溫度測(cè)量處理變送器設(shè)計(jì)

一、概述

石灰爐燒制石灰時(shí)爐內(nèi)各處的溫度可能不一樣，生產(chǎn)工藝要求得出爐內(nèi)四點(diǎn)的平均溫度，了解各點(diǎn)的溫度值，對(duì)平均值及各測(cè)量點(diǎn)的溫度進(jìn)行報(bào)警處理;若某處的信號(hào)不正常(傳感器損壞或斷線)能及時(shí)報(bào)警并排除在數(shù)據(jù)處理之外。本系統(tǒng)可完成以上功能，檢測(cè)處理石灰爐的溫度，并以4-20mA形式變送遠(yuǎn)傳溫度平均值或最高一點(diǎn)的溫度。該產(chǎn)品的工作示意圖如下圖1所示，在該石灰爐內(nèi)有四個(gè)點(diǎn)分別放四個(gè)熱電偶，這四個(gè)熱電偶就是該系統(tǒng)的四路輸入信號(hào)來(lái)源。利用該系統(tǒng)測(cè)出如圖1所示的四點(diǎn)的溫度(T1,T2,T3,T4)并把每一點(diǎn)的溫度值送到面板顯示。

注：T1、T2、T3、T4是石灰爐內(nèi)四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，

即是文中所提到的信號(hào)路數(shù)。

圖一

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及人機(jī)界面

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖二。系統(tǒng)硬件部分主要由前端輸入電路,A/D及D/A電路,人機(jī)界面電路,CPU及外圍電路組成。系統(tǒng)達(dá)到的主要功能是充許四路信號(hào)輸入，用戶可以通過(guò)參數(shù)設(shè)定選擇輸入熱電偶類型，平時(shí)顯示溫度平均值，若操作者需要可以按動(dòng)面板上的按鍵查看任一路信號(hào)的溫度。四路信號(hào)是獨(dú)立的，有一路短路或斷線故障，不影響其它幾路信號(hào)的工作。儀表具有超限報(bào)警功能及熱電偶斷線提示功能。溫度平均值或溫度最高的一路信號(hào)的變送為4-20mA電流信號(hào)輸出。系統(tǒng)具有掉電保護(hù)功能，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)，設(shè)定數(shù)據(jù)可以保存。

功能原理圖(圖2)

圖3、控制面板

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有良好的人機(jī)界面，操作顯示面扳見(jiàn)圖3，在控制顯示面板上有兩排數(shù)碼管和四個(gè)按鍵，進(jìn)行系統(tǒng)工作的顯示和參數(shù)的修改。系統(tǒng)工作方式分為兩個(gè)狀態(tài)分別為編程和運(yùn)行。利用一號(hào)鍵K1(狀態(tài)切換鍵)可以在兩種狀態(tài)間切換。在編程狀態(tài)時(shí)，上一排數(shù)碼管顯示參數(shù)代號(hào)，下排數(shù)碼管分別顯示對(duì)應(yīng)參數(shù)。在這種狀態(tài)下，利用二號(hào)鍵K2(移位鍵)可以順序變換不同的參數(shù)代號(hào)及參數(shù)。利用三號(hào)鍵K3(加鍵)和四號(hào)鍵K4(減鍵)可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改。

在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，上一排數(shù)碼管顯示各個(gè)信號(hào)回路順序號(hào)(1~~5)，下排數(shù)碼管分別顯示對(duì)應(yīng)溫度。其中1~4路分別顯示四路回路號(hào)及其溫度，5路顯示四路中溫度平均值。這五路自動(dòng)循環(huán)顯示，利用四號(hào)鍵K4(定位鍵)可以使顯示內(nèi)容停在當(dāng)前回路上。在編程或運(yùn)行狀態(tài)下，無(wú)論何時(shí)按下K1，都可使?fàn)顟B(tài)變換到另一種狀態(tài)的初始階段。

電路設(shè)計(jì)中沒(méi)有擴(kuò)展總線及程序存儲(chǔ)器及I/O口,CPU的四個(gè)并行口全作為普通I/O口使用,CPU及外圍電路都是標(biāo)準(zhǔn)用法,在此重點(diǎn)介紹有設(shè)計(jì)特色的A/D及D/A電路和人機(jī)界面電路及電源電路。

