毕业设计-基于单片机的二线制数据传感器设计.doc

摘 要工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等。都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上，这种将物理量转换成点信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的是用420ma电流来传输模拟量。采用电流信号的原因是不容易受到干扰，并且电流源内阻无穷打，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。取20ma是因为防爆的要求，20ma的电流通断引起的火花能量不足引燃瓦斯；下限没有取0ma的原因是为了能检测断线，正常工作时不会低于4ma，当传输线因故障断路，环路电流降为0ma所以常取2ma作为断线报警值。本课题通过分析二线制、三线制、四线制变送器的各自特点，在总结典型变送器设计思路与方法的基础上，提出了一张经济实用的二线制智能变送器设计方案。该方案单片机为核心，能对特殊的非线性的传感器进行线性修正处理。主要解决问题是两条线既要提供工作电流，又要传输测量信号，需要协调一致，不能相互冲突；由于零点电流为4ma，因此必须保证整个变送器的工作电流要在3.5ma之内；线制的输出电流反馈电路比较特殊，要选择合理的电路方案，保证输出电流即工作电流不随负载与工作电压变化而变化。关键词：两线制变送器 v/i变换电路 调理电路 单片机abstractindustry generally need to measure all kinds of non-electric 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 most 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 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 disconnection 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 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 is not along with the load current and work voltage changes.keywords: two-wire transmitter, v/i inverter, recuperating circuit, single chip microcomputer目 录摘要iabstractii目录iii前言11 绪论31.1 概述（课题来源及意义）31.2 国内外研究概况及研究现状41.2.1 二线制变送器概述41.2.2 智能变送器的研究现状52 二线制变送器系统介绍82.1 智能变送器概述82.1.1 变送器分类82.1.2 二线制变送器特点102.2 设计目的和要求113 二线制变送器硬件设计123.1 普通电路的设计123.2 二线制变送器电路原理分析133.3 系统总体设计思路153.4 系统电路原理及设计163.4.1 电源变换模块163.4.2 调理电路模块设计193.4.3 v/i变换模块设计213.4.4 电流接收电路设计223.4.5 24位ad转换电路设计233.4.6 显示电路设计233.4.7 msp430单片机简介244 软件设计264.1 总体系统原理264.2 数据采集和处理模块274.3 显示模块275 系统测试295.1 变换精度测试295.2 电阻值非线性度测试295.3 结果验算29总结31致谢32参考文献33附件1 设计源程序34附件2 模拟电路仿真36a2.1 仿真流程37a2.2 调试方法37iv- -前 言在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号得到调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声干扰；第二在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。420ma的电流环便是用4ma表示零信号，用20ma表示信号的满刻度，而低于4ma高于20ma的信号用于各种故障的报警。电流型变送器将物理量转换成420ma电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。如图1.1所示。当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用vcc或者gnd），可节省一根线，称之为三线制变送器，如图1.2所示。