智能电流电压变送模块的设计

1、毕业设计题 目 智能电流电压变送模块的设计学 院 控制科学与工程学院专 业 电气工程及其自动化姓 名 学 号 指导教师 二OO八年六月十三日目录摘要.2Abstract .31 概述.41.1 智能变送器的产生背景.41.2 智能变送器的现状.41.3 研究本课题的目的和意义.61.4 本论文的主要工作.72 硬件电路设计.82.1 设计总体思路.82.2 单片机选择.92.3 电信号采集电路设计.92.3.1 电压跟随器.92.3.2 电压输入放大电路.102.3.3 频率/电压转换电路112.3.4 4-20mA/0-5V转换电路.122.4 单八路模拟开关CD4051及选择按键.132.

2、5 10位串行模数转换芯片AD7810.142.6 10位串行数模转换芯片TLC5615152.7 输出模块电路设计162.8 RS-485总线接口电路设计17 2.8.1串行通信接口的基本任务.17 2.8.2 RS485简介.18 2.9 显示接口电路设计202.10 复位及运行监视电路设计.202.11硬件抗干扰设计222.12本章小结223 应用软件设计.23 3.1总体设计思路.233.2 监控程序模块233.3 数据采集和处理模块243.4 采样定时模块263.5 软件抗干扰的设计263.6 本章小结274 结束语.28参考文献.29致谢.30附录.31摘要 随着自动化技术的发展和

3、微电子技术的进步，以及现场总线技术的口益成熟，数控技术在工业生产过程中的应用越来越广泛，因此对现场信号的采集、传输和数据处理提出了更高的要求。 论文阐述了现场信号通信的发展概况和智能变送器的现状，分析了智能变送器的作用和工作原理，针对应用中不同的输入信号输入不同幅值的弱直流电信号的要求，设计了智能电压电流变送模块。它实现了弱电信号放大，并能根据信号的幅值大小来自动改变放大系数，提高测量灵敏度，对采样数据处理后，既能输出0-5V、0-10V、4-20mA等标准信号，又能通过RS-485总线与其他上位机或同位机进行数字通信。 系统根据传感器输出的信号范围通过不同的电压、电流、频率采集电路将信号转换

4、到0-5V DC,由单片机利用模拟开关CD4051选择后通过多通道10位串行A/D转换器AD7810进行A/D转换，将采集到的数据送给单片机，由单片机进行滤波、标度变换等数据处理后，通过位并行D/A转换器TLC5615将数据转换成0-5V、0-10V、4-20mA等信号输出，或通过隔离后的RS-485总线将数据传送给上位机。系统设计有独立的看门狗电路和EEPROM存储器电路，提高了系统可靠性。 系统软件采用MCS-51单片机汇编语言，模块化程序设计方法，设计了仪表监控主程序、放大器增益设定程序、ADC转换和处理子程序、DAC转换等子模块，并设计了相应的通信协议。 系统完成后，经联机仿真调试和实

5、际通信结果表明:性能良好，达到了预定的设计指标要求。关键词:智能变送器;通信;单片机;现场总线;测量信号Abstract With the development of Automation and the progress of the micro electronic technology, and the mature of Field Bus, digital control technology is widely used in production process, so collection, transition and treatment of signal should

6、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-standard sensors. It

7、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 0-5V, 0-10V and 4-20mA standard direct current, but also can communicate with other computers and single chip by me

8、an of RS一485 bus. According to the output signal range of the sensor, the system sets the gain of amplification link from different voltage, frequency and electric current signals, amplifies the weak signal to DC 0-5V, then makes A/D transition through multi-passages and 10 bit AD7810, brings the sa

9、mpled data to single chip 89C52,filtering the data, and transferring surveyor etc., then transits the data to 0-5V, 0-10V and4-20mA signals by TLC5615, or sends the data to other computers through isolated RS一485 bus. The design of the system has its own separate watchdog and EEPROM memory ircuit, t

10、herefore it can improve 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 MCS-51 single chip and modularization program design method, and also des

11、igns corresponding communication protocol. The result is verified to attain the index requirements by debugging and practical operating, after system design has finished.Keyword:Intelligent transducer; Communication; Single chip; Field bus; Measuring signal1 概述1.1 智能变送器的产生背景 自动化仪表主要由检测仪表和控制仪表两大部分组成。

12、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复杂。由于计算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、管理和操作上紧密配合，形成了高度复杂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口益广泛。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

