畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的二線制數(shù)據(jù)傳感器設(shè)計(jì)

1、摘要工業(yè)上普遍需要測(cè)量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等。都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號(hào)才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上，這種將物理量轉(zhuǎn)換成點(diǎn)信號(hào)的設(shè)備稱為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的是用420mA電流來(lái)傳輸模擬量。采用電流信號(hào)的原因是不容易受到干擾，并且電流源內(nèi)阻無(wú)窮打，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA的電流通斷引起的火花能量不足引燃瓦斯；下限沒(méi)有取0mA的原因是為了能檢測(cè)斷線，正常工作時(shí)不會(huì)低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0mA所以常取2mA作為斷線報(bào)警值。本課題通過(guò)分析二線制、三線制、四線制變送器的各自

2、特點(diǎn)，在總結(jié)典型變送器設(shè)計(jì)思路與方法的基礎(chǔ)上，提出了一張經(jīng)濟(jì)實(shí)用的二線制智能變送器設(shè)計(jì)方案。該方案單片機(jī)為核心，能對(duì)特殊的非線性的傳感器進(jìn)行線性修正處理。主要解決問(wèn)題是兩條線既要提供工作電流，又要傳輸測(cè)量信號(hào)，需要協(xié)調(diào)一致，不能相互沖突；由于零點(diǎn)電流為4mA，因此必須保證整個(gè)變送器的工作電流要在3.5mA之內(nèi)；線制的輸出電流反饋電路比較特殊，要選擇合理的電路方案，保證輸出電流即工作電流不隨負(fù)載與工作電壓變化而變化。關(guān)鍵詞：兩線制變送器 V/I變換電路 調(diào)理電路 單片機(jī)AbstractIndustry generally need to measure all kinds of non-elec

3、tric physical quantity, such as temperature, pressure, speed, Angle and so on. Needs to be converted into analog electrical signals can transmit to hundreds of meters outside of the control room or display device, the convert quantity into point signal device called a transducer. Industry is the mos

4、t widely used to transmit analog 4 20 ma current.Adopt the cause of the current signal is not easily disturbed, and infinite, current source internal resistance wire resistance in series in the circuit will not affect the accuracy. Sad take 20 ma because explosion-proof requirements, 20 ma electric

5、current caused by broken spark ignition gas energy shortage; Floor didnt take 0 ma in order to detection of bolt, is the cause of not less than 4 ma in normal working conditions, when the transmission line circuit because of malfunction, the loop current is reduced to. Often take 2 ma as a disconnec

6、tion alarm value.This topic by analyzing the two wire, three wire system and four wire transducer characteristics, summarizing the typical transducer, on the basis of design idea and method, put forward a two wire system intelligent transmitter design scheme of economical and practical. To a single

7、chip microcomputer as the core, special nonlinear sensor linear correction processing. Due to the zero current is 4 mA, so must ensure that the transducer working current to within 3.5 mA; A special wire output current feedback circuit, choose reasonable circuit scheme, guarantee the output current

8、is not along with the load current and work voltage changes.Keywords: two-wire transmitter, V/I inverter, recuperating circuit, Single chip microcomputer目錄摘要IAbstractII目錄III前言11 緒論31.1 概述（課題來(lái)源及意義）31.2國(guó)內(nèi)外研究概況及研究現(xiàn)狀41.2.1二線制變送器概述41.2.2智能變送器的研究現(xiàn)狀52 二線制變送器系統(tǒng)介紹82.1 智能變送器概述82.1.1變送器分類82.1.2二線制變送器特點(diǎn)102.2設(shè)計(jì)目

9、的和要求113 二線制變送器硬件設(shè)計(jì)123.1普通電路的設(shè)計(jì)123.2二線制變送器電路原理分析133.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路153.4 系統(tǒng)電路原理及設(shè)計(jì)163.4.1電源變換模塊163.4.2 調(diào)理電路模塊設(shè)計(jì)193.4.3V/I變換模塊設(shè)計(jì)213.4.4電流接收電路設(shè)計(jì)223.4.524位AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)233.4.6顯示電路設(shè)計(jì)233.4.7MSP430單片機(jī)簡(jiǎn)介244 軟件設(shè)計(jì)264.1總體系統(tǒng)原理264.2數(shù)據(jù)采集和處理模塊274.3顯示模塊275 系統(tǒng)測(cè)試295.1變換精度測(cè)試295.2電阻值非線性度測(cè)試295.3結(jié)果驗(yàn)算29總結(jié)31致謝32參考文獻(xiàn)33附件1 設(shè)計(jì)源程序34附件2 模

10、擬電路仿真36A2.1 仿真流程37A2.2 調(diào)試方法37前言在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，用一個(gè)儀表放大器來(lái)完成信號(hào)得到調(diào)理并進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：第一，由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)受到噪聲干擾；第二在現(xiàn)場(chǎng)如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題和避開(kāi)相關(guān)噪聲的影響，我們用電流來(lái)傳輸信號(hào)，因?yàn)殡娏鲗?duì)噪聲并不敏感。420mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號(hào)，用20mA表示信號(hào)的滿刻度，而低于4mA高于20mA的信號(hào)用于各種故障的報(bào)警。電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成420mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變

11、送器。如圖1.1所示。當(dāng)然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節(jié)省一根線，稱之為三線制變送器，如圖1.2所示。其實(shí)大家可能注意到420mA電流本身就可以為變送器供電，如圖1.3所示。變送器在電路中相當(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在420mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為 4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設(shè)計(jì)成為可能。在工業(yè)應(yīng)用中，測(cè)量點(diǎn)一般在現(xiàn)場(chǎng)，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。二線制能節(jié)約大量的導(dǎo)線從

12、而降低成本，因此在應(yīng)用中兩線制傳感器必然是首選。圖1.1 四線制變送器圖1.2 三線制變送器圖1.3 二線制變送器1 緒論1.1 概述（課題來(lái)源及意義）近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得儀器、儀表向自動(dòng)化、多功能化方向發(fā)展，特別是目前發(fā)展較快的總線技術(shù)要求變送器（或傳感器）具有良好的可靠性和更高的精度。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)化系統(tǒng)不斷的大型化和復(fù)雜話，從過(guò)去以生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行穩(wěn)定性為目的轉(zhuǎn)變?yōu)榻裉齑笠?guī)模集中和最佳化控制，對(duì)變送器提出越來(lái)越高的要求。二線制智能變送器不易受寄生熱電偶和沿電線電阻降壓和溫漂影響，在電流源輸出電阻足夠大時(shí)，經(jīng)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，因?yàn)楦蓴_源

