基于溫度測量處理變送器的設計

2、數(shù)據(jù)采集電路與放大電路

數(shù)據(jù)采集部分電路如圖4所示，限流電阻R1和穩(wěn)壓管TL431產(chǎn)生2.5V標準電壓。系統(tǒng)共有7路模擬輸入信號,4路熱電偶信號輸入（EXT1————EXT4），１路冷端補償信號,一路基準信號,一路地信號（EXT5）。2.5V電壓加在10K電阻和外接二極管串聯(lián)支路上，構(gòu)成熱電偶的冷端補償電路，它是利用二極管正向工作的電壓-溫度特性測量冷端溫度，基準信號利用2.5V電壓和分壓電阻產(chǎn)生。因此采用了8選1多路模擬開關(guān)CD4051,由單片機的P2.0、P2.1、P2.2三個引腳高低電平控制模擬通道的選擇。由于輸入熱電偶分度號由用戶設定，不同分度號信號大小不一,故設計了由OP07和4051（U2）組成的程控放大器，輸入信號經(jīng)放大后進入A/D,經(jīng)采集處理后得出各路信號值。程控放大是利用單片機對4051的控制，選擇不同的通道，同時也就選擇了不同的放大倍數(shù)。4051外接的電阻是：R25=20K，R26=47K，R27=2.4K，R28=3.9K，R29=1.9K，共有4個不同的放大倍數(shù)，分別為放大倍數(shù)1=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（47+2.4+3.9+1.6）≈1.3倍、放大倍數(shù)2=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（2.4+3.9+1.6）≈10倍、放大倍數(shù)3=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（3.9+1.6）≈14倍、放大倍數(shù)4=（20+47+2.4+3.9+1.6）/1.6≈46倍。1.3倍的放大倍數(shù)主要用于冷端補償二極管信號的采集，電路中四個22M上拉電阻完成熱電偶斷線撿測功能。

石灰爐內(nèi)4點放四只熱電偶，作為系統(tǒng)的四路mV信號輸入端。熱電偶信號被選通輸入后進入程控放大電路，信號分度號不同則mV值的高低也不同，通過軟件選擇不同的放大倍數(shù)，使這些放大后的信號最大值接近A/D的最大充許值；以充分利用A/D資源,保證測量精度。設放大倍數(shù)為A，則從程控放大出來的信號即為AX。各種信號的放大倍數(shù)的確定和后面A/D器件的模擬輸入有關(guān)，本電路的A/D選擇7135（五位半）,基準電壓為0.5V,7135的模擬輸入的范圍為0～1V電壓。例如B、S標準熱電偶，放大倍數(shù)應選擇46，K、E、標準熱電偶放大倍數(shù)應選擇14。冷補二極管信號為0.65V左右，采用1.3倍放大倍數(shù),現(xiàn)以一路信號的轉(zhuǎn)換計算為例說明，測量某路熱電偶輸入時依次采集外接熱電偶輸入毫伏值、冷端補償二極管電壓降、基準電壓及模擬地。從4051的X2端輸入V基是己知電壓，并固化于程序中,D基、D零、Dx分別是基準、零點及輸入熱電偶信號的實時A/D采集值，通過下式可以完成零點滿度的自校正,計算出VX值。由于V基、Vx及地三個信號經(jīng)過同樣的硬件輸入通道,硬件的離散性誤差及零點滿度漂移對三者的影響相同，通過下面公式可以校正零點、放大倍數(shù)及A/D各環(huán)節(jié)的誤差，在用一般器件的情況下可保證系統(tǒng)的測量精度。

D基-D零/Dx-D零=Vx/V基

由于熱電偶mV溫度間關(guān)系是非線性的，我們采用了折線法進行非線性校正，VX通過分段非線性數(shù)據(jù)處理,可以算出對應溫度CX,加上通過測量冷端補償二極管電壓得出的冷端補償溫度C0，就得到該路的實際測量溫度C,即C=CX+C0。

同時由于熱電偶的原因，在測量端的電壓值會被抵消了一部分。這種情況造成的誤差影響較大。必須對它進行冷端補償。因為二極管在溫度變化時，其正向?qū)妷鹤兓€(wěn)定，為-2mV/℃，因此我們采用二極管測冷端濕度進行補償，具體做法如下：