13、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: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。开放系统的实现。开放系统要求互连性和互操作性，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公司(Control System International Inc)推出一种UCOS(用户可配置开放系统)DCS，它采用冗余的以太网或光纤局域网将控制台、各工作站计算机及各现场控制单兀(FCU)连接起来，它采用可来自多方厂商的商用软硬件和商用网络，操作系

14、统采用Windows NT，非专利的现场控制单兀可提供多任务和网络直接访问能力，与其连接的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。智能控制技术将得到进一步应用。专家系统、模糊控制、人工神经网络等智能控制技术，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。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

15、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又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，使之难以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变换器件的面世，为研制通用型高精度智能变送器打下了扎实的物质基础。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，减少外部连接线，对于量程浮动、输出信号可远传和随量程线性转移，以及一机多用即以同一检测模板用于

16、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成功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 21.2智能变送器的发展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化。对自动化的依赖性越来越大，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4-20mA 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0-10 mA DC信号变送器)。它们在传送信号时，模拟信号不能简单

17、迭加，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字化处理，并增加数字通信接口，可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，有的还具有直接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

18、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化。随后美国的Rosemount，Foxboro等一些公司在1986年美国仪表学会(ISA)的会议上争相推出了一些称为Smart变送器的新型智能变送器系列。这类变送器具有适合各种新应用的能力，克服了以往模拟变送器准确度不够高、漂移过大、量程有限、维护和维修费用大等一些不足。由十这类变送器内部有微处理机，采用了数字集成化测量方式，不仅能输出4-20mA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

19、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，因而能达到更高的性能标准。例如总的测量回路可以不用数一模转换器和模一数转换器。由于智能变送器采用先进传感技术，计算机技术及数字通讯技术，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:具有4-20mA DC或数字信号输出功能。有较高的精度和较好重复性。一般智能变送器精度为士0.1%，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，不受昼夜、冬夏温差变化的影响，具有很好的重复性。迁移范围大。智能变送器的迁移量可达+1900，-2

20、000 % , 而普通型压力变送器为+500，-600%。宽量程比。智能变送器量程比普遍达到40: 1以上，而普通型变送器一般为10: 1。宽量程比可使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。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结果信息。通过DCS或通信器可远距离对变送器编程、组态、检查和校验。传统的变送器在调校时，应从现场拆除进行离线校验，既影响生产又很繁琐，而且有些变送器是安装在高温、高压、危险爆炸场所或者人们很难达到的地点，采用智能变送器避免了以上繁琐危险的工作。11这类变送器无论做哪一种参数的测量，都有一个共同的方式，就是都有

21、一个主测量传感器，产生一个微处理机能够采用的信号。智能变送器的发展是与传感器技术和计算机技术的发展分不开的，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进入操作站更优越。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4-20mA的恒流源来使用(也是通过现场通讯器来实现的)。34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

22、器从过程线管线上拆下来，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，就像我们用遥控器对电视机或录像机进行远距离操纵一样。这种变更和校准不需要电流电压表参与，而且零点调整和量程调整互不干扰。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不少实惠，比如JTD 200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。诊断显示共有27种型式，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的，有的是无线的，有的是将通讯信号子以调制，通过

23、4-20mA的直流信号线进行传送。智能变送器是微处理机技术和通讯技术进入变送仪表的必然产物，它使仪表变得更灵巧。微机技术和通讯技术将会引入越来越多的仪表。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。具体应用场合叙述如下:1.用于现场总线根据ISA SP一50委员会定义的现场总线概念，智能变送器将在现场总线中扮演主要角色，具有PID调节功能的变送器可以进一步将集中控制的危险性分散到最小，同时采用数字通讯，节省了大量的模拟通讯电线。目前智能变送器的价格已经接近普通变送器的水平。而对使用者来说，可以在控制室内

24、对现场变送器进行调整，更改量程，组态等操作，相当方便。2.用于特殊场合对十现场总线尚未普及的情况，智能变送器可用于高空，塔顶或有毒有害气体环境，人员不宜接近的场合，可减少维护人员的工作量及遇到危险的可能性。3.用于要求测量精度高的场合对十一些环境温度及过程静压变化较大而要求测量精度高的场合，利用智能变送器具有温度及静压补偿的功能，可明显提高变送器的测量准确性，如储运系统灌区液位的测量点以及冬季与夏季、昼夜之间温差较大，很容易使普通变送器误差增加一倍，而智能变送器却能够克服这一缺点，提高测量精度。4.用于量程范围较大的场合近年来，受市场经济的影响，炼油厂加工的原油性质及处理量有较大的波动，导致部