其实大家可能注意到420ma电流本身就可以为变送器供电，如图1.3所示。变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在420ma之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为 4ma，因此只要在量程范围内，变送器至少有4ma供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。二线制能节约大量的导线从而降低成本，因此在应用中两线制传感器必然是首选。图1.1 四线制变送器图1.2 三线制变送器图1.3 二线制变送器1 绪 论1.1 概述（课题来源及意义）近年来计算机技术的飞速发展，使得仪器、仪表向自动化、多功能化方向发展，特别是目前发展较快的总线技术要求变送器（或传感器）具有良好的可靠性和更高的精度。随着现代化工业的发展，自动化系统不断的大型化和复杂话，从过去以生产过程运行稳定性为目的转变为今天大规模集中和最佳化控制，对变送器提出越来越高的要求。二线制智能变送器不易受寄生热电偶和沿电线电阻降压和温漂影响，在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著的影响，因为干扰源引起的电流干扰极小，一般利用双绞线就能降低干扰；电容性干扰会导致接收器电阻有关误差。因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；各个单台读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等造成精度的差异；将4ma用于零电平，使判断开路或传感器顺坏十分方便（0ma状态）；在两线输出口容易增加防浪涌，防雷击器件，有利于安全防爆。系统设计采用传感器加主机构成现场仪表形式，可降低系统成本，实现功能所需。同一张传感器制作时材料、工艺的差别，使得每只传感器输出信号幅值都不一样，如同压片式压力传感器，在同样+5vdc电压供电情况下，满量程时输出信号在4mv20mv之间变化；不同作用的传感器同样存在输出信号不同的问题。这给主机的设计、调试、维修带来来了很大困难。所以，对选用输出不同幅值的弱信号传感器应用系统，设计一张通用的主机，实现信号的变送和传输，可以降低系统成本，便于调试、维修。是相当有必要和实用意义的。1.2 国内外研究概况及研究现状1.2.1 二线制变送器概述自动化仪表主要由检查仪表和控制仪表两大部分组成。随着生产的不断发展，生产规模越来越大，相应的自动化管理系统日趋负载。由于技术机技术的高度发展和广泛应用，近10年来在控制系统方面有了很大进展。控制系统的各功能环节在信息的传送、管理和超重上紧密配合，形成了高度负载的分散型过程控制系统。随着计算机技术的发展，微机价格的大幅度下降，pc机和各种单片机在工业和各行业应用日益广泛。在控制网络中，各种测量仪表往往用单片机作数据处理单元，而在主控室，有微机对整个生产过程的数据进行统一的显示、存储和汇总。随着工业控制系统的发展，测量系统也逐渐发展，使得智能仪表的发展也越来越迅速。这样就使常规的模拟仪表日薄西山。dcs、工业控制计算机（ipc）、plc、可编程单回路调节器等基本上主宰了这一领域。过程控制系统有以下几种发展趋势：1. 控制中心向现场转移传统过程控制系统中的回路级或装置级的控制功能将下放到现场，使系统成为真正的、彻底分散的系统。2. 开放系统的实现开放系统要求互联性和互操作性，即不同厂家生产的仪表、装置应能在一个系统中协同工作。计算机网络技术与软件技术的高速发展给开放系统带来了曙光。di哦那个是（control system international inc）退出一直ucos（用户可配置开放系统）dcs，他采用可来自多方厂商的商用软硬件和商用网络，操作系统采用windows nt，非专利的现场控制单元可提供多任务和网络直接访问能力，与器连接的i/o子系统亦可来自多方厂商。毫无疑问，这种系统将成为真正的开放系统。3. 智能控制技术将得到进一步应用专家系统、模糊控制、人工神经网络智能控制技术，已在直接数字控制及优化控制中得到了初步应用。目前，在控制领域中，智能控制理论与技术是一个研究的热点，这种研究“热”无疑将会使智能控制技术的应用水平得到较快的提高。4. 多媒体技术的应用多媒体技术无疑可以引入过程控制领域。操作员、工程师将可以坐在控制室里，从dcs的计算机屏幕上看到现场的真实画面，听到来自现场的声音，以此来监视设备的关键部位。由于智能仪表和现场总线技术的发展，过程控制的主流系统dcs的结构将发生转折性变化，控制功能项现场转移和分散，专利系统将向用户可配置（集成）的开放系统过渡。这种功能向现场转移和分散，专利系统将向用户可配置（集成）的开放系统过渡。这种控制系统的发展使智能系统成为当今控制系统发展的热点。由于控制系统的快速发展，而测量系统的进展却很小，使之难于满足先进的控制系统要求。