基于低功耗单片机温度变送器的设计

PAGEPAGE25摘要介绍一种基于Microchip低功耗单片机PIC16F877的新型智能二线制热电阻（Pt1000）温度变送器的电路设计。分析系统设计的理论依据和软硬件实现方案，采用温度补偿算法使补偿后的精度等级达到0.1%FS。该智能式变送器具有精度高、可靠性好、现场显示、生产调试方便等特点，是老式二线制温度变送器的理想替代产品，具有很好的应用前景。关键字：低功耗单片机二线制智能式变送器。

AbstractIntroductionofalow-powermicrocontrollerbasedonPIC16F877Microchip'snewsmart-wireRTD(Pt1000)temperaturetransmittercircuitdesign.Thetheoreticalbasisofsystemdesign,hardwareandsoftwareimplementations,usingthetemperaturecompensationalgorithmtocompensatefortheprecisionlevelreachedafterthe0.1%FS.Thesmarttransmitterwithhighprecision,goodreliability,on-sitedisplay,commissioningandconvenient,theoldtwo-wiretemperaturetransmitteristheidealalternativeproducts,withgoodprospects.Keywords:Low-powersinglechiptwo-wiresmarttransmitter目录摘要 IAbstract II1设计总则 11.1课题的来源 11.2设计背景 11.2.1智能温度变送器工业介绍 11.2.2国内外发展的状况 11.3综合分析以及设计目的 32智能二线制温度变送器设计方案分析 63智能二线制温度变送器硬件设计 73.1电源管理模块 73.2信号处理模块 73.3数据运算模块 73.3.1运算模块 83.3.2显示模块 103.4V/I变换模块 103.4.1模块电路 103.4.2电路分析 103.5系统功耗 114智能二线制温度变送器软件设计 124.1PIC16F877的10位A/D转换 124.2软件流程 144.3A/D转换 144.4线性化处理 154.4.1线性化处理程序 154.4.2温度A/D值对照 164.4.3温度数值曲线 164.5D/A转换 174.6LED显示 175结论与展望 185.1结论 185.2存在的不足 185.3展望 19致谢 20参考文献 21附录一 22附录二 221设计总则1.1课题的来源本课题《智能二线制温度变送器设计》来源于湖北汽车工业学院成教院。1.2设计背景智能仪器是计算机技术与电子测量仪器紧密结合的产物，是内含微型计算机或微处理器,能够按照预定的程序进行一系列测量测试的测量仪器，并具有对测量数据进行存储、运算、分析判断、接口输出及自动化操作等功能。仪器与微处理器相结合，使得软件替代了许多传统的硬件逻辑，带来更小的体积、更高的集成度、更直观方便和智能的显示与操作、更有效的数据存储处理与通信。同传统仪器相比，智能仪器具有以下几个突出特点：（1）以软件为核心，具有强大的控制能力。（2）具有强大的数据存储处理功能。（3）实现仪器功能多样化。（4）智能化、自动化程度高。智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它由硬件和软件两大部分组成。智能仪器的硬件结构智能仪器的硬件部分主要包括CPU、存储器、内部总线、各种I/O接口、通信接口、人机接口（键盘、开关、按钮、显示器）等，如图10.1所示:2）智能仪器的软件组成。智能仪器的软件是其灵魂，整个测量工作是在软件的控制下进行的。没有软件，智能仪器就无法工作，软件是智能仪器自动化程度和智能化程度的主要标志。智能仪器的软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。