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(biāo)準(zhǔn)電壓。系統(tǒng)共有7路模擬輸入信號(hào),4路熱電偶信號(hào)輸入 (EXT1----EXT4)，1路冷端補(bǔ)償信號(hào),一路基準(zhǔn)信號(hào),一路地信號(hào)(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(bǔ)償電路，它是利用二極管正向工作的電壓-溫度特性測(cè)量冷端溫度，基準(zhǔn)信號(hào)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(kāi)關(guān)CD4051,由單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2三個(gè)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(hào)由用戶設(shè)定，不同分度號(hào)信號(hào)大小不一,故設(shè)計(jì)了由OP07和4051(U2)組成的程控放大器，輸入信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)入A/D,經(jīng)采集處理后得出各路信號(hào)值。程控放大是利用單片機(jī)對(duì) 4051的控制，選擇不同的通道，同時(shí)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(gè)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(bǔ)償二極管信號(hào)的采集，電路中四個(gè)22M上拉電阻完成熱電偶斷線撿測(cè)功能。

圖4、數(shù)據(jù)采集電路

石灰爐內(nèi)4點(diǎn)放四只熱電偶，作為系統(tǒng)的四路mV信號(hào)輸入端。熱電偶信號(hào)被選通輸入后進(jìn)入程控放大電路，信號(hào)分度號(hào)不同則mV值的高低也不同，通過(guò)軟件選擇不同的放大倍數(shù)，使這些放大后的信號(hào)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(cè)量精度。設(shè)放大倍數(shù)為A，則從程控放大出來(lái)的信號(hào)即為AX。各種信號(hào)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(zhǔn)電壓為 0.5V,7135的模擬輸入的范圍為0～1V電壓。例如B、S標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，放大倍數(shù)應(yīng)選擇46，K、E、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶放大倍數(shù)應(yīng)選擇14。冷補(bǔ)二極管信號(hào)為0.65V左右，采用1.3倍放大倍數(shù),現(xiàn)以一路信號(hào)的轉(zhuǎn)換計(jì)算為例說(shuō)明，測(cè)量某路熱電偶輸入時(shí)依次采集外接熱電偶輸入毫伏值、冷端補(bǔ)償二極管電壓降、基準(zhǔn)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(zhǔn)、零點(diǎn)及輸入熱電偶信號(hào)的實(shí)時(shí)A/D采集值，通過(guò)下式可以完成零點(diǎn)滿度的自校正,計(jì)算出VX值。由于V基、Vx及地三個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)同樣的硬件輸入通道,硬件的離散性誤差及零點(diǎn)滿度漂移對(duì)三者的影響相同，通過(guò)下面公式可以校正零點(diǎn)、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(cè)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(jìn)行非線性校正，VX通過(guò)分段非線性數(shù)據(jù)處理,可以算出對(duì)應(yīng)溫度CX,加上通過(guò)測(cè)量冷端補(bǔ)償二極管電壓得出的冷端補(bǔ)償溫度C0，就得到該路的實(shí)際測(cè)量溫度C,即C=CX+C0。