25、分流量的测量回路经常出现超量程或低量程运行，而采用的FC系列变送器，量程比太小(10: 1)，改量程时变送器需换型，给生产维护带来了不便，也增加了各种量程的变送器的备用数量，增加了企业固定资金的投入。智能变送器具有40: 1的量程比，很容易克服上述困难。由于其更高的性能价格比，智能变送器不仅在二十一世纪的数字化时代，而且在现场总线时期也应该是大有可为的，必定有美好的应用前景。241.3研究本课题的目的和意义 在实际工程应用项目中，因项目资金有限，选用市售智能变送器会大大增加项目资金的投入，项目指标要求也许仅仅为了观测某点参数的情况，在参数越限报警时能及时给出报警信息，还可以随应用系统要求对现场

26、仪表进行远程的设定和故障诊断，选用模拟变送器达不到系统要求，选用市售智能变送器会造成功能浪费。鉴于以上原因，系统设计往往采用传感器+主机构成现场仪表形式，可降低系统成本，实现所需功能。同一种传感器制作时材料、工艺的差别，使每只传感器输出信号幅值都不一样，如同批次某应变片式压力传感器，在同一+5VDC电压供电情况下，满量程时输出信号在5.5mv 6.8mv之间变化;不同作用的传感器同样存在输出信号不同一的问题。这给主机的设计、调试、维修带来了很大困难。所以，对选用输出不同幅值的弱信号传感器应用系统，设计一种通用的主机，实现信号的变送和传输，可降低系统成本，便于调试、维修，是相当必要和有现实意义的

27、。251.4本论文的主要工作 在充分了解国内外变送器发展动态的前提下，结合现场控制系统的现状，设计了现场总线通信协议，研制了相应的硬件装置，完成了软件的设计与实现，进行了系统联网实验。具体内容如下: 1.针对实际应用中不同幅值电压、电流、频率输入信号，设计相应的采集电路; 2.选择合适的ADC和DAC芯片，进行接口设计，送入微处理器进行数据采集处理，输出模拟0-5V、0-10V、4-20mA DC等标准信号，以达到与模拟变送器兼容; 3.扩展RS一485总线接口，设计通信协议，实现信号的数字化传输; 4.显示电路设计; 5.复位、看门狗、存储器电路设计; 6.软件的设计与实现; 7.抗干扰措施

28、。具体设计详见以下各章。2 硬件电路设计2.1设计总体思路 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.对自动化的依赖性越来越大，变送器用量不断增多.要求不断提高。模拟式变送器主要是由运算放大器、电阻、电容等器件构成，功能较单一，主要起信号放大、变换作用。近年来随着微电子技术的飞速发展，尤其是近年来由十低功耗、多功能单片微处理器、高精度A/D与D/A变换器件的面世，为研制通用型高精度智能变送器打下了扎实的物质基础。智能变送器都是以CPU为核心构成的数字化仪表，智能变送器工作原理如图2-1所示。变压器及分压电路模/数转

29、换单片机处理数/模转换V/I转换交/直流转换图2-1 智能变送器工作原理图 智能变送器采用CPU后，不仅可对电压、电流、频率等电参量进行测量与变送，还能大大提高系统的可靠性与精度，减少外部连线，实现一机多用即以同一检测模板用于不同物理量的检测场合，满足多种线性与非线性输入信号的精度要求等，还可实现数字化信号传输，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公司相继研制成功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。本论文智能变送器的硬件电路设计主要包括单片机选择、采集电路设计、A/D转换器选择及接口电路设计、D/A转换器电路选择及接口设计、看门狗电路/存储器电

30、路设计、RS一485总线接口电路设计、输出转换电路设计、显示器接口电路设计等。变送器硬件设计原理图如图2- 2所示。下面将分节给予介绍。电压跟随器电压输入放大电路频率/电压转换电路4-20mA/0-5V转换电路CD4051多路开关AD7810光隔光隔单片机光隔光隔TLC5615AD694RS485接口看门狗、存储器电路液晶显示电路0-5V0-10V220V频率f4-20mA0-5V0-10V4-20mA图2-2 硬件设计原理框图2.2单片机选择 因MCS-51系列单片机已被国内用户广泛认可和应用，货源充足，资料丰富，仿真工具种类繁多且成熟，因此设计选用ATMEL公司生产的AT89系列的89C5

