ICL7135與PIC 單片機(jī)在溫度變送器中的應(yīng)用

引言

在智能儀表設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用到 A/D 轉(zhuǎn)換器。在常用的 A/D 轉(zhuǎn)換中，7135 應(yīng)用最為廣泛， 它具有 41/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格低廉，主要用于檢測(cè)參數(shù)的測(cè)量顯示， 在智能儀器儀表中，常利用其 A/D 轉(zhuǎn)換特性，與單片機(jī)串行連接，通過(guò)簡(jiǎn)單的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)

對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的智能控制。本文以 PIC 單片機(jī)與 ICL7135 的實(shí)際工程應(yīng)用為例，介紹一款智能溫度控制儀表在溫度變送器中的應(yīng)用。

1    PIC 單片機(jī)

PIC 系列 8 位 CMOS 單片機(jī)具有獨(dú)特的 RISC 結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線（Harvard）結(jié)構(gòu)，使指令具有單字長(zhǎng)的特性，且允許指令碼的位數(shù)可多于 8 位的數(shù)據(jù)位數(shù)， 這與傳統(tǒng)的采用 CISC 結(jié)構(gòu)的 8 位單片機(jī)相比，可以達(dá)到 2:1 的代碼壓縮，速度提高 4 倍。

PIC 有優(yōu)越開(kāi)發(fā)環(huán)境、徹底的保密性、PIC 以保密熔絲來(lái)保護(hù)代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無(wú)法讀出，除非恢復(fù)熔絲、自帶看門(mén)狗定時(shí)器，可以用來(lái)提高程序運(yùn)行的可靠性。在本工程項(xiàng)目中選用了 PIC 中檔單片機(jī) PIC16F62x，內(nèi)部含有 2K flash、224 字節(jié) SRAM、

128 字節(jié) EEPROM、16 個(gè) I/O 口、1 個(gè) CCP 捕獲通道、2 個(gè)比較器通道、2 個(gè) 8 位 1 個(gè) 16 位定時(shí)器、具有 UART 功能。

2    7135 A/D 轉(zhuǎn)換原理

7135 采用高阻抗差分輸入方式，總失調(diào)電壓小于 10μV，其 A/D 轉(zhuǎn)換器采用雙積分式， 共分 4 個(gè)階段：自動(dòng)調(diào)零，輸入信號(hào)積分，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)反積分，積分器歸零。其當(dāng)個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖 1 所示。

由圖 1 可以看出，7135 在對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行積分時(shí)，其 BUSY 信號(hào)線由低向高跳變并一直保持高電平，直到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)反積分結(jié)束時(shí)才跳變到低電平。在此過(guò)程中，對(duì)輸入信號(hào)的積分一般保持 10001 個(gè)時(shí)鐘脈沖，而在滿量程的情況下，反相標(biāo)準(zhǔn)積分值為 20001（當(dāng) Vin=2Vref 時(shí)），對(duì)于不同的模擬量輸入，7135 反向標(biāo)準(zhǔn)積分脈沖數(shù)不同，BUSY 信號(hào)的高電平寬度也不 同，且反向積分脈沖數(shù)正比于輸入信號(hào)幅度，與測(cè)量結(jié)果有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，

7135 提供一輸入信號(hào)極性判斷引腳 POL，當(dāng)輸入（Vin+-Vin-）為正值時(shí)，POL 信號(hào)為高電 平，（Vin+-Vin-）為負(fù)值時(shí)，POL 信號(hào)為低電平。

3    7135 與 PIC 單片機(jī)的串行連接

由 7135 的轉(zhuǎn)換原理可知，可以通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)的方式獲得測(cè)量的結(jié)果，且只需要 3 條控 制線 CLK，BUSY，POL。Microchip 推出的 PIC 系列單片機(jī)具有驅(qū)動(dòng)能力大，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)。其推出的 PIC16F6X 系列，有 2~4K  FLASH 內(nèi)存，1 個(gè) 16 位定時(shí)器，2 個(gè)

CCP 比較/捕捉模塊，多于 22 個(gè) I/O，唯一的遺憾是沒(méi)有符合 7135 的采樣時(shí)鐘?？紤]到儀表需要通信及隔離模擬變送輸出，采用 16M 晶振，利用 16 位定時(shí)器 T1 作為 7135 的同步計(jì)數(shù) 脈沖，BUSY 接于 CCP1 引腳，工作于捕捉方式，用于測(cè)量脈沖寬度；而 7135 的 CLK 時(shí)鐘，則利用 CPU 的晶振接于高速反相器，再經(jīng)分頻取出。考慮到采樣速度及對(duì) 50Hz 電源的抗干擾影響，以及溫度變量的慣性大的特點(diǎn)，取 CLK=250kHz，采樣速度約為 4 次/min。系統(tǒng)硬 件聯(lián)接如圖 2：