13、引起的電流干擾極小，一般利用雙絞線就能降低干擾；電容性干擾會(huì)導(dǎo)致接收器電阻有關(guān)誤差。因此，可以允許的電線長(zhǎng)度比電壓遙測(cè)系統(tǒng)更長(zhǎng)更遠(yuǎn)；各個(gè)單臺(tái)讀裝置或記錄裝置可以在電線長(zhǎng)度不等的不同通道間進(jìn)行換接，不因電線長(zhǎng)度的不等造成精度的差異；將4mA用于零電平，使判斷開(kāi)路或傳感器順壞十分方便（0mA狀態(tài)）；在兩線輸出口容易增加防浪涌，防雷擊器件，有利于安全防爆。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用傳感器加主機(jī)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)儀表形式，可降低系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)功能所需。同一張傳感器制作時(shí)材料、工藝的差別，使得每只傳感器輸出信號(hào)幅值都不一樣，如同壓片式壓力傳感器，在同樣+5VDC電壓供電情況下，滿量程時(shí)輸出信號(hào)在4mv20mv之間變化；不同作用

14、的傳感器同樣存在輸出信號(hào)不同的問(wèn)題。這給主機(jī)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修帶來(lái)來(lái)了很大困難。所以，對(duì)選用輸出不同幅值的弱信號(hào)傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一張通用的主機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變送和傳輸，可以降低系統(tǒng)成本，便于調(diào)試、維修。是相當(dāng)有必要和實(shí)用意義的。1.2國(guó)內(nèi)外研究概況及研究現(xiàn)狀1.2.1二線制變送器概述自動(dòng)化儀表主要由檢查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(lái)越大，相應(yīng)的自動(dòng)化管理系統(tǒng)日趨負(fù)載。由于技術(shù)機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展和廣泛應(yīng)用，近10年來(lái)在控制系統(tǒng)方面有了很大進(jìn)展。控制系統(tǒng)的各功能環(huán)節(jié)在信息的傳送、管理和超重上緊密配合，形成了高度負(fù)載的分散型過(guò)程控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)價(jià)格的

15、大幅度下降，PC機(jī)和各種單片機(jī)在工業(yè)和各行業(yè)應(yīng)用日益廣泛。在控制網(wǎng)絡(luò)中，各種測(cè)量?jī)x表往往用單片機(jī)作數(shù)據(jù)處理單元，而在主控室，有微機(jī)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的顯示、存儲(chǔ)和匯總。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展，測(cè)量系統(tǒng)也逐漸發(fā)展，使得智能儀表的發(fā)展也越來(lái)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(jì)算機(jī)（IPC）、PLC、可編程單回路調(diào)節(jié)器等基本上主宰了這一領(lǐng)域。過(guò)程控制系統(tǒng)有以下幾種發(fā)展趨勢(shì)：1. 控制中心向現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移傳統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)中的回路級(jí)或裝置級(jí)的控制功能將下放到現(xiàn)場(chǎng)，使系統(tǒng)成為真正的、徹底分散的系統(tǒng)。2. 開(kāi)放系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)開(kāi)放系統(tǒng)要求互聯(lián)性和互操作性，即不同廠家生產(chǎn)的儀表、裝置應(yīng)能在

16、一個(gè)系統(tǒng)中協(xié)同工作。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件技術(shù)的高速發(fā)展給開(kāi)放系統(tǒng)帶來(lái)了曙光。DI哦那個(gè)是（Control System International Inc）退出一直UCOS（用戶可配置開(kāi)放系統(tǒng)）DCS，他采用可來(lái)自多方廠商的商用軟硬件和商用網(wǎng)絡(luò)，操作系統(tǒng)采用Windows NT，非專利的現(xiàn)場(chǎng)控制單元可提供多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)直接訪問(wèn)能力，與器連接的I/O子系統(tǒng)亦可來(lái)自多方廠商。毫無(wú)疑問(wèn)，這種系統(tǒng)將成為真正的開(kāi)放系統(tǒng)。3. 智能控制技術(shù)將得到進(jìn)一步應(yīng)用專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制技術(shù)，已在直接數(shù)字控制及優(yōu)化控制中得到了初步應(yīng)用。目前，在控制領(lǐng)域中，智能控制理論與技術(shù)是一個(gè)研究的熱點(diǎn)，這種研究

17、“熱”無(wú)疑將會(huì)使智能控制技術(shù)的應(yīng)用水平得到較快的提高。4. 多媒體技術(shù)的應(yīng)用多媒體技術(shù)無(wú)疑可以引入過(guò)程控制領(lǐng)域。操作員、工程師將可以坐在控制室里，從DCS的計(jì)算機(jī)屏幕上看到現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)畫(huà)面，聽(tīng)到來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的聲音，以此來(lái)監(jiān)視設(shè)備的關(guān)鍵部位。由于智能儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，過(guò)程控制的主流系統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)折性變化，控制功能項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移和分散，專利系統(tǒng)將向用戶可配置（集成）的開(kāi)放系統(tǒng)過(guò)渡。這種功能向現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移和分散，專利系統(tǒng)將向用戶可配置（集成）的開(kāi)放系統(tǒng)過(guò)渡。這種控制系統(tǒng)的發(fā)展使智能系統(tǒng)成為當(dāng)今控制系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)。由于控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，而測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)展卻很小，使之難于滿足先進(jìn)的控制系統(tǒng)要求。隨著

18、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近年來(lái)由于低功耗、多功能單片微處理器、高精度-、A/D與D/A變換器的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)于諸如溫度、濕度、流量、位移等物理量的測(cè)量與控制，如何提高系統(tǒng)的可靠性與精度，減少外部鏈接線，對(duì)于量程浮動(dòng)、輸出信號(hào)可遠(yuǎn)傳和隨量程線性轉(zhuǎn)移，以及一機(jī)多用即以統(tǒng)一檢測(cè)模板用于不同物理量的檢測(cè)場(chǎng)合，并滿足多種線性與非線性輸入信號(hào)的精度要求等課題，已越來(lái)越為廣大科技人員所關(guān)注。同時(shí)世界上一些主要的儀表制造廠相繼研制陳宮了帶微處理機(jī)構(gòu)的各種智能變送器，開(kāi)創(chuàng)了“智能式”變送器的新階段。1.2.2智能變送器的研究現(xiàn)狀變送器是工業(yè)過(guò)程重要的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備

