基于温度测量处理变送器的设计

一、概述

石灰炉烧制石灰时炉内各处的温度可能不一样，生产工艺要求得出炉内四点的平均温度，了解各点的温度值，对平均值及各测量点的温度进行报警处理；若某处的信号不正常（传感器损坏或断线）能及时报警并排除在数据处理之外。本系统可完成以上功能，检测处理石灰炉的温度，并以4-20mA形式变送远传温度平均值或最高一点的温度。该产品的工作示意图如下图1所示，在该石灰炉内有四个点分别放四个热电偶，这四个热电偶就是该系统的四路输入信号来源。利用该系统测出如图1所示：

二、系统硬件设计

1、系统结构框图及人机界面

系统的结构框图见图二。系统硬件部分主要由前端输入电路,A/D及D/A电路,人机界面电路,CPU及外围电路组成。系统达到的主要功能是充许四路信号输入，用户可以通过参数设定选择输入热电偶类型，平时显示温度平均值，若操作者需要可以按动面板上的按键查看任一路信号的温度。四路信号是独立的，有一路短路或断线故障，不影响其它几路信号的工作。仪表具有超限报警功能及热电偶断线提示功能。温度平均值或温度最高的一路信号的变送为4-20mA电流信号输出。系统具有掉电保护功能，当掉电时，设定数据可以保存。

系统设计有良好的人机界面，操作显示面扳见图3，在控制显示面板上有两排数码管和四个按键，进行系统工作的显示和参数的修改。系统工作方式分为两个状态分别为编程和运行。利用一号键K1（状态切换键）可以在两种状态间切换。在编程状态时，上一排数码管显示参数代号，下排数码管分别显示对应参数。在这种状态下，利用二号键K2（移位键）可以顺序变换不同的参数代号及参数。利用三号键K3（加键）和四号键K4（减键）可以对参数进行修改。

在运行状态时，上一排数码管显示各个信号回路顺序号（1～～5），下排数码管分别显示对应温度。其中1～4路分别显示四路回路号及其温度，5路显示四路中温度平均值。这五路自动循环显示，利用四号键K4（定位键）可以使显示内容停在当前回路上。在编程或运行状态下，无论何时按下K1，都可使状态变换到另一种状态的初始阶段。

电路设计中没有扩展总线及程序存储器及I/O口,CPU的四个并行口全作为普通I/O口使用,CPU及外围电路都是标准用法,在此重点介绍有设计特色的A/D及D/A电路和人机界面电路及电源电路。

2、数据采集电路与放大电路

数据采集部分电路如图4所示，限流电阻R1和稳压管TL431产生2.5V标准电压。系统共有7路模拟输入信号,4路热电偶信号输入（EXT1————EXT4），１路冷端补偿信号,一路基准信号,一路地信号（EXT5）。2.5V电压加在10K电阻和外接二极管串联支路上，构成热电偶的冷端补偿电路，它是利用二极管正向工作的电压-温度特性测量冷端温度，基准信号利用2.5V电压和分压电阻产生。因此采用了8选1多路模拟开关CD4051,由单片机的P2.0、P2.1、P2.2三个引脚高低电平控制模拟通道的选择。由于输入热电偶分度号由用户设定，不同分度号信号大小不一,故设计了由OP07和4051（U2）组成的程控放大器，输入信号经放大后进入A/D,经采集处理后得出各路信号值。程控放大是利用单片机对4051的控制，选择不同的通道，同时也就选择了不同的放大倍数。4051外接的电阻是：R25=20K，R26=47K，R27=2.4K，R28=3.9K，R29=1.9K，共有4个不同的放大倍数，分别为放大倍数1=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（47+2.4+3.9+1.6）≈1.3倍、放大倍数2=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（2.4+3.9+1.6）≈10倍、放大倍数3=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（3.9+1.6）≈14倍、放大倍数4=（20+47+2.4+3.9+1.6）/1.6≈46倍。1.3倍的放大倍数主要用于冷端补偿二极管信号的采集，电路中四个22M上拉电阻完成热电偶断线捡测功能。

石灰炉内4点放四只热电偶，作为系统的四路mV信号输入端。热电偶信号被选通输入后进入程控放大电路，信号分度号不同则mV值的高低也不同，通过软件选择不同的放大倍数，使这些放大后的信号最大值接近A/D的最大充许值；以充分利用A/D资源,保证测量精度。设放大倍数为A，则从程控放大出来的信号即为AX。各种信号的放大倍数的确定和后面A/D器件的模拟输入有关，本电路的A/D选择7135（五位半）,基准电压为0.5V,7135的模拟输入的范围为0～1V电压。例如B、S标准热电偶，放大倍数应选择46，K、E、标准热电偶放大倍数应选择14。冷补二极管信号为0.65V左右，采用1.3倍放大倍数,现以一路信号的转换计算为例说明，测量某路热电偶输入时依次采集外接热电偶输入毫伏值、冷端补偿二极管电压降、基准电压及模拟地。从40