第一步，我們冷端補償輸入端輸入一標準電壓0.7V得到一個AD采樣值D0，然后我們再輸入一標準電壓0.6V再得到一個AD采樣值D1。兩者相減得到一個值ΔD，根據(jù)二極管的特性，每1℃電壓變化2mV，我們輸入的第1個標準信號和第2個標準信號相差為100mV，相當于二極管正向電壓變化100mV，對應冷端溫度變化50℃，就可以求出冷端溫度每變化1℃時其對應AD值變化多少的系數(shù)K=ΔD/50，由于冷端溫度變化范圍小（0-50℃）,相對精度要求不高，因此設計產(chǎn)品批量生產(chǎn)時把該系數(shù)直接固化于程序中。當把冷補二極管1N4148接入輸入端后，據(jù)上面所述，可以根據(jù)該系數(shù)及冷端AD采集值變化量的大小推算出冷端溫度變化的大小。

第二步：我們在儀表設置狀態(tài)輸入當前環(huán)境溫度Ta，并及時測得二極管1N4148所在端電壓經(jīng)放大AD轉(zhuǎn)換后的值Da,并將Ta、Da其存儲到EEPROM里面，以后儀表處于工作狀態(tài)時我們實時地測出二極管AD轉(zhuǎn)換后的值Db，再把兩者相減得ΔDab=Da-Db，ΔDab除以K（代表每一個1℃的AD采樣值的大小）得到一個溫度值差Y。然后Y加上設置環(huán)境溫度初值Ta得到實際冷端溫度C0=Y+Ta。這種冷端補償有一定誤差,當環(huán)境溫度變化時,所測的實際冷端溫度C0將會跟隨變化，在一定時期內(nèi)環(huán)境溫度的變化不大,因此它引起的誤差和熱電偶相比十分的小,可以忽略。但當環(huán)境變化較大時,比如從冬天到夏天的變化,其變化為幾十℃,如果冷補誤差大于1度,我們可以重新輸入基準Ta校正。

3、A/D電路

A/D電路主要由74LS157、ICL7135芯片組成，7135采用0.5V基準信號,模擬電壓輸入范圍為0-1V。ICL7135采用動態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即萬、千、百、十、個各字位BCD碼輪流出現(xiàn)在B8，B4，B2，B1端上出現(xiàn)，并在D5-D1各端同步出現(xiàn)字位選通脈沖。采集到的微弱信號經(jīng)程控放大后，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號。使用了74LS157四2選1選擇器，使萬位數(shù)據(jù)輸出和其它的三標志信號（超量程、欠量程、極性輸出）與BCD碼數(shù)據(jù)輸出的B8、B4、B2、B1共用C52的P0.0-P0.3四條I/O口線，分時傳送是通過D5控制74LS157的選擇端SEL實現(xiàn)。SEL輸入低電平時選擇1A-4A輸出，輸入高電平時選擇1B-3B輸出。因為萬位數(shù)據(jù)只能輸出0或1，是個半位。所以，正好和OR（過量程）、UR（欠量程）和POL（正負極性）三位構(gòu)成四位數(shù)據(jù)輸出，供單片機讀取。與C52的硬件接口方式是查詢方式，軟件上利用對D5、D4、D3、D2、D1查詢來實現(xiàn)萬、千、百、十、個上的數(shù)據(jù)輸出。

4、控制面板電路

該部分電路包括兩部分：按鍵控制電路和顯示電路。具體電路見圖5。電路采用ZLG7289作為核心芯片,通過三個引腳與單片機連接，單片可完成動態(tài)顯示掃描及按鍵查詢，節(jié)約了單片機I/O口硬件資源及時間資源。實際電路中Zlg7289的選片/CS接地時鐘線CLK接P2.7口數(shù)據(jù)線DIO接P2.6口鍵信號線KEY接P2.5口。

zlg7289具有SPI串行接口功能的可同時驅(qū)動8位共陰極數(shù)碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅(qū)動芯片，無須外圍元件可直接驅(qū)動八位LED數(shù)碼管并可同時連接多達64鍵盤的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示及按鍵的擴展。zlg7289內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼，并同時具有2種譯碼方式，此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。本系統(tǒng)用了兩排4位數(shù)碼管，數(shù)碼管用的是動態(tài)顯示的。根據(jù)zlg7289的要求，數(shù)碼管選用共陰極的，Zlg7289的18腳～25腳接數(shù)碼管的位驅(qū)動端，10腳～17腳接數(shù)碼管的段驅(qū)動端，通過數(shù)據(jù)線和時鐘線可以把要顯示內(nèi)容送入7289。本電路只設計了四個按鍵，當有鍵按下時，KEY引腳電平發(fā)生變化通知CPU通過數(shù)據(jù)線和時鐘線讀取鍵值。