1.2.1智能温度变送器工业介绍二线制热电阻温度变送器的功能是将温度信号线性地变换成4~20mA直流标准输出信号同时在现场利用LED液晶显示器指示温度。温由于模拟二线制温度变送器大都由分立元件组成，温漂较大；同时热电阻本身存在非线性，所以要进行非线性处理。模拟元件在处理上存在较大的问题，因此精度大都不高，一般在0.5~1.0级。随着微处理器功耗的极大降低和新器件的不断出现，以“A/D+微处理器+D/A”[1为模式的智能变送器，在信号的处理、测量精度、仪表维修和维护等方面与老式变送器相比，具有无可比拟的优势，是今后变送器的主要发展方向。1.2.2国内外发展的状况20世纪70年代，随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以及计算机技术与电子测量技术的结合，出现了以微处理器为基础的智能仪器。它具有键盘操作、数字显示、数据存储与简单运算等功能，可实现自动测量，如智能化DVM、智能化RLC测量仪、智能化电子计数器、智能化半导体测试仪等。进入20世纪70年代末期，标准化的通用接口总线出现了，因而可利用GPIB、VXI等仪器系统总线将一台计算机和若干台电子测量仪器连接在一起，组成自动测试系统。在这种自动测试系统中，各设备都用标准化的接口和统一的无源总线以搭积木的形式连接起来。在这些仪器总线中，最具代表性的是GPIB总线和VXI总线。GPIB总线于1972年由美国惠普公司（HP，Agilent公司的前身）推出，后为美国电气与电子工程师学会（IEEE）及国际电工委员会（IEC）接受，又称IEEE-488总线。进入20世纪80年代，计算机特别是个人计算机得到了广泛的普及与应用。在电子测量领域，计算机与仪器之间的相互关系也在发生改变。在早期的自动测量系统中，仪器占据主要位置，而计算机系统起辅助作用；而到了GPIB仪器和VXI仪器阶段，计算机系统越来越占据着重要和主要地位。基于这种趋势，出现了“计算机即是仪器”的测试仪器新概念，诞生了个人仪器和虚拟仪器。个人仪器以个人计算机为核心，辅以仪器电路板和扩展箱，与个人计算机内部总线相连，在应用软件的控制下，共同完成测试测量任务。1.3综合分析以及设计目的本课题研究的重点是：以软件为核心；具有强大的数据存储处理功能；实现仪器功能多样化；智能化、自动化程度高；提高测量精确度。2智能二线制温度变送器设计分析2.1建立温度变速器设计的方案智能式二线温度变送器在系统结构上分为电源管理模块、信号处理模块、数据运算模块、VPI变换模块组成,电路结构如图：图1智能式二线温度变送器系统结构框图图中的粗线为电源流程,细线为信号流程,两根外接导线既是电源线也是信号线。4～20mA信号体制为二线制设计提供了可能性,当被测信号的量程从0%～100%变化时,两根传输线上电流变化对应4～20mA,因此要求整体包括微处理器在内的电路静态工作电流小于4mA。RL为信号采样负载电阻,在供电电源17～30V的前提下,回路4～20mA电流由热电阻信号R确定。通过框图我们可以看到,首先对信号源所产生的信号进行采集,然后通过信号处理模块对信号进行放大处理,再由数据处理模块进行信号的软件线性化处理,最后通过VPI变化模块把线性反映温度变化大小的信号,调制成电压信号后转换成相应电流信号(0～16mA),加上系统的静态功耗4mA,形成4～20mA的电流信号通过二线电流线输出。3智能二线制温度变送器硬件设计3.1电源管理模块普通的二线制变送器由于采用模拟器件来实现,因此对电源的功耗要求较低,一般采用78系列稳压模块。其工作电流一般在1～2mA之间,但对于智能变送来说相对较大,如图2所示这里我们采用Maxim公司的高电压低功耗线性变换器MAX1616作为电压变换,该器件具有如下的特点:4V～28V电压输入范围;最大80uA的静工作电流;3.3VP5V电压可选输出;30mA输出电流;±2%的电压输出精度。采用该器件将输入的24V电压变换成5V电压,给外围5V的器件供电。