随着微电子技术的飞速发展，尤其是近年来由于低功耗、多功能单片微处理器、高精度-、a/d与d/a变换器的面世，为研制通用型高精度智能变送器打下了坚实的物质基础。对于诸如温度、湿度、流量、位移等物理量的测量与控制，如何提高系统的可靠性与精度，减少外部链接线，对于量程浮动、输出信号可远传和随量程线性转移，以及一机多用即以统一检测模板用于不同物理量的检测场合，并满足多种线性与非线性输入信号的精度要求等课题，已越来越为广大科技人员所关注。同时世界上一些主要的仪表制造厂相继研制陈宫了带微处理机构的各种智能变送器，开创了“智能式”变送器的新阶段。1.2.2 智能变送器的研究现状变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。主要完成物理信号的测量和变换处理。随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂话。对自动化设备的依赖性越来越大，变送器用量不断增多，要求不断提高。目前普通使用的变送器是以70年代统一的420ma dc模拟信号标准传送信号的二线制变送器（国内还有少量四线制010ma dc信号变送器）。它们在传送信号时，模拟信号不能简单叠加，信道为一对一，即一（或二）对导线上只能传输一个变送器输出信号，且只能单向传输。智能变送器即在变送器本体内直接使用微处理器芯片，对被测物理量进行数化处理，并增加数字通信接口，可以直接与计算机进行数字通信。使用数字通信的信道复用技术和低功耗电路，使多个变送器可共用同一条通信总线并进行双向通信，大大减少了现场信号引线。微处理器直接对被测信号进行数字化处理，使变送器的测量精度和量程比大为提高，并具有诊断报警功能，还可克服温漂和各种零漂影响，有点还具有pid输出等高级处理功能。通过数字双向通信，可在控制室中对变送器进行远程诊断、标定和组态，因此智能变送器的性能远优于普通变送器，近10年来在国外已获得日益广泛的应用。1983年，美国honeywell公司将第一个称为smart变送器的stj-3000d压力变送器推入了美国国内市场，使智能变送器进入了商品话。随后美国的rosemount, foxboro 等一些公司在1986年美国仪表协会（isa）的会议上争相退出了一些称为smart变送器的新型智能变送器系列。这类变送器具有适应各种新应用的能力克服了以往模拟变送器准确度不够高、飘逸过大、量程有限、维护和维修费用打等一些补助。由于这类变送器内部都有微处理器，采用了数字集成化测量方式，不仅能输出420ma的模拟信号，而且还能输出数字信号，实现了现场和控制室之间进行双向数字通信。这一典型的数字通信功能缩小了测量技术与控制技术之间的差距。如果采用这种数字式集成化测量与控制方式，就能消除许多与模拟电路有关的误差源，因此能达到更高的性能标准。例如总的测量回路可以不用数模转换盒模数转换器。由于智能变送器采用先进的传感技术，计算机技术以及数字通信技术，加上采用超大规模离子注入技术及超精细加工工艺技术，它的优点是一般变送器无法比拟的；（1） 具有420ma dc或数字信号输出功能（2） 有较高的精度和较好的重复性。一般智能变送器，如工作在数字方式下则更高。另外由于智能变送器有环境温度及静压补偿，不受日夜、冬夏温差变化的影响，具有很好的重复性。（3） 宽量程比。智能变送器量程比普遍达到40：1以上，而普通变送器一般为10：1。宽量程比可使得变送器本身的实用性，通用性得以提高，给用户及设计者带来方便，减少备用表数量及种类。（4） 完善的自诊断功能。通过通信器可查出变送器自身诊断的故障信息。（5） 通过dcs或通信器可远程队变送器编程、组态、检查和效验。智能变送器的发展与传感器技术和计算机技术的发展是分不开的。新一代的变送器必然是全数字化的。具有通讯功能是智能变送器的共同特点。用通讯方法将测量结果送入操作站，不会损失精度。因此，比模拟信号通过a/d进入操作站更有优势。这种智能变送器给用户带来了极大的方便。它可以通过一个sfc智能现场通讯器对安装在现场的变送器进行组态，变更、校准、自诊断，还可以将现场变送器作为一个420ma的恒流源来使用（也是通过现场通讯器来实现）。另外智能变送器组态的内容包括远程设定变送器标号，线性输出或是方根输出，测量范围，阻尼时间常数等。变更测量范围时，不需要把变送器从过程线管上拆下来，也不需要对变送器送入差压信号或压力信号，只需要通过sfc键盘的简单操作就可实现远程设定、变更和校准。这样一来就大大减少了工厂检修停工期和缩短维修时间。智能变送器的自诊断功能也给使用和维修带来了不少实惠，比如jtd200型变送器，自诊断的内容包括组态检查、通讯检查、变送器工作检查、过程异常检查等。诊断显示有27种形式，通过这些显示立即可以识别问题所在区段。智能通讯器和现场变送器通讯的方式各家公司是不一样 ，有点是无线的，有的是将通讯信号子以调制，通过420ma的直流信号线进行传送。微机技术和通讯技术将会进入越来越多的仪表。