31、2单片机，其本身具有8051CPU内核，片内256字节RAM、特殊功能寄存器SFR、8KB FLASH程序存储器、4个8位并行I/O口、2个16位定时计数器、全双工串行口、布尔处理器、2个优先级的6个中断源等内部资源。硬件扩展方便，用途广泛。562.3 电信号采集电路设计 为使变送模块能够具有更广泛的使用环境，设计决定采用直流0-5V、0-10V，交流220V的电压和4-20mA的电流信号输入以及频率信号输入等工业现场经常出现的电信号，为了能够对不同的信号都能够进行精确的测量，分别对以上信号采用电压跟随器、电压输入放大电路、由TL431-DIP8及OP-07组成的4-20mA/0-5V转换电路

32、以及由LM331组成的频率/电压转换电路将各种信号都转换成0-5V的AD能够直接处理的电信号，以方便信号采集和转换，下面分别对各电路进行介绍。72.3.1直流电压采集电路本设计的直流电压输入部分对0-5V和0-10V两种直流电压信号进行采集，采用电压跟随器为主要电路。在同相比例运算电路中，若将输出电压的全部反馈到反相输入端，就构成了电压跟随器。电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电

33、压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。由于以上原因，将设计中的0-5V和0-10V直流电压输入采用电压跟随器。8考虑到实际应用中的安全性和可能遇到的干扰，在电路中加入了限流电阻和滤波电容，以增强电路在实际应用中的性能。对于0-10V的输入电路，采用精密电阻进行分压使以其较为准确的达到0-

34、5V的AD转换器能够处理的范围，0-5V的采集电路如图2-3，0-10V的采集电路如图2-4所示。图2-3 0-5V采集电路图2-4 0-10V采集电路2.3.2电压输入放大电路 对于220V的交流电压信号，设计采用的是如图2-5所示的电压输入放大电路，电压通过变压器取信号,然后经放大送到下一级。通过变压器变压后电压变为100V，在经过电阻R1和R2进行分压后可取得1V的电压，然后将其送入运放进行放大，图中u( t) 和被测电压u ( t) 成正比,变化范围为0-4. 75V，在A/D的处理范围之内。9 图2-5 电压输入放大电路2.3.3频率/电压转换电路LM331是美国NS公司生产的性能价

35、格比较高的集成芯片。LM331可用作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。LM331为双列直插式8脚芯片，其功能框图如图2-6所示。LM331内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为440V，输出也高达40

36、V。I（PIN1）为电流源输出端，在f（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源输出对电容充电。引脚2（PIN2）为增益调整，改变的值可调节电路转换增益的大小。f（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由t和t决定。引脚4（PIN4）为电源地。引脚5（PIN5）图2-6 LM331功能框图为定时比较器正相输入端。引脚6（PIN6）为输入比较器反相输入端。引脚7（PIN7）为输入比较器正相输入端。引脚8（PIN8）为电源正端。V/F变换和F/V变换采用集成块LM331，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，

37、在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。同时它动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。由LM331构成的频率电压转换电路如图2-6所示，输入脉冲fi经R1、C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3分压而加有约2Vcc/3的直流电压，反相输入端经电阻R1加有Vcc的直流电压。当输入脉冲的下降沿到来时， 经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到

38、反相输入端的Vcc上，当负向尖脉冲大于Vcc/3时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电，同时因复零晶体管截止而使电源Vcc通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容CL两端电压达到2Vcc/3时，定时比较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容CL通过电阻RL放电，同时，复零晶体管导通，定时电容Ct迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。从前面的分析可知，电容CL的充电时间由定时电路Rt、Ct决定，充电电流的大小由电流源IR决定，输入脉冲的频率越高，电容CL上积累的电荷就越多输出电压(电容CL两端

39、的电压)就越高，实现了频率电压的变换。按照前面推导V/F表达式的方法，可得到输出电压VO与fi的关系为：VO=2.09RlRtCtfi/Rs 图2-7所示为由LM331所组成的F/V转换电路。图2-7 LM331F/V电路图2.3.4 4-20mA/0-5V转换电路图2-8是实际使用中效果较好的一种4-20mA/0-5V转换电路。这个电路的特点为：首先，对运放的供电采用了有DIP封装的TL431组成的高精度稳压电路，这种TL431采用DIP8封装，耗散功率达到1W，更改供电电压只需更换分压电阻就可以轻易做到。其次，运算放大器选择使用的是高精度低失调的OP-07，其参数指标大大优于普通廉价运放。