19、之一。主要完成物理信號(hào)的測(cè)量和變換處理。隨著高參數(shù)、大容量設(shè)備的增加和過(guò)程工藝的復(fù)雜話。對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的依賴性越來(lái)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(hào)標(biāo)準(zhǔn)傳送信號(hào)的二線制變送器（國(guó)內(nèi)還有少量四線制010mADC信號(hào)變送器）。它們?cè)趥魉托盘?hào)時(shí)，模擬信號(hào)不能簡(jiǎn)單疊加，信道為一對(duì)一，即一（或二）對(duì)導(dǎo)線上只能傳輸一個(gè)變送器輸出信號(hào)，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(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行數(shù)化處理，并增加數(shù)字通信接口，可以直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信。使用數(shù)字通信的信道復(fù)用技術(shù)和低功耗電路，使多個(gè)變送器可共用同一條通信總線

20、并進(jìn)行雙向通信，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)引線。微處理器直接對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，使變送器的測(cè)量精度和量程比大為提高，并具有診斷報(bào)警功能，還可克服溫漂和各種零漂影響，有點(diǎn)還具有PID輸出等高級(jí)處理功能。通過(guò)數(shù)字雙向通信，可在控制室中對(duì)變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、標(biāo)定和組態(tài)，因此智能變送器的性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通變送器，近10年來(lái)在國(guó)外已獲得日益廣泛的應(yīng)用。1983年，美國(guó)Honeywell公司將第一個(gè)稱為Smart變送器的STJ-3000D壓力變送器推入了美國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，使智能變送器進(jìn)入了商品話。隨后美國(guó)的Rosemount, Foxboro 等一些公司在1986年美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA）的會(huì)議上爭(zhēng)相退出了一些稱為S

21、mart變送器的新型智能變送器系列。這類變送器具有適應(yīng)各種新應(yīng)用的能力克服了以往模擬變送器準(zhǔn)確度不夠高、飄逸過(guò)大、量程有限、維護(hù)和維修費(fèi)用打等一些補(bǔ)助。由于這類變送器內(nèi)部都有微處理器，采用了數(shù)字集成化測(cè)量方式，不僅能輸出420mA的模擬信號(hào)，而且還能輸出數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)和控制室之間進(jìn)行雙向數(shù)字通信。這一典型的數(shù)字通信功能縮小了測(cè)量技術(shù)與控制技術(shù)之間的差距。如果采用這種數(shù)字式集成化測(cè)量與控制方式，就能消除許多與模擬電路有關(guān)的誤差源，因此能達(dá)到更高的性能標(biāo)準(zhǔn)。例如總的測(cè)量回路可以不用數(shù)模轉(zhuǎn)換盒模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于智能變送器采用先進(jìn)的傳感技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字通信技術(shù)，加上采用超大規(guī)模離子注入技術(shù)

22、及超精細(xì)加工工藝技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)是一般變送器無(wú)法比擬的；（1） 具有420mA DC或數(shù)字信號(hào)輸出功能（2） 有較高的精度和較好的重復(fù)性。一般智能變送器，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(bǔ)償，不受日夜、冬夏溫差變化的影響，具有很好的重復(fù)性。（3） 寬量程比。智能變送器量程比普遍達(dá)到40：1以上，而普通變送器一般為10：1。寬量程比可使得變送器本身的實(shí)用性，通用性得以提高，給用戶及設(shè)計(jì)者帶來(lái)方便，減少備用表數(shù)量及種類。（4） 完善的自診斷功能。通過(guò)通信器可查出變送器自身診斷的故障信息。（5） 通過(guò)DCS或通信器可遠(yuǎn)程隊(duì)變送器編程、組態(tài)、檢查和效驗(yàn)。智能變送器的發(fā)展與傳感

23、器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是分不開(kāi)的。新一代的變送器必然是全數(shù)字化的。具有通訊功能是智能變送器的共同特點(diǎn)。用通訊方法將測(cè)量結(jié)果送入操作站，不會(huì)損失精度。因此，比模擬信號(hào)通過(guò)A/D進(jìn)入操作站更有優(yōu)勢(shì)。這種智能變送器給用戶帶來(lái)了極大的方便。它可以通過(guò)一個(gè)SFC智能現(xiàn)場(chǎng)通訊器對(duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的變送器進(jìn)行組態(tài)，變更、校準(zhǔn)、自診斷，還可以將現(xiàn)場(chǎng)變送器作為一個(gè)420mA的恒流源來(lái)使用（也是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)通訊器來(lái)實(shí)現(xiàn)）。另外智能變送器組態(tài)的內(nèi)容包括遠(yuǎn)程設(shè)定變送器標(biāo)號(hào)，線性輸出或是方根輸出，測(cè)量范圍，阻尼時(shí)間常數(shù)等。變更測(cè)量范圍時(shí)，不需要把變送器從過(guò)程線管上拆下來(lái)，也不需要對(duì)變送器送入差壓信號(hào)或壓力信號(hào)，只需要通過(guò)SFC

24、鍵盤(pán)的簡(jiǎn)單操作就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定、變更和校準(zhǔn)。這樣一來(lái)就大大減少了工廠檢修停工期和縮短維修時(shí)間。智能變送器的自診斷功能也給使用和維修帶來(lái)了不少實(shí)惠，比如JTD200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(guò)程異常檢查等。診斷顯示有27種形式，通過(guò)這些顯示立即可以識(shí)別問(wèn)題所在區(qū)段。智能通訊器和現(xiàn)場(chǎng)變送器通訊的方式各家公司是不一樣 ，有點(diǎn)是無(wú)線的，有的是將通訊信號(hào)子以調(diào)制，通過(guò)420mA的直流信號(hào)線進(jìn)行傳送。微機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)將會(huì)進(jìn)入越來(lái)越多的儀表。如上所述智能變送器具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此它最適用于測(cè)量范圍變化較大、環(huán)境條件較差而要求測(cè)量精度高和采用數(shù)字通信的大型控制系統(tǒng)及特殊應(yīng)用