如上所述智能变送器具有很多优点，因此它最适用于测量范围变化较大、环境条件较差而要求测量精度高和采用数字通信的大型控制系统及特殊应用场合。2 二线制变送器系统介绍2.1 智能变送器概述智能式变送器是由传感器和微处理器相结合而构成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能力，可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理（如滤波、放大、a/d转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等。微处理器是智能变送器的核心。它不但可以对测量数据进行计算、存储和数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节，以使得采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件和硬件功能，因而他可以完成传统变送器难以完成的任务。所以智能式变送器还具有以下特点：具有自动补偿功能，可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿。可自诊断，通电后可对传感器进行自检，以检测传感器各部分是否正常，并作出判断。数据处理方便准确，可根据内部程序自动处理数据，如进行统计出来、去处异常数值等。具有双向通信功能。微处理器不但可以接受和出来传感器数据，还可将信息反馈至传感器，从而对测量过程进行调节和控制。可进行信息存储和记忆，能存储传感器的特征数据、组态信息和补偿特性等。具有数字量接口输出功能，可将输出的信号方便地和计算机或现场总线进行连接。2.1.1 变送器分类变送器种类很多，总体来说就是由变送器发出一种信号来给二次仪表使二次仪表显示测量数据，将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。仪表分为：温度/湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器，重量变送器等。变送器的在传输方式上分为二线制、三线制、四线制等几种传输模式。二线制传输方式中，供电电源，负载电阻、变送器都是串联的，即两根导线同时传送变送器所需的电源盒输出电流信号；二线制变送器原理图如图2.1所示。图2.1 二线制变送器原理图三线制方式中，电源正断和信号输出的正断，它们共用一个地线，电流信号是从i+和v-两端得到的。三线制原理图如图2.2所示。图2.2 三线制变送器原理图四线制方式中，供电电源、负载电阻分别与变送器相连的，即供电电源和变送器输出信号分别用二根导线传输。四线制变送器原理图如图2.3所示。两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根导线即使电源线，又是信号线。两线制与三线制（一根正电源线，两根信号线，其中一根共gnd）和死线制（两根正负电源线，两根信号线，其中一根gnd）相比，二线制具有较多的优点和特点。图2.3 四线制变送器原理图2.1.2 二线制变送器特点二线制变送器有如下特点：（1） 不易受寄生热电偶和沿线电阻压降和温漂影响，可用非常便宜的更细的导线；（2） 在电流源输出电阻足够打时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著的影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；（3） 电容性干扰会导致接受器电阻有关误差，对于420ma环路，接受器电阻通常为250（取样uout=15v）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；（4） 各个单台读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等造成精度的差异；（5） 将4ma用于零电平，使判断开路或传感器顺坏十分方便（0ma状态）；（6） 在两线输出口容易增加防浪涌，防雷击器件，有利于安全防爆。二线制变送器电流环中供电电源、负载电阻、变送器是串联的，即两根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号，所以设计二线制变送器需注意以下几点；（1） 电压条件：在变送器电流环路中，一般取r=250。当i=420ma 时，u1=15v。考虑到可能会串接其他仪表，以及传输电缆的导线电阻，r的最大值取350，因此最大消耗电源为7v。而外接电源一般为24v dc，允许有的变化，所以外接电压最小为21.6v，变送器输入电压最小为14.6v（21.6v7v），所以变送器工作电压不能超过此电源。考虑到电流表等的压降，变送器内的一个期间的电压最好为5v以下。（2） 电流条件：由于变送器最小输出信号电流为4ma，变送器中各器件功率电流要小于4ma。