为进一步降低微处理器的功耗和提高数据处理精度,再把5V电压经过MAX619(低功耗高精密电压基准源)输出一个3V高精密的电压基准,对微处理器供电,并且为APD转换提供参考电压,其中二极管D1是一个保护二极管,防止输入电压接反可能带来的对电路的影响和破坏。图2电源管理模块电路图3.2信号处理模块在如图3所示信号处理模块中,采用TI公司的TLC27L2完成信号的放大与输出,TLC27L2是低功耗精密运放放大器,其特点是:单电源供电,超低功耗(25℃,5V时,电流为19uA),采用数字电位器X9c103和X9c504作为信号的调零和放大。其中X9c103和X9c504分别是1K和50K具有100个抽头的低功耗数字电位器,由微处理器控制,对变送器进行数字调零和调满量程,R9、R10、R11、X9c103配合Pt1000热电阻组成测温电桥,利用X9c103可以对不同量程的变送器进行零点的调整,设数字电位器X9c103的电阻为W1,其中Pt1000(假设为R12)热电阻温度传感器封装在接线盒内,其接线电阻可以忽略,电桥中间两点电压作为差动运算放大器的输入信号。分别为:V1=3×R9R9+R12;V2=3×R10R11+W1+R10ΔV=V1-V2该信号再经过差动放大对微弱信号进行放大,其中电容C12是滤波电容,用来防止信号受外界信号干扰,放大倍数由R15和X9c504构成,通过微处理器对X9c504的控制来获取可变的放大倍数,满足不同测量范围的要求,这里没有考虑热电阻的非线性补偿,对于热电阻的非线性补偿,本变送器是通过微处理器软件实现的,这将在变送器的软件设计中加以说明。图3信号处理模块电路图3.3数据运算模块3.3.1运算模块数据运算系统是变送器的关键部件之一,它完成变送的A/D转换、测量对象转换、键盘输入、信号分析处理及信息显示等功能。智能变送器采用Microchip公司的Flash单片机16F877[2],它是高性能类RSIC-CPU,内部带有8路10位APD转换器、8K14位)片内Flash程序存储器、368字节的数据存储器(RAM)、256字节的掉电数据存储器(EEPROM),14个中断源的低功耗单片机。它具有低功耗睡眠式(可中断唤醒)和片内看门狗定时器(WDT),易于实现低功耗抗干扰设计。此外,PIC16F877与其他8位微处理器相比,代码压缩速度提高了4倍,器件性大大提高。因此,PIC16F877是低功耗低智能仪器较为适宜的微控制器。图4为数据运算系统电路图。温度信号经过信号处理模块后,送入PIC16F877的2脚是片内10位APD的输入端口口(模拟输入通道0)。33(RB0)脚通过R23接操作“回车”键;36(RB3)脚通过R20接操作“设置”键,选择调整对象;35(RB2)脚通过R21接操作“+”键,34脚通过R22接操作“—”键,对数据进行加减操作,19P20(RD0PRD1)脚(双向IPO口)分别接LCD显示器的时钟与数据端口。28P29P30(RD5PRD6PRD7)脚(双向IPO口)分别接串行DPA转换器TLC5615的片选、时钟和数据端口。23P24(RC4PRC5)脚(双向IPO口)分别接X9c103和X9c504数字电位器的片选信号。21P22(RD2PRD3)脚(双向IPO口)分别接X9c103和X9c504数字电位器的调整脉冲信号和电阻上升P下降信号。图4微处理器模块电路图3.3.2显示模块采用SUNMAN电子有限公司的LED显示器SWSO408，其主要技术参数如下：1)显示容量：4位带小数点。2)模块电压：2.7~5.5V。3)环境相对湿度：<85%。4)视角：6：00；字高：18.0mm。5)工作温度：-20~60℃。6)接口方式：二级式串行接口。3.4V/I变换模块V/I变换模块电路如图5所示，由D/A和V/I变换两部分组成。D/A部分选用TLC5615串行D/A芯片。它是低功耗10位CMOS电压输出DAC，特点是：5V单电源工作，3线串行接口，高阻抗基准输入，基准电压两倍的输出电压范围，低功耗（最高1.75mW），1.21MHz的更新速率，在温度范围内保持单调性。V/I变换部分采用负载共地方式，运算放大器采用TI公司的高速低功耗精密运算放大器TLE2012、精密电阻R3、R4、R5、R6、Rf、R8、T1组成。