25、場(chǎng)合。2 二線制變送器系統(tǒng)介紹2.1 智能變送器概述智能式變送器是由傳感器和微處理器相結(jié)合而構(gòu)成的。它充分利用了微處理器的運(yùn)算和存儲(chǔ)能力，可對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對(duì)測(cè)量信號(hào)的調(diào)理（如濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等）、數(shù)據(jù)顯示、自動(dòng)校正和自動(dòng)補(bǔ)償?shù)?。微處理器是智能變送器的核心。它不但可以?duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理，還可以通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使得采集數(shù)據(jù)達(dá)到最佳。由于微處理器具有各種軟件和硬件功能，因而他可以完成傳統(tǒng)變送器難以完成的任務(wù)。所以智能式變送器還具有以下特點(diǎn)：具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，可通過(guò)軟件對(duì)傳感器的非線性、溫漂、時(shí)漂等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?？勺栽\斷，通電后可對(duì)傳感器進(jìn)行自檢，以

26、檢測(cè)傳感器各部分是否正常，并作出判斷。數(shù)據(jù)處理方便準(zhǔn)確，可根據(jù)內(nèi)部程序自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)出來(lái)、去處異常數(shù)值等。具有雙向通信功能。微處理器不但可以接受和出來(lái)傳感器數(shù)據(jù)，還可將信息反饋至傳感器，從而對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制?？蛇M(jìn)行信息存儲(chǔ)和記憶，能存儲(chǔ)傳感器的特征數(shù)據(jù)、組態(tài)信息和補(bǔ)償特性等。具有數(shù)字量接口輸出功能，可將輸出的信號(hào)方便地和計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行連接。2.1.1變送器分類變送器種類很多，總體來(lái)說(shuō)就是由變送器發(fā)出一種信號(hào)來(lái)給二次儀表使二次儀表顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，將物理測(cè)量信號(hào)或普通電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出或能夠以通訊協(xié)議方式輸出的設(shè)備。儀表分為：溫度/濕度變送器，壓力變送器，差壓變送器，

27、液位變送器，電流變送器，電量變送器，流量變送器，重量變送器等。變送器的在傳輸方式上分為二線制、三線制、四線制等幾種傳輸模式。二線制傳輸方式中，供電電源，負(fù)載電阻、變送器都是串聯(lián)的，即兩根導(dǎo)線同時(shí)傳送變送器所需的電源盒輸出電流信號(hào)；二線制變送器原理圖如圖2.1所示。圖2.1 二線制變送器原理圖三線制方式中，電源正斷和信號(hào)輸出的正斷，它們共用一個(gè)地線，電流信號(hào)是從I+和V-兩端得到的。三線制原理圖如圖2.2所示。圖2.2 三線制變送器原理圖四線制方式中，供電電源、負(fù)載電阻分別與變送器相連的，即供電電源和變送器輸出信號(hào)分別用二根導(dǎo)線傳輸。四線制變送器原理圖如圖2.3所示。兩線制是指現(xiàn)場(chǎng)變送器與控制室

28、儀表聯(lián)系僅用兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線即使電源線，又是信號(hào)線。兩線制與三線制（一根正電源線，兩根信號(hào)線，其中一根共GND）和死線制（兩根正負(fù)電源線，兩根信號(hào)線，其中一根GND）相比，二線制具有較多的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。圖2.3 四線制變送器原理圖2.1.2二線制變送器特點(diǎn)二線制變送器有如下特點(diǎn)：（1） 不易受寄生熱電偶和沿線電阻壓降和溫漂影響，可用非常便宜的更細(xì)的導(dǎo)線；（2） 在電流源輸出電阻足夠打時(shí)，經(jīng)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，因?yàn)楦蓴_源引起的電流極小，一般利用雙絞線就能降低干擾；（3） 電容性干擾會(huì)導(dǎo)致接受器電阻有關(guān)誤差，對(duì)于420mA環(huán)路，接受器電阻通常為250（取樣Uout

29、=15v）這個(gè)電阻小到不足以產(chǎn)生顯著誤差，因此，可以允許的電線長(zhǎng)度比電壓遙測(cè)系統(tǒng)更長(zhǎng)更遠(yuǎn)；（4） 各個(gè)單臺(tái)讀裝置或記錄裝置可以在電線長(zhǎng)度不等的不同通道間進(jìn)行換接，不因電線長(zhǎng)度的不等造成精度的差異；（5） 將4mA用于零電平，使判斷開(kāi)路或傳感器順壞十分方便（0mA狀態(tài)）；（6） 在兩線輸出口容易增加防浪涌，防雷擊器件，有利于安全防爆。二線制變送器電流環(huán)中供電電源、負(fù)載電阻、變送器是串聯(lián)的，即兩根導(dǎo)線同時(shí)傳送變送器所需的電源和輸出電流信號(hào)，所以設(shè)計(jì)二線制變送器需注意以下幾點(diǎn)；（1） 電壓條件：在變送器電流環(huán)路中，一般取R=250。當(dāng)I=420mA 時(shí)，U1=15V?？紤]到可能會(huì)串接其他儀表，以及傳

30、輸電纜的導(dǎo)線電阻，R的最大值取350，因此最大消耗電源為7V。而外接電源一般為24V DC，允許有的變化，所以外接電壓最小為21.6V，變送器輸入電壓最小為14.6V（21.6V7V），所以變送器工作電壓不能超過(guò)此電源?？紤]到電流表等的壓降，變送器內(nèi)的一個(gè)期間的電壓最好為5V以下。（2） 電流條件：由于變送器最小輸出信號(hào)電流為4mA，變送器中各器件功率電流要小于4mA。（3） 功率條件：變送器能夠利用的小功率為：為保證變送器在此條件下能正常工作，電路設(shè)計(jì)中也應(yīng)選用低功率小電流的集成運(yùn)放和穩(wěn)壓管，而且整個(gè)電路要盡量簡(jiǎn)單，才能使變送器的電源，電流、功率條件得到滿足。2.2設(shè)計(jì)目的和要求在充分了解國(guó)

31、內(nèi)外變送器發(fā)展動(dòng)態(tài)的前提下，結(jié)合實(shí)際的現(xiàn)狀，研制了相應(yīng)的硬件裝置，完成了軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。（4） 選擇合適的處理器及外圍電路芯片，進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，通過(guò)硬件將非線性模擬量轉(zhuǎn)換成線性模擬量。（5） 將線性模擬量轉(zhuǎn)換成420mA電信號(hào)送入微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。（6） 通過(guò)單片機(jī)采集數(shù)據(jù)并在液晶屏上顯示出來(lái)。設(shè)計(jì)要求為，1000W2000W對(duì)應(yīng)的電流輸出為420mA，變換精度優(yōu)于1%，變換非線性度優(yōu)于2%，輸出傳輸線的長(zhǎng)度不小于1m。信號(hào)發(fā)生部分要求能夠?qū)⑤斎腚娏髁哭D(zhuǎn)換成電阻量并采用數(shù)碼顯示，顯示分辨率為1W。3 二線制變送器硬件設(shè)計(jì)3.1普通電路的設(shè)計(jì)變送器按傳輸方式有二線制、三線制和四線制等三種