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

第一步，我們冷端補(bǔ)償輸入端輸入一標(biāo)準(zhǔn)電壓0.7V得到一個(gè)AD采樣值D0，然后我們?cè)佥斎胍粯?biāo)準(zhǔn)電壓0.6V再得到一個(gè)AD采樣值D1。兩者相減得到一個(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和第2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相差為100mV，相當(dāng)于二極管正向電壓變化 100mV，對(duì)應(yīng)冷端溫度變化50℃，就可以求出冷端溫度每變化1℃時(shí)其對(duì)應(yīng)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(duì)精度要求不高，因此設(shè)計(jì)產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)把該系數(shù)直接固化于程序中。當(dāng)把冷補(bǔ)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?cè)趦x表設(shè)置狀態(tài)輸入當(dāng)前環(huán)境溫度Ta，并及時(shí)測(cè)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(chǔ)到EEPROM里面，以后儀表處于工作狀態(tài)時(shí)我們實(shí)時(shí)地測(cè)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(gè)1℃的AD采樣值的大小)得到一個(gè)溫度值差Y。然后Y加上設(shè)置環(huán)境溫度初值Ta得到實(shí)際冷端溫度C0=Y+Ta。這種冷端補(bǔ)償有一定誤差,當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),所測(cè)的實(shí)際冷端溫度C0將會(huì)跟隨變化，在一定時(shí)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(dāng)環(huán)境變化較大時(shí),比如從冬天到夏天的變化,其變化為幾十℃,如果冷補(bǔ)誤差大于1度,我們可以重新輸入基準(zhǔn)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(zhǔn)信號(hào),模擬電壓輸入范圍為0-1V。ICL7135采用動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即萬(wàn)、千、百、十、個(gè)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(hào)經(jīng)程控放大后，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)。使用了 74LS157四2選1選擇器，使"萬(wàn)"位數(shù)據(jù)輸出和其它的三個(gè)標(biāo)志信號(hào)(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(shí)傳送是通過(guò)D5控制74LS157的選擇端SEL實(shí)現(xiàn)。SEL輸入低電平時(shí)選擇1A-4A輸出，輸入高電平時(shí)選擇1B-3B輸出。因?yàn)?quot;萬(wàn)"位數(shù)據(jù)只能輸出0或1，是個(gè)半位。所以，正好和OR(過(guò)量程)、UR(欠量程)和POL(正負(fù)極性)三位構(gòu)成四位數(shù)據(jù)輸出，供單片機(jī)讀取。與C52的硬件接口方式是查詢方式，軟件上利用對(duì)D5、D4、D3、D2、D1查詢來(lái)實(shí)現(xiàn)"萬(wàn)"、"千"、"百"、"十"、"個(gè)"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(jiàn)圖5。電路采用ZLG7289作為核心芯片,通過(guò)三個(gè)引腳與單片機(jī)連接，單片可完成動(dòng)態(tài)顯示掃描及按鍵查詢，節(jié)約了單片機(jī)I/O口硬件資源及時(shí)間資源。實(shí)際電路中Zlg7289的選片/CS接地時(shí)鐘線CLK接P2.7口數(shù)據(jù)線DIO接P2.6口鍵信號(hào)線KEY接P2.5口。

圖5、控制面板的電路的原理圖

zlg7289具有SPI串行接口功能的可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰極數(shù)碼管(或64只獨(dú)立LED)的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，無(wú)須外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)八位LED數(shù)碼管并可同時(shí)連接多達(dá)64鍵盤的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示及按鍵的擴(kuò)展。zlg7289內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼，并同時(shí)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(dòng)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(dòng)端，10腳~17腳接數(shù)碼管的段驅(qū)動(dòng)端，通過(guò)數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線可以把要顯示內(nèi)容送入7289。本電路只設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵，當(dāng)有鍵按下時(shí)，KEY引腳電平發(fā)生變化通知CPU通過(guò)數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線讀取鍵值。

5、報(bào)警電路及信號(hào)輸出電路

報(bào)警有兩種：上限報(bào)警和下限報(bào)警，兩個(gè)報(bào)警繼電器分別通過(guò)PNP驅(qū)動(dòng)三極管接在單片機(jī)的P0.5和P0.7，低電平有效。軟件設(shè)計(jì)當(dāng)四路信號(hào)及平均值超過(guò)各自所定的上限時(shí)，繼電器就發(fā)出報(bào)警，同時(shí)在控制面板的上排數(shù)碼管的最后一位顯示H字樣;同樣，當(dāng)四路信號(hào)及平均值低于設(shè)定的下限時(shí)，繼電器也報(bào)警，并在同一個(gè)位置顯示L字樣。

模擬輸出部分的電路圖如圖6所示。單片機(jī)根據(jù)設(shè)定參數(shù)選擇把溫度平均值或溫度最高那一測(cè)量點(diǎn)信號(hào)送到十位D/A芯片7520，配合LM741放大器得到電壓輸出;最后經(jīng)再經(jīng)過(guò)一個(gè)LM741構(gòu)成的V/I轉(zhuǎn)換電路，得到模擬電流4-20mA及1-5V電壓形式輸出。

