基于51单片机的经济型高精度变送器设计

匡画垂雯垂亟垂亟因单片机开发与应用文章编号：１００８－０５７０（２００８）０弛．０１２３—０３基于５１单片机的经济型高精度变送器设计ＤｅｓｉｇｎｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄＬｏｗＣｏｓｔＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ５１ＳｏＣ（中国民航大学）余志宏邢志伟ＹＵＺＨＩＨＯＮＧ×ｌＮＧＺＨＩＷＥＩ摘要：随着自动化技术的发展和微电子技术的进步，以及现场总线技术的日益成熟，数控技术在生产过程中的应用越来越广泛，对现场信号的采集、传输和数据处理提出更高的要求。

本文分析了智能变送器的作用和工作原理，针对应用中使用的不同的传感器输出不同幅值的弱直流电信号的要求，设计了智能变送器系统。

系统软件采用Ｍｃｓ一５１单片机汇编语言，模块化程序设计方法，设计了仪表监控主程序、放大器增益设定程序、ＡＤＣ转换和处理予程序、ＤＡＣ转换等子模块，并设计了相应的通信协议。

关键词：智能变送器；通信；单片机中图分类号：ＴＰ２１６文献标识码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｔｈｅｍａｔｕｒｅｏｆＦｉｅｌｄＢｕｓ，ｄｉｇｉ“ｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，８０ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｓｉｇｎＭｓｈｏｕｌｄｍｅｅｔｈｉｉｇ｝ｌｅｒｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓａｎａｌｙｚｅｓｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｆｉｎｃｉｐｌｅｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．７Ｉ．Ｉｌｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｃｈｉｅｆｌｙｆｏｒｄｉｆ－ｆｅｒｅｎｔｗｅａｋｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｏｆｎｏｎ－ｓｔａｎｄａｒｄｓｅｎｓｏｒｓ．Ｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｓｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍ。

ａｍｐｌｉｆｉｅｒｇａｉｎｓｅｔｔｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ，ＡＤＣｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ．ＤＡＣｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｕｂｐｒｏｇｒａｍｂｙａｄｏｐｔｉｎｇａｓｓｅｍｂｌｅｌａｎｇｕａｇｅｏｆＭＣＳ．一５ｌｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐａｎｄｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄａｌｓｏｄｅｓｉｇｎｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃ０１．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｌ引言自动化仪表主要由检测仪表和控制仪表两大部分组成。

随着生产的不断发展，生产规模越来越大，相应的自动化管理系统日趋复杂。

由于计算机技术的高度发展和广泛应用，近１０年来在控制系统方面有了很大进展。

变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。

主要完成物理信号的测量和变换处理。

随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂化。

对自动化的依赖性越来越大，变送器用量不断增多，要求不断提高。

在实际工程应用项目中，因项目资金有限，选用市售智能变送器会大大增加项目资金的投入，项目指标要求也许仅仅为了观测某点参数的情况，选用模拟变送器达不到系统要求，选用市售智能变送器会造成功能浪费。

因此，系统设计往往采用传感器＋主机构成现场仪表形式，可降低系统成本，实现所需功能。

２系统功能由于同一种传感器制作时材料、工艺的差别，使每只传感器输出信号幅值都不一样，不同作用的传感器同样存在输出信号不同一的问题。

这给主机的设计、调试、维修带来了很大困难。

所以，对选用输出不同幅值的弱信号传感器应用系统，设计一种通用的主机，实现信号的变送和传输，可降低系统成本，便于调试、维修，是相当必要和有实用意义的。

３智能变送器硬件电路设计３．１智能变送器工作原理框图变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。

主要完成余志宏：硕士研究生物理信号的测量和变换处理。

随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂．对自动化的依赖性越来越大，变送器用量不断增多．要求不断提高。

