基于51单片机的经济型高精度变送器设计

1 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。www.51kaifa.com

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1所示:

图1 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口设计、看门狗电路、存储器电路设计、RS—485 总线接口电路设计、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。

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-51 系列单片机已被国内用户广泛认可和应用,货源充足,资料丰富,仿真工具种类繁多且成熟,因此设计选用ATMEL公司生产的AT89系列的89C52单片机,其本身具有 8051CPU 内核,片内 256 字节 RAM、特殊功能寄存器 SFR、8KB FLASH 程序存储器、4个8位并行 I/O 口、2个16位定时计数器、全双工串行口、布尔处理器、2个优先级的6个中断源等内部资源。硬件扩展方便,用途广泛。

3.3.2 输入信号增益自调节电路设计

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-数转换器选择及接口电路设计

TLC2543 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A/D转换芯片,具有多种封装形式,TLC2543 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TLC2543作为模-数转换器。www.51kaifa.com

3.3.4 数-模转换器接口电路设计

本设计数-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。

3.3.4 V/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1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。www.51kaifa.com

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(Watchdog Timer),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 三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。

3.3.5 RS-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—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 TTL 电平与RS—485电平之