40、最为关键的是在对零点信号的处理上，可以保证4mA输入的时候运放ICC的输出电压等于零。其工作原理为：运放ICD的同相输入端电压由经过TIA31稳压后的负电源提供，它通过R6与R7的分压，取R7上的电压与R1上在4mA时的电压一样，然后，经过运放的缓冲，从运放输出接有一只PNP型三极管用于扩展输出能力，实际这是一个典型的运算放大器稳压电源，其输出将跟随着运放同相端的电压，可以从接近零的电压起调。R1就是4-20mA的I/V转换电阻，按照上述道理，由于运放的作用，这个电阻的最小取值可以很小，电阻越小越能减轻前方传感变送器的供电要求。 正是考虑到传感变送器属于一种远传信号的使用环境，为了防止干扰信号

41、，加有输入滤波电容器C1和两只1N4148二极管对输入信号可能出现的危险电压进行保护。例如：取R1=25，4mA时，其压降=0.1V，把ICD的同相端输入电压配置为负的0.1V，这样，输入信号的0.1V与这个IV配置的负0.1V恰好互相抵消，ICC输出将是零电压。随着输入电流的增大，如果输入电流是5mA，I/V转换电压将是0.125V如果输入电流是20mA，IV取样电压就是500mV。这样可以把这个电压放大10倍得到5V满度输出，或者放大20倍得到10V满度输出。为了方便工程上的工作方便，减少同时手续，对R1、R6、R7、R9、R10等重要电阻，必须选择其精度0.1的E96分度的金属膜电阻，其

42、温度漂移参数最好能够不大于50ppm，以确保结果的准确性。运算放大器OP-07本身在零电压输而输出不为零时，可以在其1PN8P上连接微调电位器进行静态零点调整，也可以在零点电流输入时一并处理。由ICA和ICB组成的高精度稳压电源，其输出电压应该大于主电路要求的满度输入电压至少3V以上，不能使用T902小功率封装的TL431替换本电路DIP8封装的TL431。图2-8 4-20mA/0-5V转换电路2.4单八路模拟开关CD4051及选择按键开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器，当给驱动继电器的驱动电路加高电平或低电平时，继电器就吸合或释放，其触点接通或断开电路。CMO

43、S模拟开关是一种可控开关，它不象继电器那样可以用在大电流、高电压场合，而是适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号。因此，设计通过其中的一种单八路模拟开关CD4051对输入信号的导通进行选择。CD4051 引脚功能见图2-9。CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表2-1。“INH”是禁止端，当 “INH”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V

44、的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=5V， VSS=0V，当VEE=5V时，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。表2-1 CD4051引脚功能表输入状态接通通道INHCBA0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1均不接通图2-9 CD4051功能引脚图 为了对不同的输入信号进行选择，在设计中加入了选择按键，1#-5#选择按键分别连接在单片机上通过按下不同的按键使I/O口的电平发生变化，进而通过程序由CD4051选择不同的电路以达到选择不同输入点信号的目的。图2-10为

45、CD4051、选择按和单片机的连接图。图2-10 CD4051、选择按键与单片机连接图2.5 10位串行模数转换芯片AD7810AD7810是美国模拟器件公司（Analog Devices）生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2s，采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源（2.7V5.5V）供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27W，因此特点适合于便携式仪表及各种电池供电的应用场合使用。D7810引脚排列如图2-11所示，各引脚的功能如下：图2-11

46、AD7810引脚图 1脚CONVST：转换启动输入信号。 2脚Vin+：模拟信号同相输入端。 3脚Vin-：模拟信号反相输入端。 4脚GND：接地端口。 5脚VREF：转换参考电压输入端。 6脚Dout：串行数据输出端。 7脚SCLK：时钟输入端。 8脚VDD：电源端。AD7810组建电路方便，应用时几乎不需外围元件。图2-12所示是AD7810与89C5单片机的接口连接电路图，如图所示，其参考电压Vref接至VDD，模拟输入Vin-接至GND，而待转换电压则从Vin+输入。SCLK、Dout、CONVST分别与89C52的P1.0、P1.1、P1.2相连。10图2-12AD7810与89C5