智能变送器都是以ＣＰＵ为核心构成的数字化仪表，工作原理如图ｌ所示：由传感器将非电量信号变换为电量信号进行放大、滤’波等变换电路ＣＰｕ进行数据采集处理图ｌ智能变送器工作原理３．２智能变送器硬件电路设计框图本论文智能变送器的硬件电路设计主要包括单片机选择、弱信号增益自调节电路设计、Ａ／Ｄ转换器选择及接口电路设计、Ｄ／Ａ转换器电路选择及接１２１设计、看门狗电路、存储器电路设计、Ｒｓ＿．４８５总线接１２１电路设计、４—２０ｍＡ转换电路设计、键盘和显示器接口电路设计等。

硬件设计原理框图如图２所示。

传譬器｛ｐ等蓍鎏◆ＴＬ．ｋ令ＩｃＤ。

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ｃ／１Ⅶ；．．；‘Ｃ２５专≯３２传志器ｌ·徽，４３凹ｕｋｊ光隔０Ｒ』僦口１Ｉ…４看门狗、存储器电路辞多Ｋ捌键盘、液晶显示图２硬件设计原理框图３．３各部分功能电路设计３．３．１单片机选择因ＭＣＳ一５１系列单片机已被国内用户广泛认可和应用，货３６０元，年一１２３一接路锓信传过电行、远经口进示号单片机开发与应用中文核心期刊‘微计算机信患）（嵌入式与ｓｏｃ）２００８年第２４卷第３－２期源充足，资料丰富，仿真Ｔ具种类繁多且成熟，因此设计选用ＡＴ．样，即使在接收器输入端电缆有开路故障时，也不影响系统的正ＭＥＬ公司生产的ＡＴ８９系列的８９Ｃ５２单片机，其本身具有常Ｔ作。

８０５１ＣＰＵ内核，片内２５６字节ＲＡＭ、特殊功能寄存器ＳＦＲ、８ＫＢ３．３．６显示器接口电路设计ＦＬＡＳＨ程序存储器、４个８位并行Ｉ，０Ｅｌ、２个１６位定时计数设计使用的显示器采用的是型号为ＱＨ２００１的１２８ｘ６４点器、全双Ｔ串行Ｅｌ、布尔处理器、２个优先级的６个巾断源等内阵图形液晶显示模块ＬＣＭ，与ＣＰＵ接Ｅｌ简单，显示器可以直接部资源。

硬件扩展方便，用途广泛。

显示汉字、ＡＳＣＩＩ码字符，使显示信息清晰易懂，符合阅读习惯。

图３增益自调节电路原理图本设计采用非易失性数控电位器和高精度运放组成程控增益放大器。

由新型的集成仪表放大器ＡＤ６２３和非易失性数控电位器Ｘ９２４１组成。

设计采用的电路具有增益范围宽、占用ｕＰ口的线少。

成本低，适用做单片机数据采集系统的传感器与ＡＤＣ之间的信号放大器。

增益自调节电路原理如图３所示。

３．３．３模一数转换器选择及接口电路设计ＴＩ上２５４３是具有１１个输入端的１２位串行模数转换器。

是近几年推出的一种性能价格比较优越的１２位ＭＤ转换芯片，具有多种封装形式，ＴＩ上２５４３具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简捷、价格低等优点，因此本设计采用ＴＩ上２５４３作为模一数转换器。

３．３．４数一模转换器接口电路设计本设计数一模转换器选用具有两个输入数据寄存器的８位Ｄ／Ａ转换器ＤＡＣ０８３２，它能直接与Ｍｃｓ＿－５１单片机相接口，不需要附加任何其他Ｉ／Ｏ接口芯片。