32、方式。根據(jù)傳輸方式設(shè)計(jì)不同的電路。這三種傳輸方式的電路如圖3.1、3.2、3.3所示。圖3.1 四線制變送器圖3.2 三線制變送器圖3.3 二線制變送器二線制電路傳送器的6大全面保護(hù)功能（1） 輸入過(guò)載保護(hù)；（2） 輸出過(guò)流限制保護(hù)；（3） 輸出電流長(zhǎng)時(shí)間短路保護(hù)；（4） 兩線制端口瞬態(tài)感應(yīng)雷與浪涌電流TVS抑制保護(hù)；（5） 工作電源過(guò)壓極限保護(hù)；（6） 工作電源反接保護(hù)。三線制和四線制變送器均不具有上述優(yōu)點(diǎn)即將被兩線制變送器取代，從國(guó)外的行業(yè)動(dòng)態(tài)及變送器芯片供應(yīng)量即可略知一二，電流變送器在使用時(shí)要安裝在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的動(dòng)力線上，而單片機(jī)為核心的檢測(cè)系統(tǒng)則位于較遠(yuǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控室里，兩者一般相距幾十

33、米到幾百米甚至更遠(yuǎn)。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣，強(qiáng)電信號(hào)會(huì)產(chǎn)生各種電磁干擾，雷電感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)浪涌脈沖，在這種情況下，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中遇到的一個(gè)棘手的問(wèn)題就是如何惡劣的環(huán)境下遠(yuǎn)距離得傳送微小的信號(hào)。3.2二線制變送器電路原理分析二線制變送器是通過(guò)信號(hào)線提供驅(qū)動(dòng)電源的變送器，采用二線制變送器可以節(jié)省電源線。二線制變送器首先被壓差變送器采用。差壓變送器一般分散分布在龐大的工廠內(nèi)，采用二線制變送器，大大降低了施工費(fèi)用。例如在露天分布有大量?jī)?chǔ)藏罐的罐區(qū)，由于儲(chǔ)藏罐分布很散，而且很多都不能接電源，這種情況下采用無(wú)需供電的二線制變送器就非常方便。二線制變送器的信號(hào)是大家都很熟悉的420mA直流電流信號(hào)。該420m

34、A直流信號(hào)的抗噪訊能力很強(qiáng)，即使在有電力設(shè)備的環(huán)境下都可以保證信號(hào)的穩(wěn)定傳送。如果采用電壓信號(hào)，例如DC0-10V的信號(hào)線加上10V的噪訊電壓10V，信號(hào)線上的信號(hào)將增加一倍。而二線制變送器的輸出端子側(cè)得變送器內(nèi)部的阻抗值至少有1M，因此噪訊電壓10V加在受信阻抗上的電流值I如式3-1所示：（3-1）相對(duì)于量程20mA，影響只有1/2000。這是二線制變送器的優(yōu)越之處。二線制變送器的接線圖如圖3.4所示。信號(hào)回路上是420mA的電流信號(hào)。二線制變送器利用輸入信號(hào)0%對(duì)應(yīng)4mA的直流電流動(dòng)作。信號(hào)為100%時(shí)，變送器就在4mA上加上16mA將回路的信號(hào)控制在20mA。二線制變送器內(nèi)部控制使輸出信

35、號(hào)420mA的輸入信號(hào)成正比。因?yàn)槎€制變送器本身就有V1的壓降，所以信號(hào)回路的受信阻抗的最大值為（DC24V-V1）/20mA。圖3.4 二線制變送器接線圖二線制變送器的原理是利用了420mA信號(hào)為自身提供電能。如果變送器自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求二線制變送器自身耗電（包括傳感器在內(nèi)的全部電路）不大于3.5mA。這死兩線制變送器的設(shè)計(jì)根本原則之一。從整體結(jié)構(gòu)上來(lái)看，兩線制變送器由三大部分組成：傳感器、調(diào)理電路、兩現(xiàn)在V/I變化器構(gòu)成。傳感器將溫度壓力信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。兩線制V/I變化電路根據(jù)信號(hào)調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流；同時(shí)從環(huán)

36、路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調(diào)理電路和傳感器使用。除了V/I變化電路之外，電路中每個(gè)部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設(shè)計(jì)思想是將所有的電流都包括在V/I變化的反饋環(huán)路內(nèi)如圖3.5。圖3.5 二線制變送器原理圖采樣電阻Rs串聯(lián)在電路的低端，所有的電流都將通過(guò)Rs流回到電源負(fù)極，從Rs上取到的反饋信號(hào)，包含了所有電路的耗電。在兩線制變送器中，所有的電路總功耗不能大于3.5mA，因此電路的低功耗成為了主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。下面將逐一分析各個(gè)部分電路的原理與設(shè)計(jì)要點(diǎn)。3.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路根據(jù)題目要求，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析，我們制定出了總體的設(shè)計(jì)方案，如圖3.6所示。通過(guò)改變惠斯通電橋的一個(gè)單橋臂的阻值在10

37、002000范圍變化時(shí)，得到一可變電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，形成0.4V2V的電壓信號(hào),此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電流變送器后產(chǎn)生420mA電流信號(hào)輸出。電流接收電路將電流轉(zhuǎn)換成15V電壓信號(hào),再將15V電壓信號(hào)送入ADC芯片進(jìn)行模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理,并用液晶顯示器顯示電阻值。如圖3.6所示。圖3.6 系統(tǒng)方框圖電源部分為各部分電路提供直流供電,由于電源的不穩(wěn)定會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)前端的電橋電路、信號(hào)調(diào)理電路及后端的ADC轉(zhuǎn)換等電路的輸出精度有較大影響，故電路中使用了兩個(gè)基準(zhǔn)電壓電路，為系統(tǒng)前端和后端相關(guān)電路提供穩(wěn)定的恒壓源。從圖3.6中可以看出，由于二線制電流變送器及其前端所有器

