基于低功耗单片机温度变送器的设计

基于低功耗单片机温度变送器的设计内容摘要：

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 IEEE488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 3 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。 综合分析以及设计目的 本 课题研究 的重点是 ： 1) 以软件为核心； 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； 5) 提高测量精确度。 4 2 智能二线制温度变送器设计分析 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、 VP I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 VP I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。 5 3 智能二线制温度变送器硬件设计 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。 5V 电压可选输出。 30mA 输出电流。 177。 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 AP D 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。 6 图 2 电源管理模块电路图 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 ,R R R1 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 R9 R9 + R12。 V2 = 3 R10 R11 + W1 + R10 Δ V = 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。 7 图 3 信号处理模块电路图 数据运算模块 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 RSICCPU,内部带有 8 路 10 位 AP D 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 AP D 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 ,19P 20 (RD0P RD1)脚 (双向 IP O 口 )分别接 LCD 显示器的时钟与数据端口。 28P 29P 30 (RD5P RD6P RD7)脚 (双向 IP O口 )分别接串行 DP A转换器 TLC5615 的片选、时钟和数据端口。 23P 24 (RC4PRC5)脚 (双向 IP O 口 )分别接 X9c103 和 8 X9c504 数字电位器的片选信号。 21P 22 ( RD2P RD3) 脚 (双向 IP O 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。