47、2单片机连接图2.6 10位串行数模转换芯片TLC5615TLC5615是一个串行10位DAC芯片，性能比早期电流型输出的DAC要好。只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机)接口，适用于电池供电的测试仪表、移动电话，也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。其主要特点如下:单5V电源工作；3线串行接口;高阻抗基准输入端;DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压;上电时内部自动复位;微功耗，最大功耗为1.75mW;转换速率快，更新率为1.21MHz。小型(D)封装TLC5615CD和塑料DIP(P)封装TLC5615CP的工作温度范围为0

48、- 70;而小型(D)封装TLC5615ID和塑料DIP(P)封装TLC5615IP的工作温度在-40-85的范围内。TLC5615的引脚图和于单片机的连接原理图分别如图2-13和2-14所示。11 图2-13TLC5615引脚图 图2-14 TLC5615与单片机连接图2.7输出模块电路设计为了能满足工业控制现场尤其是计算机控制方面的需求，本设计的输出模块采0-5V、0-10V、4-20mA三种输出方式，其中0-5V与0-10V输出采用电压跟随器。而4-20mA的输出则采用AD694芯片以达到将0-5V电压转换为4-20mA电流。AD694是一种单片电压&电流转换器。它将输入电压信号转换成标

49、准的4-20mA电流信号.可广泛应用于压力、流量、温度等信号的参数传递和对阀、调节器以及过程控制中一些常用设备的控制。它具有输入缓冲放大器、V/I 转换电路、4mA 电流偏置及其选通和微调电路、参考电压电路、输入量程选择端、开路和越限报警输出端，功能较强，使用时不接或只接很少的外部元件。它能达到0.002%的非线性度，精度高，且抗干扰性强，是过程控制、工业自动化和系统监测等领域中取代分立元件设计的一种理想集成电路。AD694的功能框图如图2-15所示。该框图可以分成两部分。第一部分是输入缓冲放大器;第一部分是V/I转换器;第二部分是偏置电流和参考电压发生器。图2-15 AD694功能框图AD6

50、94预先设定的输入信号是O-lOV或0-2V，当输入不是这两种信号时，可以直接应用AD694进行输入量程的调整，调整的方法有两种。第一种是调节输入缓冲放大器的增益，具体方法是把+SIC(引脚3)作为输入端，在引脚1,2之间接反馈电阻，在引脚2,5之间接一电阻，两电阻与缓冲放大器A,构成正端输入比例运算放大器。要说明的是，当输入信号最大值介于2-lOV之间时，2VFS悬空，Vs12.5V:当输入信号最大值介于0-2V时，2VFS接公共端，Vs=+4.5V-+36V 。第一种方法是调节V /I转换器的跨导，在R2两端(引脚4,5)之间并接电阻，此时，lout=20 x V(引脚1 )/(R1+Rx

51、/R 并)，可见，并联适当电阻后输出0- 16mA。采用第二种方法时，AD694供电电压要比输入信号至少大2.5 V，这是内部放大器正常工作所需要的。例如，输入O-5V信号，供电电压最低7.5V。122.8 RS-485总线接口电路设计2.8.1 串行通信接口的基本任务 1.实现数据格式化:因为来自CPU的是普通的并行数据，所以接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。在异步通信方式下，接口自动生成起止式的帧数据格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待传送的数据块前加上同步字符。 2.进行串一并转换:串行传送，数据是一位一位串行传送的，而计算机处理数据是并行数据。所以当数据由计算

52、机送至数据发送器时，首先把串行数据转换为并行数才能送入计算机处理。因此串并转换是串行接口电路的重要任务。 3.控制数据传输速率:串行通信接口电路应具有对数据传输速率波特率进行选择和控制的能力。4.进行错误检测:在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其他校验码。在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码，确定是否发生传送错误。5.进行TTL与EIA电平转换:CPU和终端均采用TTL电平及正逻辑，它们与EIA采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。6.提供EIA-RS-232C接口标准所要求的信号线:远距离通信采用MODEM时，需要9根信号线;近距离零MODEM方式，

53、只需要3根信号线。这些信号线由接口电路提供，以便与MODEM或终端进行联络与控制。132.8.2 RS-485简介RS-485作为一种多点、差分数据传输的电气规范已成为工业界应用中最为广泛的标准接口之一。这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、双向通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、传输距离以及可靠性等是其他标准所无法比拟的。RS-232与RS-485的区别:由于RS-232-C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点:1.接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。2.传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。3.接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以扰性弱。4.传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。针对RS-232-C的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具有以下特点:1. R