38、件消耗的電流均最后匯集到一點(diǎn)流出，此點(diǎn)也是420mA電流信號(hào)流出點(diǎn)，如果電流變送器及前端所有的電路消耗電流值超過(guò)了4mA，則變送器將不能在產(chǎn)生所需的最低4mA電流輸出，故此處應(yīng)努力控制變送器及前端所有電路消耗的電流值不超過(guò)4mA，最好控制在3.5mA以內(nèi)。所以電路中應(yīng)盡量選用低功耗的芯片及其它元件進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.4 系統(tǒng)電路原理及設(shè)計(jì)與三、四線制相比，二線制變送器最大的困難在于電源線與信號(hào)線同一條線。為保證各放大器及CPU工作電源的穩(wěn)定性，需要將24V直流電壓穩(wěn)壓后為系統(tǒng)電壓，最后還要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。3.4.1電源變換模塊電源變化模塊是整個(gè)電路正常工作的集成，電源的穩(wěn)定性也直接關(guān)系著整

39、個(gè)電路的可靠性，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在選擇使用何種電壓變換芯片時(shí)，需要考慮效率、噪聲、成本、體積的要求，目前，常用于閥門(mén)定位器的DC-DC轉(zhuǎn)換器有以下幾種類型：低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）、電感型開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器和電荷泵等。電壓降（LDO）線性穩(wěn)壓器的成本低噪音低，靜態(tài)電流小，這些是它突出的優(yōu)點(diǎn)。它需要的外接元件也很少，通常只需要一兩個(gè)旁路電容。新的LDO線性穩(wěn)壓器可以達(dá)到以下指標(biāo)：輸出噪聲30uV，PSRR為60dB，靜態(tài)電流6uA，電壓降只有100mV。使得它在很多場(chǎng)合廣泛的使用。其特性有利于改善電源電路的整體銷量，它的過(guò)流保護(hù)功能可以提升電源的安全系數(shù)。但是，其轉(zhuǎn)換效率通常低于開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器。圖3.

40、7 LDO原理電容式電荷泵通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較強(qiáng)實(shí)現(xiàn)電壓提升，采用電容器來(lái)存儲(chǔ)能量。電荷泵是無(wú)需電感的，但需要外部電容器。由于工作于較高的頻率，因此可使用小型陶瓷電容（1mF），使空間占用更小，使用成本低。電荷泵僅用外部電容即可提供倍的輸出電壓。其損耗主要來(lái)自電容器的ESR（等效串聯(lián)電阻）和內(nèi)部開(kāi)關(guān)晶體管的RDS（ON）。電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感，因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它的輸出電壓是工程生產(chǎn)精密預(yù)置的，調(diào)整能力是通過(guò)后端片上線性調(diào)整器實(shí)現(xiàn)的，因此電荷泵在設(shè)計(jì)時(shí)可按需要增加電荷泵的開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動(dòng)空間。轉(zhuǎn)換效率要高，靜態(tài)電

41、流要小，可以更省電：輸入電壓要低，盡可能利用電池的潛能；噪音要小對(duì)整體電路無(wú)干擾；功能集成度要高，提高單位面積的使用效率；足夠的輸出調(diào)整能力，電荷泵不會(huì)因工作在滿負(fù)荷狀態(tài)而發(fā)燙；安裝成本低，包括周邊電路占PCB板面積小，接線少而簡(jiǎn)單；具有關(guān)閉控制端，可在長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)狀態(tài)下關(guān)閉電荷泵，使其供電電流消耗近乎為0。由LDO原理可知，LDO電壓的轉(zhuǎn)換效率很低，大約為輸出電壓與輸入的比，我們假設(shè)變送器外部電壓最低為17V，內(nèi)部芯片工作電壓為3.3V，則其工作效率最大為19.4%，上文我們提到，變送器最大的功率為80.8mW，實(shí)際上內(nèi)部芯片能夠得到的功率為24mW，這很大的限制的內(nèi)部芯片的選擇，而且嚴(yán)重的浪

42、費(fèi)電能。因此我們考慮使用開(kāi)關(guān)型DC-DC芯片作為電壓轉(zhuǎn)換芯片，開(kāi)關(guān)型電壓轉(zhuǎn)換芯片的效率較高一般在85%以上，且其輸入電壓范圍較大，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。但是DC/DC芯片的紋波、噪聲較大，所以在模擬電路中，特別是在儀器儀表的電流中，不適合使用噪聲較大的電源。本設(shè)計(jì)中，二線制電流變送器系統(tǒng)中需加載直流24V電壓，為此，我們選用了TI公司的LM317穩(wěn)壓芯片進(jìn)行24V電源設(shè)計(jì)。為了調(diào)試電路方便，在完成對(duì)24V電源設(shè)計(jì)的同時(shí)，在設(shè)計(jì)中還預(yù)留了一個(gè)5V電壓輸出端。具體設(shè)計(jì)原理如圖3.8所示。該電路使用起來(lái)方便可調(diào)，電路中的電容用于濾除雜波干擾。圖3.8 主電源原理圖 調(diào)理電路模塊設(shè)計(jì)惠斯通電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

43、具有靈敏度高，測(cè)量范圍寬，線形度好，精度高和容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此能很好地滿足應(yīng)變測(cè)量的要求，是目前最多最廣泛的一種測(cè)量電路。本設(shè)計(jì)將精密電阻箱串聯(lián)在電橋的一個(gè)單臂上，當(dāng)電阻箱的阻值為1000時(shí)，調(diào)節(jié)電橋使其平衡，無(wú)電壓輸出；當(dāng)電阻箱電阻在10002000范圍內(nèi)變化時(shí)，電橋平衡被破壞，輸出相應(yīng)的微小電壓量?？紤]到電路的整體電流消耗，構(gòu)成電橋的電阻值在選取時(shí)，應(yīng)盡量選取阻值較大的電阻，本電橋的3個(gè)橋臂均選取10K的誤差為0.1%的精密金屬膜電阻進(jìn)行搭建，另一個(gè)橋臂選取了5K、2K、1K的電阻各一個(gè)再串聯(lián)精密電阻箱及1個(gè)精密多圈可調(diào)電阻構(gòu)成，如圖3.7所示。由于電橋產(chǎn)生的電壓信號(hào)十分微弱，需