圖6輸出電路原理圖

6、開(kāi)關(guān)電源電路

本變送器采用DDZ-Ⅲ型的電動(dòng)單元組合儀表24V直流電源，這種供電方式的優(yōu)點(diǎn)是各單元省掉了電源電壓器，沒(méi)有工頻電源進(jìn)入單元儀表，既解決了儀表發(fā)熱問(wèn)題，也為儀表的防爆提供了有利條件。由于內(nèi)部需要±5V，所以該系統(tǒng)采用了DC/DC開(kāi)關(guān)電源，生成5V和-5V電壓。電源部分電路如圖7。

圖7、電源電路圖

電源電路采用的MC34063是一種集成了DC-DC變換主要功能電路的芯片，它能被設(shè)計(jì)完成升(降)壓和極性變換的功能，而且所需外接元件少。外輸入24V電壓，經(jīng)過(guò)MC34063電壓可以轉(zhuǎn)換為+5V，而后，該電壓又經(jīng)過(guò)ICL7660變成-5V電壓。24V電壓可以同時(shí)供內(nèi)部4-20mA輸出電路使用。電路工作時(shí)5V最大電流0.4安培，-5v最大電流0.02安培。

三.軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試

軟件設(shè)計(jì)主要有主程序，ICL7135A/D轉(zhuǎn)換程序，BCD碼轉(zhuǎn)換程序，運(yùn)算比較程序，讀寫24C02子程序，查表程序，功能鍵子程序等功能模塊。主程序流程圖如圖8所示。

主程序主要包括兩大分支，一個(gè)是編程狀態(tài)，一個(gè)是運(yùn)行狀態(tài)。

單片機(jī)首先進(jìn)行初始化，程序的初始狀態(tài)設(shè)置為運(yùn)行狀態(tài),除剛通電進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)外，以后程序須判斷狀態(tài)標(biāo)志位，根據(jù)判斷結(jié)果程序進(jìn)入編程或運(yùn)行狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)下無(wú)法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行編輯，只能從24C02讀出各種運(yùn)行工作參數(shù)，巡回測(cè)量輸入信號(hào)，最后通過(guò)零點(diǎn)滿度自校正處理,冷端補(bǔ)償計(jì)算,查表處理得出各測(cè)量點(diǎn)溫度值。在該狀態(tài)下可通過(guò)←鍵選擇顯示測(cè)量、報(bào)警、故障信息等各種運(yùn)行參數(shù)。在編輯參數(shù)的狀態(tài)下系統(tǒng)不進(jìn)行測(cè)量，剛進(jìn)入編程狀態(tài)時(shí)要求輸入編程充許密碼,在輸入密碼正確的前提下,可以通過(guò)←鍵選擇各設(shè)定各參數(shù),并可通過(guò)↑↓按鍵修改,存入24C02中,停止按鍵操作5分鐘后不管是否按狀態(tài)鍵均自動(dòng)轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)。

單片機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，上面四位數(shù)碼管顯示回路號(hào)(最合二位顯示報(bào)警及故障信息)，下面四位數(shù)碼管分別顯示對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，可通過(guò)K4鍵來(lái)切換顯示不同的回路及其參數(shù)。其中回路號(hào)1-4表示不同的四路信號(hào)，平均值在第五路顯示。比較后其中最大的一路及四路平均值可以通過(guò)參數(shù)的設(shè)定選擇以4-20mA形式變送輸出。軟件確定4051與 AT89C52相連四路信號(hào)選擇電平，選擇的模入信號(hào)經(jīng)程控4051和運(yùn)放放大后，進(jìn)入ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為BCD碼(由萬(wàn)位到個(gè)位，五位地址輸出)。利用轉(zhuǎn)換子程序把BCD碼轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，最后進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理得出溫度值,求出最大值及平均值，并進(jìn)行報(bào)警及信號(hào)故障判別處理。

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