Vi为输入电压，Io为输出电流，Rf为反馈采样电阻，R5为限流电阻，RL为负载电阻，R8为限流电阻。Rf采样电流信号以电压的形式加到运算放大器的输入端，而且极性与输入电压信号反相，形成一个电流并联负反馈电路。由于运算放大器的输入阻抗很高，流入运算放大器输入端的电流可以忽略。在R5、R6>>Rf的条件下，流经R5、R6的电流与Io相比可以忽略。3.4.1模块电路V/I变换模块电路如图5所示;图5VPI转换模块电路图由DPA和VPI变换部分组成,DPA部分选用TLC5615串行DPA芯片,它是低功耗10位CMOS电压输出DAC,它的特点是:5V单电源工作;3线串行接口;高阻抗基准输入;基准电压两倍的输出电压范围;低功耗(1.75mWMAX);1.21MHz的更新速率;在温度范围内保持单调性。VPI变换部分采用负载共地方式,运算放大器采用TI公司的高速低功耗精密运算放大器TLE2012、精密电阻R3、R4、R5、R6、Rf、R8、T1组成。Vi为输入电压,I0为输出电流,Rf为反馈采样电阻,R5为限流电阻,RL为负载电阻,R8为限六电阻。Rf采样电流信号以电压的形式加到运算放大器的输入端,而且极性与输入电压信号反相,形成一个电流并联负反馈电路。3.4.2电路分析由于运算放大器的输入阻抗很高,流入运算放大器输入端的电流可以忽略。在R5、R6>>Rf的条件下,流经R5、R6的电流与I0相比可以忽略。由运算放大器正负输入端电位近似相等,假设R3=R4=R3,R5=R6=R5可得Vi+(I0RL-Vi)R3/(R3+R5)=I0(Rf+RL)R3/(R3+R5)简化得：I0=Vi×R5/(Rf·R3)当取R3=100KΩ,R5=40KΩ,Rf=100Ω,当Vi=0～5V时,I0=0～20mA。为保证足够的VPI转换精度,电路中各电阻应当选用精密电阻;正电源+V>(Rl+Rf)×I0max,I0max是I0的最大值。3.5系统功耗MAX1616的静态电流为80μAMAX619的静态电流为100μAX9c104静态电流为500μAX9c504静态电流为500μATLC27L2的静态电流为120μAC8051F017的静态电流近似为1mATLE2021的静态电流为230μAICL7660的静态电流近似为200μA其他部分散件的静态电流大约为500μA总体静态电流IA=3.23mA

4智能二线制温度变送器软件设计4.1PIC16F877的10位A/D转换为使A/D转换器满足一定的转换精度，就必须让采样电路的保持电容有足够的充电时间，因此，必须正确选择A/D转换的时钟源。系统采用1MHz的晶振，A/D转换时钟选择振荡频率的1/32。其转换程序如下：A_D_Change(){ADCON1=0x8e;ADCS1=1;ADCS0=0;//A/D转换时钟选择fosc/32CHS0=0;CHS1=0;CHS2=0;//选择A/D通道0ADON=1;for(i=0;i<=100;i++);//启动A/D转换ADGO=1;while(ADGO==1);//等待转换结束ad_result1=(ADRESH&0x03)*256+ADRESL;//读转换结果ADGO=0;//清A/D转换标志}4.2软件流程设计4.3A/D转换为使APD转换器满足一定的转换精度,就必须让采样电路的保持电容有足够的充电时间,因此必须正确选择APD转换的时钟源。系统采用1MHz的晶振,APD转换时钟选择振荡频率的32分之一。其转换程序如下：AD_Change{AXMOCF=0x00;ADCS2=1;ADCSI=0;ADCS0=0;//A/D转换时钟周期为16个系统时钟周期AMPGN2=0;AMPGNE=1;AMPGN0=0;//增益为4ADMOSL=0x00；//选择A/D通道0ADCEN=1;for(i=0;i<=100;i++)ADCBUSY=1;While(ADCBUSY==1);//等待转换结束Ad_result=(ADCOH&0x03)*256+ADCOL;//读转换结果ADBUSY=0;//清A/D转换标志}4.4传感器输出线性化处理在实际工程中,大多数传感器的输出信号与被测参数之间呈现非线性,这是造成测量精度低、误差大的主要原因。