（3） 功率条件：变送器能够利用的小功率为：为保证变送器在此条件下能正常工作，电路设计中也应选用低功率小电流的集成运放和稳压管，而且整个电路要尽量简单，才能使变送器的电源，电流、功率条件得到满足。2.2 设计目的和要求在充分了解国内外变送器发展动态的前提下，结合实际的现状，研制了相应的硬件装置，完成了软件的设计与实现。（1） 选择合适的处理器及外围电路芯片，进行接口设计，通过硬件将非线性模拟量转换成线性模拟量。（2） 将线性模拟量转换成420ma电信号送入微处理器进行数据采集处理。（3） 通过单片机采集数据并在液晶屏上显示出来。设计要求为，1000w2000w对应的电流输出为420ma，变换精度优于1%，变换非线性度优于2%，输出传输线的长度不小于1m。信号发生部分要求能够将输入电流量转换成电阻量并采用数码显示，显示分辨率为1w。3 二线制变送器硬件设计3.1 普通电路的设计变送器按传输方式有二线制、三线制和四线制等三种方式。根据传输方式设计不同的电路。这三种传输方式的电路如图3.1、3.2、3.3所示。图3.1 四线制变送器图3.2 三线制变送器图3.3 二线制变送器二线制电路传送器的6大全面保护功能（1） 输入过载保护；（2） 输出过流限制保护；（3） 输出电流长时间短路保护；（4） 两线制端口瞬态感应雷与浪涌电流tvs抑制保护；（5） 工作电源过压极限保护；（6） 工作电源反接保护。三线制和四线制变送器均不具有上述优点即将被两线制变送器取代，从国外的行业动态及变送器芯片供应量即可略知一二，电流变送器在使用时要安装在现场设备的动力线上，而单片机为核心的检测系统则位于较远设备现场的监控室里，两者一般相距几十米到几百米甚至更远。设备现场环境较为恶劣，强电信号会产生各种电磁干扰，雷电感应会产生强浪涌脉冲，在这种情况下，单片机应用系统中遇到的一个棘手的问题就是如何恶劣的环境下远距离得传送微小的信号。3.2 二线制变送器电路原理分析二线制变送器是通过信号线提供驱动电源的变送器，采用二线制变送器可以节省电源线。二线制变送器首先被压差变送器采用。差压变送器一般分散分布在庞大的工厂内，采用二线制变送器，大大降低了施工费用。例如在露天分布有大量储藏罐的罐区，由于储藏罐分布很散，而且很多都不能接电源，这种情况下采用无需供电的二线制变送器就非常方便。二线制变送器的信号是大家都很熟悉的420ma直流电流信号。该420ma直流信号的抗噪讯能力很强，即使在有电力设备的环境下都可以保证信号的稳定传送。如果采用电压信号，例如dc0-10v的信号线加上10v的噪讯电压10v，信号线上的信号将增加一倍。而二线制变送器的输出端子侧得变送器内部的阻抗值至少有1m，因此噪讯电压10v加在受信阻抗上的电流值i如式3-1所示：（3-1）相对于量程20ma，影响只有1/2000。这是二线制变送器的优越之处。二线制变送器的接线图如图3.4所示。信号回路上是420ma的电流信号。二线制变送器利用输入信号0%对应4ma的直流电流动作。信号为100%时，变送器就在4ma上加上16ma将回路的信号控制在20ma。二线制变送器内部控制使输出信号420ma的输入信号成正比。因为二线制变送器本身就有v1的压降，所以信号回路的受信阻抗的最大值为（dc24v-v1）/20ma。图3.4 二线制变送器接线图二线制变送器的原理是利用了420ma信号为自身提供电能。如果变送器自身耗电大于4ma，那么将不可能输出下限4ma值。因此一般要求二线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5ma。这死两线制变送器的设计根本原则之一。从整体结构上来看，两线制变送器由三大部分组成：传感器、调理电路、两现在v/i变化器构成。传感器将温度压力信号进行放大调理、转化为线性的电压输出。两线制v/i变化电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流；同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。除了v/i变化电路之外，电路中每个部分都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在v/i变化的反馈环路内如图3.5。图3.5 二线制变送器原理图采样电阻rs串联在电路的低端，所有的电流都将通过rs流回到电源负极，从rs上取到的反馈信号，包含了所有电路的耗电。在两线制变送器中，所有的电路总功耗不能大于3.5ma，因此电路的低功耗成为了主要的设计难点。下面将逐一分析各个部分电路的原理与设计要点。3.3 系统总体设计思路根据题目要求，经过认真分析，我们制定出了总体的设计方案，如图3.6所示。通过改变惠斯通电桥的一个单桥臂的阻值在10002000范围变化时，得到一可变电压信号，经过信号调理电路，形成0.4v2v的电压信号,此电压信号经过电流变送器后产生420ma电流信号输出。