：一個8位輸入寄存器，一個8位dac寄存器和一個8位d/a轉換器。其輸入端可分為單緩沖型接口方法，雙緩沖型接口方法和直通型的接口方法。輸出分為單極型輸出和雙極性輸出。設計采用單緩沖輸入和單極性輸出。接口電路如圖2-7所示。2.5 v/i變換電路設計本部分主要由多通道模擬開關cd4051，采樣保持集成電路lf398，及放大器組成。具有多路轉換，采樣保持，及v/i變換功能。由于設計的是六個通道采集輸入和六個通道分別輸出的系統(tǒng)，所以用8選1的模擬開關cd4051。cd4051由電平轉換電路、譯碼電路和開關電路三部分組成。其中電平轉

52、換電路可完成cmos到ttl的電平轉換功能，因此輸入電平范圍寬，數(shù)字量信號電平幅度為315v，模擬信號峰峰值可達15v。地址譯碼具有禁止功能，可根據(jù)cpu給出的地址信號，方便的選擇其輸入通道，從而使輸入與輸出相連通。采樣保持集成電路lf398為國家半導體公司生產(chǎn)的。它具有采樣速度快，保持下圖2-7 dac0832單極性輸出接口電路降率低及精度高等特點。片內(nèi)不含保持電容ch,一般選擇電解電容，當保持電容為0.01uf時，信號達到0.01精度所需要的獲取時間（采樣時間）為25us，其下降速率為3mv/s。即使輸入電壓等于電源電壓時，也可以將輸入直接耦合到輸出端。v/i變換則采用放大器構成反向輸出求

53、和電路，當d/a轉換器輸出為0時，只有+1 v作用，經(jīng)過250的電阻產(chǎn)生4ma直流信號，當d/a轉換器輸出為+5v時，兩個電源為求和電路，5v信號經(jīng)過312.5的電阻產(chǎn)生16ma信號，兩者疊加共產(chǎn)生20ma直流信號。其電路連接如圖2-8所示：采樣保持放大器圖2-8 420ma輸出電路2.6 復位及運行監(jiān)視電路設計由于80c52單片機內(nèi)沒有獨立的監(jiān)視定時器（watchdog timer），所以需另行設計監(jiān)視電路以提高系統(tǒng)的可靠性。設計中采用了專用集成電路x5045。x5045是一種集成看門狗、電壓監(jiān)控和串行eprom三種功能于一身的可編程電路。其引腳如圖2-9所示。x5045引腳含義見表2-2。

54、圖2-9 x5045引腳圖表2-2 x5045引腳含義cs片選信號si串行輸出so串行輸出sck串行時鐘信號wp寫使能引腳res復位vss電源負vcc電源正x5045與單片機接口見圖2-10所示：圖2-10 x5045與單片機接口原理圖設計中應用到以下幾方面功能：1.上電復位x5045加電時會激活其內(nèi)部的上電復位電路，從而使reset引腳有效。該信號可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作。當vcc超過器件的vtrip門限值時，電路將在200ns(典型)延時后釋放reset以允許系統(tǒng)開始工作。2.電壓監(jiān)視工作時，x5045對vcc電平進行監(jiān)測，若電源電壓跌落至預置的最小vtrip以下時，系統(tǒng)即確認reset，從而避免微處理器在電源失效或斷開的情況下工作。當reset被確認后，該reset信號將一直保持有效，直到電壓跌到低于1v。而當vcc返回并超過vtrip達200ns時，系統(tǒng)重新開始工作。3.看門狗定時器看門狗定時器的作用是通過監(jiān)視wdi輸入來監(jiān)視微處理器是否激活。由于微處理器必須周期性的觸發(fā)cs/wdi引腳以避免reset信號激活而使電路復位，所以cs/wdi引腳必須在看門狗超時時間終止之前受到由高至低信號的觸發(fā)。4.