热电阻的输出电压与被测温度之间是非线性的，温度与A/D转换值之间的关系（非线性）。对其进行非线性补偿时，主要采用把查表法和计算法结合在一起的插值法。首先，通过精密电阻箱模拟铂电阻的分度表，每隔5℃获取其10位A/D转换结果显示在LCD上，得到关于被测温度与A/D转换数值对应表。所列为温度0~300℃时，PIC16F877内部10位A/D转换器对应的数值。4.4.1线性化处理程序Unsignedlongcount_Tem(unsignedintad_counter){Unsignedlongjs1,js2;Unsignedcharjs=0;While(1){Js1=counter[js];Js2=counter[js+1];If(ad_counter>=js1&&ad_counter<=js2){Temp1=tempture[js];Temp2=tempture[js+1];Temp=temp1+(ad_counter-js1)*5/(js2-js1);Returntemp;}Js=js+1;If(js>61){break;}}}4.4.2温度A/D值对照温度为0℃～300℃时,16F877内部10位APD转换器对应的数值如下：4.4.3温度数值曲线通过该数据可以建立起被测温度与A/D转换数值之间的对应曲线,用平滑的曲线连接各点,可以得到如图6所示的特性曲线,可以看出它是一个非线性函数：图6TPN(温度P数值)特性图中温度T被分成30个均匀的区间,每个区间的端点APD转换值Nk都对应一个Tk。当APD转换值为Ni时,实际测量温度值Ti一定会落在某个区间(Tk,Tk+1),采用线性插值法进行插值,用通过(Nk,Tk)和(Nk+1,Tk+1)两点的直线近似代替原特性。通过两点BK和BK+1的直线方程为:Ti=Tk+(Tk+1-Tk)·(Ni-Nk)/(Nk+1–Nk）从中可以看出线性化的精度由折线的段数决定,分段越多,精度与准确度越好。有时为了提高精度,也可以采用抛物线插值。4.5D/A转换WSP430单片机的DAC（数模转换）模块，可以将CPU运算处理的数字量转换为模拟量。MSP430DAC模块是12位、R阶、电压输出的数模转换模块。在使用的过程中可以被置成8位或12位转换模式，并能够与DMA控制器结合使用。当CPU内部有多个DAC模式时，CPU可以对它们统一管理，并能够做到同步更新。为了提高输出精度，这里采用12位转换模式。在使用的过程应该注意的是参考电压、DAC输出和输入的稳定时间和电流消耗的选择。参考电压是唯一影响DAC输出结果的模拟参量，使DAC转换模块的重要组成部分，这里选择内部参考电压2.5V。另外DAC参考源的输入和电压输出缓冲器的稳定时间和功耗情况，可以通过编程工作于最佳状态，考虑到功耗和速度的要求，编程选择ADC12Px位为101时期工作于最佳状态。其转换初始化程序如下：voidDAC_SET(unsignedintda_data){DAC12CTL0=REF2_5+REFON；//选择内部2.5V参考源DAC12_0CTL=DAC12IR+DAC12AMP_5+DAC12ENC；}4.6LED显示LCD显示器SMS0408:5结论与展望5.1结论本文介绍了基于热电阻的智能式二线制温度变送器，经过单片机数据处理之后，精度可以保证在0.1%FS；具有现场显示变送一体化功能，同时采用数字电位器实现零点和满度的调整，操作简单、直观、准确度高。该变送器体积小、成本低、精度高、可靠性好，该产品化批量生产，并得到广泛的应用。5.2实验测量实验室测量数据如下：本实验所测量的功率满足公式P=I×V(其中表中给出的电流、电压、频率和相角均是由其它测量来实现的,本文只给出了数据以供考证)。并由多次实验得出的测量结果证实:时分割乘法器满足智能电能测量的要求,实际应用效果良好。本文提出的时分割乘法器电路已应用于智能电能测量中,并可以用于其它相关的实际系统中,关于数据的分析对这类乘法器有一定的参考价值。(实验室采用的实验仪器为ZHZ33标准三相交流功率源、3330A6位半数字电压表和PB—12型4位半数字电流表。):5.3