电流接收电路将电流转换成15v电压信号,再将15v电压信号送入adc芯片进行模数信号转换，转换后的数据送入单片机进行计算和处理,并用液晶显示器显示电阻值。如图3.6所示。图3.6 系统方框图电源部分为各部分电路提供直流供电,由于电源的不稳定会对整个系统前端的电桥电路、信号调理电路及后端的adc转换等电路的输出精度有较大影响，故电路中使用了两个基准电压电路，为系统前端和后端相关电路提供稳定的恒压源。从图3.6中可以看出，由于二线制电流变送器及其前端所有器件消耗的电流均最后汇集到一点流出，此点也是420ma电流信号流出点，如果电流变送器及前端所有的电路消耗电流值超过了4ma，则变送器将不能在产生所需的最低4ma电流输出，故此处应努力控制变送器及前端所有电路消耗的电流值不超过4ma，最好控制在3.5ma以内。所以电路中应尽量选用低功耗的芯片及其它元件进行设计。3.4 系统电路原理及设计与三、四线制相比，二线制变送器最大的困难在于电源线与信号线同一条线。为保证各放大器及cpu工作电源的稳定性，需要将24v直流电压稳压后为系统电压，最后还要将电压信号转换为电流信号。3.4.1 电源变换模块电源变化模块是整个电路正常工作的集成，电源的稳定性也直接关系着整个电路的可靠性，数据的准确性。在选择使用何种电压变换芯片时，需要考虑效率、噪声、成本、体积的要求，目前，常用于阀门定位器的dc-dc转换器有以下几种类型：低压差线性稳压器（ldo）、电感型开关电源转换器和电荷泵等。电压降（ldo）线性稳压器的成本低噪音低，静态电流小，这些是它突出的优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。新的ldo线性稳压器可以达到以下指标：输出噪声30uv，psrr为60db，静态电流6ua，电压降只有100mv。使得它在很多场合广泛的使用。其特性有利于改善电源电路的整体销量，它的过流保护功能可以提升电源的安全系数。但是，其转换效率通常低于开关型稳压器。图3.7 ldo原理电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较强实现电压提升，采用电容器来存储能量。电荷泵是无需电感的，但需要外部电容器。由于工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容（1mf），使空间占用更小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的esr（等效串联电阻）和内部开关晶体管的rds（on）。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射emi可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它的输出电压是工程生产精密预置的，调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。转换效率要高，静态电流要小，可以更省电：输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；噪音要小对整体电路无干扰；功能集成度要高，提高单位面积的使用效率；足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫；安装成本低，包括周边电路占pcb板面积小，接线少而简单；具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使其供电电流消耗近乎为0。由ldo原理可知，ldo电压的转换效率很低，大约为输出电压与输入的比，我们假设变送器外部电压最低为17v，内部芯片工作电压为3.3v，则其工作效率最大为19.4%，上文我们提到，变送器最大的功率为80.8mw，实际上内部芯片能够得到的功率为24mw，这很大的限制的内部芯片的选择，而且严重的浪费电能。因此我们考虑使用开关型dc-dc芯片作为电压转换芯片，开关型电压转换芯片的效率较高一般在85%以上，且其输入电压范围较大，能够满足设计的要求。但是dc/dc芯片的纹波、噪声较大，所以在模拟电路中，特别是在仪器仪表的电流中，不适合使用噪声较大的电源。本设计中，二线制电流变送器系统中需加载直流24v电压，为此，我们选用了ti公司的lm317稳压芯片进行24v电源设计。为了调试电路方便，在完成对24v电源设计的同时，在设计中还预留了一个5v电压输出端。具体设计原理如图3.8所示。该电路使用起来方便可调，电路中的电容用于滤除杂波干扰。图3.8 主电源原理图3.4.2 调理电路模块设计惠斯通电桥结构简单，具有灵敏度高，测量范围宽，线形度好，精度高和容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求，是目前最多最广泛的一种测量电路。