二線制變送器的研制與實(shí)現(xiàn)

吳德波 黃秋豹 田樹龍（中國(guó)核電工程有限公司采購(gòu)部，北京 100840）

二線制變送器的研制與實(shí)現(xiàn)

吳德波 黃秋豹 田樹龍
（中國(guó)核電工程有限公司采購(gòu)部，北京 100840）

本文結(jié)合作者設(shè)備采購(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提出一種基于單片機(jī)控制技術(shù)的二線制變送器的研制方法，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)，對(duì)變送器的設(shè)計(jì)、采購(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均有一定參考意義。

二線制；變送器 ；單片機(jī)；C8051F002

作者結(jié)合日常設(shè)備采購(gòu)工作中對(duì)儀表選型時(shí)，發(fā)現(xiàn)工業(yè)就地測(cè)量的各類非電物理量，如溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等，均是采用變送器就地轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，然后傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。其中最廣泛的是用4～20mA電流變送器來(lái)傳輸模擬量，原因是不容易受干擾，并且電流源內(nèi)阻無(wú)窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA 是因?yàn)榉辣囊螅孪逈]有取0mA 而是取4mA是為了能檢測(cè)斷線，而且考慮電流環(huán)上器件的耗電。

較為常見的4～20mA變送器分為四線制變送器（兩根電源線、兩根電流輸出線）、三線制變送器（電流輸出與電源公用一根線）及兩線制。本文主要研制的是兩線制，作者認(rèn)為變送器在電路中相當(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4～20mA 之間根據(jù)傳感器輸出而變化，顯示儀表只需要串在電路中即可，這使得二線制成為可能。由于二線制變送器省去兩根電源線，由于電源線是遠(yuǎn)端給就地端供電，往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米，這無(wú)疑降低很大成本，因此工業(yè)應(yīng)用中兩線制變送器越來(lái)越普遍。結(jié)合此背景，本文介紹了基于C8051F002單片機(jī)技術(shù)的4～20mA變送器的研制與實(shí)現(xiàn)。

1 二線制變送器硬件設(shè)計(jì)

1.1 變送器總體結(jié)構(gòu)。二線制變送器是將就地傳感器輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)節(jié)放大，調(diào)節(jié)后的信號(hào)控制在0～2.5V之間，然后通過C8051F002單片機(jī)AN0通道采集進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換，再在C8051F002內(nèi)經(jīng)過一定算法實(shí)現(xiàn)并線性化處理后，利用C8051F002自帶的12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出電壓在0.4～2V之間，最后通過V/I轉(zhuǎn)換電路輸出4～20mA電流，電流輸出線也是變送器的供電電源線（24V，GND），具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 變送器主要電路介紹

（1） 調(diào)節(jié)及放大電路。單片機(jī)的信號(hào)輸入范圍為0～2.5V，以阻式差壓傳感器為例，其檢測(cè)到的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)的弱信號(hào)，故必須將其放大。系統(tǒng)選用AD公司的AD620儀用放大器作為系統(tǒng)的信號(hào)處理放大器。該放大器的輸入端與傳感器的輸出相連，AD620是一種低功耗、高精度的儀表放大器，具有良好的交直流特性，并且可以方便的改變放大增益，增益公式為K=49.4kΩ/R5+1，其中R5為反饋電阻，其阻值決定AD620的放大增益。經(jīng)調(diào)節(jié)放大的信號(hào)送單片機(jī)ADC0采樣。

（2）C8051F002單片機(jī)處理電路。信號(hào)調(diào)節(jié)放大電路輸出0～2.5V之間的某一直流電壓，發(fā)送到C8051F002的ADC0進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)通過C8051F002進(jìn)行線性化處理，再通過單片機(jī)自帶的DAC0進(jìn)行12位D/A轉(zhuǎn)化，然后送往V/I電路，DAC0輸出電壓為0.4V～2V之間的某一值。ADC0及DAC0采用的參考電壓+2.5V，由XTR115輸出提供。

（3）V/I轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)的DAC0輸出直流電壓經(jīng)精密電阻后進(jìn)入XTR115，對(duì)應(yīng)4引腳將輸出4～20mA中間某一電流值，通過長(zhǎng)雙絞線發(fā)送到接收端，接收端負(fù)載串聯(lián)到整個(gè)環(huán)路中。XTR115連接的三級(jí)管Q1及穩(wěn)壓二極管D3作用是防止輸出電流過大或上電過程中過沖脈沖損壞芯片。

2 二線制變送器軟件設(shè)計(jì)

二線制變送器的軟件設(shè)計(jì)主要是C8051F002單片機(jī)程序，主要包括ADC0采用程序、數(shù)據(jù)處理程序以及DAC0數(shù)模轉(zhuǎn)換程序。程序是KEIL編譯環(huán)境下用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，圖2為主流程圖，此為設(shè)計(jì)思路，限于篇幅，具體程序代碼不再體現(xiàn)在本文章中。

結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了市場(chǎng)上變送器類型，總結(jié)出二線制變送器的特點(diǎn)，并從硬件、軟件方面對(duì)二線制變送器進(jìn)行研制與實(shí)現(xiàn)。由于傳感器輸出難免出現(xiàn)非線性等問題，文章采用C8051F002單片機(jī)對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，并配以校驗(yàn)，以達(dá)到精準(zhǔn)測(cè)量。

[1]潘琢金. C8051F000/1/2/5/6/7混合信號(hào)ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)[M]. 2005.

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