圖  2  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

在實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)的對(duì)象為玻璃熔爐的溫度，采用熱電偶將信號(hào)采集到變送器。作為溫度變送器還必須要考慮環(huán)境溫度的影響。其次，還要考慮到器件的溫度漂移，必須在后期 得到的數(shù)據(jù)對(duì)這兩個(gè)干擾量進(jìn)行處理才能得到真實(shí)的溫度值。因此在模擬量的輸入部分有三個(gè)量需要采集，通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)隔離，再將信號(hào)送給運(yùn)算放大器后進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。在 A/D 轉(zhuǎn)換部分，由于 ICL7135 本身沒(méi)有自帶的參考電壓，因此設(shè)計(jì)中必須配以精確的參考電壓源。

實(shí)際應(yīng)用中采用的是 TL431 可調(diào)電壓基準(zhǔn)，應(yīng)用中達(dá)到了生產(chǎn)要求，效果良好。在變送器的輸出部分則需加以隔離并且 MAX485 的輸出端接以上，下拉電阻。

4    A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的計(jì)算處理

定時(shí)器 T1 的時(shí)鐘和 7135 的時(shí)鐘不是同一個(gè)輸入，T1 的時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘的 1：128 分，而 7135 的 CLK 為 125KHz，為 CPU 引腳輸出的方波脈沖。7135 的 BUSY 腳接 CPU 具有電平中 斷功能的引腳，這樣當(dāng) BUSY 為高時(shí)便開(kāi)始計(jì)入脈沖數(shù)，直到一次轉(zhuǎn)換完畢。對(duì)熱電偶通道所測(cè)得的數(shù)據(jù)根據(jù)其電壓—溫度特 性表進(jìn)行處 理后得到其 溫度值，對(duì)溫度飄移則視   POLARITY 的極性而定，若為正則將其用熱電偶溫度值減去，否則則加。環(huán)境溫度直接相加。溫度數(shù)據(jù)處理完畢等待上位機(jī)發(fā)送指令上傳即可。

5    軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中含有以下幾個(gè)處理模塊：初始化及主程序模塊，中斷處理模塊，數(shù)據(jù)處理及傳送控制輸出模塊。其中中斷處理模塊包括通訊中斷，捕捉中斷處理。數(shù)據(jù)處理及傳送控制輸出模塊則包括溫度對(duì)象的數(shù)據(jù)處理，串行通訊的接收與發(fā)送控制。以下簡(jiǎn)要介紹主程序運(yùn)行流程與 7135 電平中斷處理。程序流程如下：

圖4  7135 電平中斷轉(zhuǎn)換流程

在 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程中,因?yàn)?BUSY 腳上升沿時(shí)開(kāi)始脈沖計(jì)數(shù),下降沿是計(jì)數(shù)即完畢,所得結(jié)果 存放在 CCP 寄存器中,它是分 CCPR1H 與 CCPR1L 高、低兩個(gè)字節(jié)共 16 位寄存器。將 CCPR1H

左移 4 位加上 CCPR1L 再減去 10001,即為 A/D 轉(zhuǎn)換脈沖的計(jì)數(shù)值。將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)按前述方

法由軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理。對(duì)采樣數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中,可取對(duì)每 4 次或 8 次采樣值進(jìn)行脈沖 濾波,或可以結(jié)合其他濾波方法一起例如一階濾波方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,送顯,控制,這樣能

使測(cè)量更準(zhǔn)確,顯示更穩(wěn)定。為保證生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行提供有力保障。

6    結(jié)束語(yǔ) 此溫度變送器的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣,靜電干擾非常大,在調(diào)試過(guò)程中甚至出現(xiàn)了芯片被

靜電激穿燒壞的現(xiàn)象,在串行通信的前端加光耦隔離并對(duì) MAX485 芯片 A、B 分別上拉到電源

和下拉到地起到了良好的保護(hù)作用,在長(zhǎng)時(shí)間的使用期間此變送器無(wú)論是在穩(wěn)定性、精度、 實(shí)時(shí)性還是安全性上都表現(xiàn)良好,滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需要。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是以PIC單片機(jī)與ICL7135的實(shí)際工程應(yīng)用為例，詳細(xì)闡述PIC單片機(jī)與

ICL7135將檢測(cè)到的溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后通過(guò)串行口傳送給上位機(jī)，應(yīng)用于高精度的溫度檢測(cè)儀表中，介紹了一款智能溫度控制儀表在溫度變送器中的應(yīng)用。對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)有重要的借

鑒意義。項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效大約50萬(wàn)元；數(shù)據(jù)來(lái)源主要是通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)的方式獲得測(cè)量的結(jié)果；研

究方法：利用含有初始化及主程序模塊、中斷處理模塊、數(shù)據(jù)處理及傳送控制輸出模塊的設(shè)計(jì)軟件來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)研究，其中中斷處理模塊包括通訊中斷，捕捉中斷處理。數(shù)據(jù)處理及傳送

控制輸出模塊則包括溫度對(duì)象的數(shù)據(jù)處理，串行通訊的接收與發(fā)送控制。