44、使用一個(gè)高輸入阻抗、低輸出阻抗的調(diào)理電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?。本設(shè)計(jì)利用參考電壓可調(diào)的低功耗芯片AD623搭建調(diào)理電路，該芯片接收惠斯通電橋上變化的電壓值并經(jīng)處理輸出0.4V2V的電壓。電路中TI芯片OPA277主要起到電壓跟隨器的作用，當(dāng)精密電阻箱的電阻調(diào)到1000時(shí)，電橋平衡，AD623差分輸入端無(wú)電壓輸入，此時(shí)電壓輸出為OV。調(diào)節(jié)精密可調(diào)電位器R2，使其可滑動(dòng)端上的分壓為0.4V,經(jīng)過(guò)OPA277構(gòu)成的電壓跟隨器后,為AD623芯片第五腳提供一個(gè)參考電壓，使AD623在輸入信號(hào)為0V的情況下其第6腳輸出一個(gè)0.4V的電壓，供后級(jí)進(jìn)行4mA的電流轉(zhuǎn)換。當(dāng)將精密電阻箱的阻值設(shè)定為2000時(shí)，此時(shí)電

45、橋平衡被破壞，輸出一個(gè)電壓，送入AD623的差分輸入端，此時(shí)調(diào)節(jié)AD623的第1，8腳之間的可調(diào)電阻R1，即可調(diào)節(jié)其電壓放大倍數(shù)，通過(guò)可調(diào)電阻R1，使運(yùn)放AD623輸出一個(gè)2V的電壓，供后級(jí)電流變送電路產(chǎn)生20mA的電流。電路中的5V電源均由基準(zhǔn)電壓電路提供。經(jīng)測(cè)試，電橋電路平衡時(shí)消耗電流為0.5mA, AD623消耗電流約為0.47 mA,R2及OPA277共消耗電流0.54 mA,總共消耗電流1.51 mA。圖3.9 惠斯通電橋與信號(hào)調(diào)理電路3.4.3V/I變換模塊設(shè)計(jì)常用二線制電流型變送器一般采用專用型芯片組成電路，但考慮到題目發(fā)揮部分的要求，我們決定采用運(yùn)放搭建二線制電流型變送器。本設(shè)

46、計(jì)中，我們使用了一片高性價(jià)比、低功耗的LM324運(yùn)放芯片同時(shí)完成了變送器與基準(zhǔn)電壓電路設(shè)計(jì)，如圖3.10所示。圖3.10所示電路中，由LM324、R3、R4、R5、R6和Q1共同構(gòu)成了電流變送電路?；?Q1和R5構(gòu)成負(fù)反饋電路,不但保證了LM324的“虛地”，同時(shí)也增加了變送器的電流輸出能力。進(jìn)而，由于運(yùn)放電路的“虛短”作用，運(yùn)放的第9腳、10腳與地之間為等電位點(diǎn)，此時(shí)調(diào)理電路輸出的的0.4V2V的電壓經(jīng)過(guò)R3時(shí)產(chǎn)生的壓降就為0.4V2V，由于運(yùn)放的“虛斷”作用，電路中的電流不能流入運(yùn)放，將從R4和R6上流出，最后合為一股，向后級(jí)電路流出。因?yàn)镽4為100K，R6為100，從電位上來(lái)看，兩個(gè)

47、電阻是并聯(lián)的，其并聯(lián)值99.9,相當(dāng)于所有電流都從R6流過(guò)，此時(shí)又由于R6上的電壓與R3上產(chǎn)生的壓降相同，故 0.42V電壓經(jīng)過(guò)R6，將會(huì)產(chǎn)生420mA的電流輸出。圖3.10中的LM324_2、R7和LM385-2.5共同構(gòu)成了基準(zhǔn)電壓電路，它的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)恒壓源。24V電源電壓輸入后，經(jīng)過(guò)R7限流，由LM385-2.5基準(zhǔn)電壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出一個(gè)2.5V的恒定基準(zhǔn)電壓，該電壓輸入給運(yùn)放LM324_2。由圖可知，該運(yùn)放為同相比例運(yùn)放，其外接電阻R1和R2被設(shè)置為相等時(shí)，其電壓放大倍數(shù)為2倍，將輸出一個(gè)恒定的5V電壓。此處R1和R2的選取相當(dāng)關(guān)鍵，如查R1、R2取得過(guò)小，則電流消耗量將會(huì)變大，

48、經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)取為100K時(shí)，電流消耗量為0.025mA,電流消耗量基本上可以忽略不計(jì)。經(jīng)測(cè)試，圖3.10所示電路總的電流消耗量為1.47 mA,變送器及前端電路的總消耗電流很好地控制在了2.98 mA。當(dāng)調(diào)節(jié)電橋的精密電阻箱阻值在10002000范圍內(nèi)變化時(shí)，變送器的輸出電流在420mA范圍內(nèi)變化，線性良好。圖3.10 電流變送電路及基準(zhǔn)電壓電路3.4.4電流接收電路設(shè)計(jì)當(dāng)變送器設(shè)計(jì)完成后，需設(shè)計(jì)一個(gè)電流接收電路，以完成電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換工作。我們采用LM324芯片組成了電流轉(zhuǎn)換電路，LM324芯片將電阻R2上取得的電壓值送入運(yùn)放電路中，對(duì)應(yīng)輸出15V的電壓信號(hào)。電路原理圖如圖3.11所示。圖3.

49、11 電流接收電路設(shè)計(jì)3.4.524位AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中AD采樣的精度對(duì)正弦信號(hào)的控制要求相當(dāng)高，在本設(shè)計(jì)基礎(chǔ)部分中我們?cè)玫組SP430系列單片機(jī)內(nèi)部自帶12位ADC，但發(fā)現(xiàn)其不能滿足題目發(fā)揮部分對(duì)信號(hào)采集分辯率的要求，因此必須選擇一款分辯率位數(shù)較高的AD芯片。ADS1255是TI公司生產(chǎn)的一款24位高精度AD轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成多路選擇開(kāi)關(guān)(MUX)、可編程增益控制器(PGA)，可編程數(shù)字濾波器等，是一款性能較高的ADC芯片，它能夠接收輸入幅度05V的電壓信號(hào)，前面設(shè)計(jì)的電流接收電路產(chǎn)生電壓信號(hào)15V，剛好可以用來(lái)完成題目的設(shè)計(jì)。其原理圖如圖3.12所示。圖3.12 ADS1255工作

50、原理圖3.4.6顯示電路設(shè)計(jì)為了顯示信息量能更加豐富，在設(shè)計(jì)中我們采用了帶中文字符的128*64液晶顯示器進(jìn)行顯示模塊的設(shè)計(jì)，該液晶由128列、64行組成，能顯示中英文字符及各種圖形，可很好完成題目要求。硬件連接如圖3.13所示。圖3.13 LCD硬件連接圖3.4.7MSP430單片機(jī)簡(jiǎn)介MSP430系列單片機(jī)是由美國(guó)德州儀器設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種16位的單片機(jī)，相比普通類型的單片機(jī)具有以下特點(diǎn)（1）處理能力強(qiáng)：采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的