本设计将精密电阻箱串联在电桥的一个单臂上，当电阻箱的阻值为1000时，调节电桥使其平衡，无电压输出；当电阻箱电阻在10002000范围内变化时，电桥平衡被破坏，输出相应的微小电压量。考虑到电路的整体电流消耗，构成电桥的电阻值在选取时，应尽量选取阻值较大的电阻，本电桥的3个桥臂均选取10k的误差为0.1%的精密金属膜电阻进行搭建，另一个桥臂选取了5k、2k、1k的电阻各一个再串联精密电阻箱及1个精密多圈可调电阻构成，如图3.7所示。由于电桥产生的电压信号十分微弱，需使用一个高输入阻抗、低输出阻抗的调理电路进行适当的放大。本设计利用参考电压可调的低功耗芯片ad623搭建调理电路，该芯片接收惠斯通电桥上变化的电压值并经处理输出0.4v2v的电压。电路中ti芯片opa277主要起到电压跟随器的作用，当精密电阻箱的电阻调到1000时，电桥平衡，ad623差分输入端无电压输入，此时电压输出为ov。调节精密可调电位器r2，使其可滑动端上的分压为0.4v,经过opa277构成的电压跟随器后,为ad623芯片第五脚提供一个参考电压，使ad623在输入信号为0v的情况下其第6脚输出一个0.4v的电压，供后级进行4ma的电流转换。当将精密电阻箱的阻值设定为2000时，此时电桥平衡被破坏，输出一个电压，送入ad623的差分输入端，此时调节ad623的第1，8脚之间的可调电阻r1，即可调节其电压放大倍数，通过可调电阻r1，使运放ad623输出一个2v的电压，供后级电流变送电路产生20ma的电流。电路中的5v电源均由基准电压电路提供。经测试，电桥电路平衡时消耗电流为0.5ma, ad623消耗电流约为0.47 ma,r2及opa277共消耗电流0.54 ma,总共消耗电流1.51 ma。图3.9 惠斯通电桥与信号调理电路3.4.3 v/i变换模块设计常用二线制电流型变送器一般采用专用型芯片组成电路，但考虑到题目发挥部分的要求，我们决定采用运放搭建二线制电流型变送器。本设计中，我们使用了一片高性价比、低功耗的lm324运放芯片同时完成了变送器与基准电压电路设计，如图3.10所示。图3.10所示电路中，由lm324、r3、r4、r5、r6和q1共同构成了电流变送电路。基中,q1和r5构成负反馈电路,不但保证了lm324的“虚地”，同时也增加了变送器的电流输出能力。进而，由于运放电路的“虚短”作用，运放的第9脚、10脚与地之间为等电位点，此时调理电路输出的的0.4v2v的电压经过r3时产生的压降就为0.4v2v，由于运放的“虚断”作用，电路中的电流不能流入运放，将从r4和r6上流出，最后合为一股，向后级电路流出。因为r4为100k，r6为100，从电位上来看，两个电阻是并联的，其并联值99.9,相当于所有电流都从r6流过，此时又由于r6上的电压与r3上产生的压降相同，故 0.42v电压经过r6，将会产生420ma的电流输出。图3.10中的lm324_2、r7和lm385-2.5共同构成了基准电压电路，它的实质就是一个恒压源。24v电源电压输入后，经过r7限流，由lm385-2.5基准电压芯片进行稳压，输出一个2.5v的恒定基准电压，该电压输入给运放lm324_2。由图可知，该运放为同相比例运放，其外接电阻r1和r2被设置为相等时，其电压放大倍数为2倍，将输出一个恒定的5v电压。此处r1和r2的选取相当关键，如查r1、r2取得过小，则电流消耗量将会变大，经过计算，当取为100k时，电流消耗量为0.025ma,电流消耗量基本上可以忽略不计。经测试，图3.10所示电路总的电流消耗量为1.47 ma,变送器及前端电路的总消耗电流很好地控制在了2.98 ma。当调节电桥的精密电阻箱阻值在10002000范围内变化时，变送器的输出电流在420ma范围内变化，线性良好。图3.10 电流变送电路及基准电压电路3.4.4 电流接收电路设计当变送器设计完成后，需设计一个电流接收电路，以完成电流信号的转换工作。我们采用lm324芯片组成了电流转换电路，lm324芯片将电阻r2上取得的电压值送入运放电路中，对应输出15v的电压信号。电路原理图如图3.11所示。图3.11 电流接收电路设计3.4.5 24位ad转换电路设计本设计中ad采样的精度对正弦信号的控制要求相当高，在本设计基础部分中我们曾用到msp430系列单片机内部自带12位adc，但发现其不能满足题目发挥部分对信号采集分辩率的要求，因此必须选择一款分辩率位数较高的ad芯片。ads1255是ti公司生产的一款24位高精度ad转换器，其内部集成多路选择开关(mux)、可编程增益控制器(pga)，可编程数字滤波器等，是一款性能较高的adc芯片，它能够接收输入幅度05v的电压信号，前面设计的电流接收电路产生电压信号15v，刚好可以用来完成题目的设计。其原理图如图3.12所示。图3.12 ads1255工作原理图3.4.6 显示电路设计为了显示信息量能更加丰富，在设计中我们采用了带中文字符的128*64液晶显示器进行显示模块的设计，该液晶由128列、64行组成，能显示中英文字符及各种图形，可很好完成题目要求。