３．３．４Ｖ／Ｉ变换电路设计本部分主要由多通道模拟开关ＣＤ４０５１，采样保持集成电路ＬＦ３９８，及放大器组成。

具有多路转换，采样保持，及Ｖ／Ｉ变换功能。

由于设计的是六个通道采集输入和六个通道分别输出的系统，所以用８选ｌ的模拟开关ＣＤ４０５１。

ＣＤ４０５１由电平转换电路、译码电路和开关电路三部分组成。

３．３．４复位及运行监视电路设计由于８０Ｃ５１单片机内没有独立的监视定时器（ＷａｔｃｈｄｏｇＴｉｍｅｒ），所以需另行设计监视电路以提高系统的可靠性。

设计中采用了专用集成电路Ｘ５０４５。

Ｘ５０４５是一种集成看门狗、电压监控和串行ＥＥＰＲＯＭ兰种功能于一身的可编程电路。

设计时应考虑以下几方面问题：１．上电复位；２．电压监视；３．看门狗定时器；４．ＳＰＩ串行非易失数据存储器。

３．３。

５ＲＳ－－４８５总线接口电路设计该部分电路为通信协议物理层硬件设计。

其中采用高速光电藕合器６Ｎ１３７，以适应高速串行数据通信要求。

提高通信电路的抗干扰能力；采用ＳＮ７５ＬＢＣｌ８４。

它是一种Ｒｓ一．４８５接口芯片，该芯片在传输率为２５０ｋｂｐｓ的情况下可传输的最远距离可达１．５ｋｍ，可以完成Ｔ１１Ｊ电平与ＲＳ＿—４８５电平之间的转换。

该芯片还有一个独特的设计．即当输入端开路时，其输出为高电平，这３．３．７键盘接口电路与电源设计７４ＬＳ３７３作为键盘Ｉ／Ｏ接口。

共设计９个按键。

电源由２２０ＶＡＣ供电。

采用集成开关电源。

分别供出＋５Ｖ和２Ａ（单片机系统使用）、＋５Ｖ和ｌＡ（Ｒ争＿４８５接口隔离使用）、±１２Ｖ（放大电路使用）三种规格的值。

４智能变送器软件设计智能变送器的软件部分采用Ｍｃ争－５ｌ汇编语言、模块化程序设计方法，主要模块有监控程序模块、信号增益自调节模块、数据采集和处理模块、信号输出模块、通信模块、键盘扫描模块、采样定时模块等。

下面分别予以介绍。

４．１监控程序模块系统监控程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序。

是单片机系统程序的框架。

其主要任务完成系统自检、初始化、处理键盘命令、处理接口命令、处理条件触发并完成显示功能。

在设计监控程序时，在通信、定时采集数据、键盘扫描、数据显示等功能中，为及时响应其它仪器通信要求，通信功能的优先级别应最高，次之为定时采集数据，优先级别最低为数据显示，各作业之间具有明显优先级的差别，所以监控程序采用作业优先调度型，优先级高者先运行。

４．２输入信号增益自调节模块此模块根据上位机传送过来的弱信号的最大值ＶＭＡＸ来设定放大环节的放大系数。

将弱信号放大到０～５ｖ，即放大系数等于５０００除以ＶＭＡｘ。

４．３数据采集和处理模块该部分模块主要包括Ａ／Ｉ）转换子程序、去脉冲干扰平均值滤波子程序、标度转换子程序等。

为更好的消除脉冲干扰的影响，系统采用去极值平均滤波。

即连续采样７次，将其累加求和同时找出其中的最大值和最小值，再从累加和中减去最大值和最小值，按５个采样值求平均，即得有效采样值。

４．４通信模块设计数字通信是智能变送器的基本功能。

硬件设计采用Ｒｓ一４８５总线将多台变送器连接成一个分布式数据采集系统。

这种ＲＳ－－４８５网络结构具有接口简单、灵活性好、价格低、易于控制等优点，可广泛应用于工业控制系统中。

４．５采样定时模块采样定时利用单片机内部定时器１Ｄ完成。

仰基准定时时间为５０ＭＳ。

采样时间判断分两部分完成，一是在－ＩＤ中断服务程序中产生一个１秒的时基信号，二是在主程序中调采样时间判断子程序，判断是否到某通道采集时间。

５智能变送器软件抗干扰的设计串入单片机系统内部的干扰会对单片机的工作造成很严重的影响，将造成软件系统失控，即程序跑飞。

其后果将不可设想，因此，必须尽可能早地发现并采取补救措施。