51、查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。（2）運(yùn)算速度快：該系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法。（3）超低功耗：MSP430系列單片機(jī)電源電壓采用的是1.83.6V電壓因而可使其在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流最低會(huì)在165uA左右，RAM在保持模式下最低功耗只有0.1uA。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)開(kāi)啟的功能模塊不同，采用不同的工作模式，芯片的功耗有顯著的不同。（4）片內(nèi)資源豐富：看門(mén)狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A0、定時(shí)器A1（Timer_A1）、定時(shí)器B

52、0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、等等。綜上所述選用MSP430F149單片機(jī)作為控制核心。連線圖如圖3.14所示。圖3.14 MSP430單片機(jī)系統(tǒng)4 軟件設(shè)計(jì)4.1總體系統(tǒng)原理軟件部分主要完成三個(gè)功能，即信號(hào)采集、控制LCD顯示電阻值及相關(guān)信息。如圖4.1所示，在具體算法上，MSP430單片機(jī)每秒鐘對(duì)ADS1255進(jìn)行100次數(shù)據(jù)采樣，然后通過(guò)軟件方法對(duì)在硬件電路中實(shí)測(cè)得出的系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)計(jì)算采集回來(lái)的數(shù)據(jù)得出電阻的阻值，通過(guò)液晶顯示出當(dāng)前的電阻值率號(hào)。圖4.1 主模塊流程圖4.2數(shù)據(jù)采集和處理模塊圖4.2 中斷流程圖4.3顯示模塊圖4.3

53、LCD顯示主程序流程圖圖4.4 寫(xiě)指令子程序流程圖5 系統(tǒng)測(cè)試5.1變換精度測(cè)試電阻箱設(shè)定值R0(歐)，液晶顯示電阻值R1(歐),環(huán)路電流值為I(mA)。數(shù)據(jù)如表5.1所示。表5.1 變換精度測(cè)試數(shù)據(jù)R0(歐)10001250150017502000R1(歐)1002.701251.501504.81752.301999.80I(mA)4.008.0412.0816.0220.015.2電阻值非線性度測(cè)試電阻箱設(shè)定值R0(歐)，液晶顯示電阻值R1(歐)。所測(cè)數(shù)據(jù)如表5.2所示。表5.2 電阻非線性度測(cè)試R010001100120013001400150016001700180019002000

54、R11002.701105.801208.301298.501407.001504.801599.51698.5018001899.71999.805.3結(jié)果驗(yàn)算設(shè)計(jì)制作二線式電流型變送器設(shè)計(jì)要求為，1000W2000W對(duì)應(yīng)的電流輸出為420mA，變換精度優(yōu)于1%，變換非線性度優(yōu)于2%，輸出傳輸線的長(zhǎng)度不小于1m。信號(hào)發(fā)生部分要求能夠?qū)⑤斎腚娏髁哭D(zhuǎn)換成電阻量并采用數(shù)碼顯示，顯示分辨率為1W；測(cè)量精度按貝塞爾公式計(jì)算計(jì)算可得該系統(tǒng)的變換精度為0.976%，高于設(shè)計(jì)要求。非線性度計(jì)算公式為：非線性度最大誤差(滿度零度)100%；可計(jì)算得到該系統(tǒng)非線性度優(yōu)于0.843%，本設(shè)計(jì)滿足要求。總結(jié)論文首先

55、簡(jiǎn)要介紹了二線制變送器，并分析了系統(tǒng)組成所需要的技術(shù)，包括模擬電路、數(shù)字電路及單片機(jī)技術(shù)等。然后論文介紹了系統(tǒng)的硬件組成，并闡述了以單片機(jī)MSP430F149組成的運(yùn)算及控制模塊、電阻橋測(cè)量模塊、以及LM324芯片組成的信號(hào)調(diào)理及電壓轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的V/I模塊、統(tǒng)一以LM324AN為核心的前端遠(yuǎn)距離傳回的電流信號(hào)變電壓信號(hào)的I/V模塊、以及LCD12864模塊等。在論文的前面兩個(gè)部分的基礎(chǔ)上，論文對(duì)整個(gè)系統(tǒng)詳細(xì)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括主程序的流程以及代碼、系統(tǒng)程序的初始化，AD12檢測(cè)中斷處理程序、顯示驅(qū)動(dòng)程序等等?？偟膩?lái)說(shuō)，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了任務(wù)書(shū)所規(guī)定的各項(xiàng)要求，在一起所學(xué)的知識(shí)基礎(chǔ)上，通過(guò)此

56、次的畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我更進(jìn)一步學(xué)習(xí)并實(shí)踐了硬件設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、程序編寫(xiě)等很實(shí)用的技術(shù)，成功設(shè)計(jì)出了一個(gè)功能基本齊全的基于單片機(jī)的二線制變送器系統(tǒng)。即學(xué)習(xí)了不少新的知識(shí)和技術(shù)，更是親身經(jīng)歷了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的過(guò)程，我覺(jué)得收獲很大。當(dāng)然，這次的設(shè)計(jì)還只是一個(gè)初級(jí)殘品，還可以進(jìn)一步系統(tǒng)硬件布局優(yōu)化以減少系統(tǒng)整體大學(xué)并進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性從而使系統(tǒng)更加完善。隨著系統(tǒng)的完善，我相信它能發(fā)揮理論設(shè)計(jì)的功能。最后敬請(qǐng)各位專家、老師和通訊對(duì)論文和今后的研究工作提出寶貴的指導(dǎo)意見(jiàn)和建議。致謝經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的忙碌，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，本論文即將完成之際，我想起了所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師和朋友，在此我向你們表達(dá)我最誠(chéng)摯的感謝！首先感謝我的指導(dǎo)老師，老師時(shí)刻關(guān)注設(shè)計(jì)過(guò)程，并給我仔細(xì)的指點(diǎn)，幫助我開(kāi)闊思路，精心點(diǎn)撥；在我遇到困難的時(shí)候也熱忱鼓勵(lì)。老師不僅學(xué)識(shí)淵博、經(jīng)驗(yàn)豐富，同時(shí)他治學(xué)非常嚴(yán)謹(jǐn)，老師工作務(wù)實(shí)的態(tài)度啟示了我為人處世的生活態(tài)度。其次也要感謝在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中幫助過(guò)我的同學(xué)、