硬件连接如图3.13所示。图3.13 lcd硬件连接图3.4.7 msp430单片机简介msp430系列单片机是由美国德州仪器设计生产的一种16位的单片机，相比普通类型的单片机具有以下特点（1）处理能力强：采用了精简指令集（risc）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。（2）运算速度快：该系列单片机能在25mhz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的某些算法。（3）超低功耗：msp430系列单片机电源电压采用的是1.83.6v电压因而可使其在1mhz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165ua左右，ram在保持模式下最低功耗只有0.1ua。由于系统运行时开启的功能模块不同，采用不同的工作模式，芯片的功耗有显著的不同。（4）片内资源丰富：看门狗（wdt）、模拟比较器a、定时器a0、定时器a1（timer_a1）、定时器b0（timer_b0）、uart、spi、i2c、硬件乘法器、液晶驱动器、等等。综上所述选用msp430f149单片机作为控制核心。连线图如图3.14所示。图3.14 msp430单片机系统4 软件设计4.1 总体系统原理软件部分主要完成三个功能，即信号采集、控制lcd显示电阻值及相关信息。如图4.1所示，在具体算法上，msp430单片机每秒钟对ads1255进行100次数据采样，然后通过软件方法对在硬件电路中实测得出的系统误差进行补偿。通过计算采集回来的数据得出电阻的阻值，通过液晶显示出当前的电阻值率号。图4.1 主模块流程图4.2 数据采集和处理模块图4.2 中断流程图4.3 显示模块图4.3 lcd显示主程序流程图图4.4 写指令子程序流程图5 系统测试5.1 变换精度测试电阻箱设定值r0(欧)，液晶显示电阻值r1(欧),环路电流值为i(ma)。数据如表5.1所示。表5.1 变换精度测试数据r0(欧)10001250150017502000r1(欧)1002.701251.501504.81752.301999.80i(ma)4.008.0412.0816.0220.015.2 电阻值非线性度测试电阻箱设定值r0(欧)，液晶显示电阻值r1(欧)。所测数据如表5.2所示。表5.2 电阻非线性度测试r010001100120013001400150016001700180019002000r11002.701105.801208.301298.501407.001504.801599.51698.5018001899.71999.805.3 结果验算设计制作二线式电流型变送器设计要求为，1000w2000w对应的电流输出为420ma，变换精度优于1%，变换非线性度优于2%，输出传输线的长度不小于1m。信号发生部分要求能够将输入电流量转换成电阻量并采用数码显示，显示分辨率为1w；测量精度按贝塞尔公式计算计算可得该系统的变换精度为0.976%，高于设计要求。非线性度计算公式为：非线性度最大误差(满度零度)100%；可计算得到该系统非线性度优于0.843%，本设计满足要求。总结论文首先简要介绍了二线制变送器，并分析了系统组成所需要的技术，包括模拟电路、数字电路及单片机技术等。然后论文介绍了系统的硬件组成，并阐述了以单片机msp430f149组成的运算及控制模块、电阻桥测量模块、以及lm324芯片组成的信号调理及电压转换成电流信号的v/i模块、统一以lm324an为核心的前端远距离传回的电流信号变电压信号的i/v模块、以及lcd12864模块等。在论文的前面两个部分的基础上，论文对整个系统详细的系统软件设计，包括主程序的流程以及代码、系统程序的初始化，ad12检测中断处理程序、显示驱动程序等等。总的来说，这次毕业设计完成了任务书所规定的各项要求，在一起所学的知识基础上，通过此次的毕业设计让我更进一步学习并实践了硬件设计、电路设计、程序编写等很实用的技术，成功设计出了一个功能基本齐全的基于单片机的二线制变送器系统。即学习了不少新的知识和技术，更是亲身经历了系统的硬件设计和软件设计和开发的过程，我觉得收获很大。当然，这次的设计还只是一个初级残品，还可以进一步系统硬件布局优化以减少系统整体大学并进一步提高系统可靠性从而使系统更加完善。随着系统的完善，我相信它能发挥理论设计的功能。最后敬请各位专家、老师和通讯对论文和今后的研究工作提出宝贵的指导意见和建议。致谢经过几个月的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，本论文即将完成之际，我想起了所有关心和帮助过我的老师和朋友，在此我向你们表达我最诚挚的感谢！首先感谢我的指导老师，老师时刻关注设计过程，并给我仔细的指点，帮助我开阔思路，精心点拨；在