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,也不影响系统的正常工作。

3.3.6 显示器接口电路设计

设计使用的显示器采用的是型号为QH2001的128×64点阵图形液晶显示模块LCM,与CPU接口简单, 显示器可以直接显示汉字、ASCII 码字符,使显示信息清晰易懂,符合阅读习惯。

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 220V AC 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 1A(RS—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www.51kaifa.com

智能变送器的软件部分采用MCS—51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。www.51kaifa.com

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/D 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—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 T0 完成。T0基准定时时间为50MS。采样时间判断分两部分完成,一是在T0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。软件功能设计完成后,为提高系统抗干扰性能,采取一些软件抗干扰措施。主要有:

1.指令冗余

当程序跑飞、跑乱后,当程序执行到单字节指令上时,使自己自动纳入正轨。为了使跑飞的程序迅速纳入正轨,应多用单字节指令,在对程序流向起决定作用的指令(如 RET RETI ACALL LCALL LJMP JZ JNZ JC JNC DJNZ)前,加两条 NOP指令,形成指令冗余。如www.51kaifa.com

NOP

NOP

LJMP CHULI; 数据处理子程序

2. 软件陷阱

当程序进入非程序区(如空闲 EPROM 区),或表格区时,采用冗余指令无法使程序恢复正轨,此时可以设定软件陷阱,拦截乱飞的程序,将其迅速引入一个指定位置,并有专门对程序运行出错处理的程序。软件陷阱由三条指令构成:

NOP

NOP

LJMP ERR; ERR错误处理程序入口

3. 看门狗复位

当程序陷入死循环后,软件拦截技术无法将程序拉回正轨,经一定时间后看门狗就自动给 CPU 发送复位信息,强迫程序返回到 0000H 入口。看门狗喂狗程序为:

SETB CS5045; CS5045 为 X5045 的片选引脚

CLR CS5045

SETB CS5045

6 本文作者创新点:

智能变送器,是计算机技术、检测技术与通信技术汇合的结果,本文按照经济、实用、可靠的设计要求,对选用输出不同幅值的弱信号多传感器应用系统,设计一种通用的主机,利用仪表运算放大器AD623和数控电位器X9241设计了增益自调节mvDC信号高精度放大电路,采用12位串行接口、具自诊断功能 A/D转换器TLC2543完成模拟信号到数字信号转换,经89C52单片机采集处理后,由D/A、V/I转换电路变换为DC标准信号,以保持与模拟仪表兼容,同时经光电隔离和RS-485接口,实现远程数字信号传输。进行了软件、硬件设计。

参考文献:

[1] 宋光明,智能传感器网络研究与开发,传感技术学报,2003.2

[2] 徐力,工业智能变送器设计,电子产品世界,2002.12

[3] 郝晓弘等,基于 FF 协议的智能变送器的设计与开发,仪表技术与传感器,2003.5

[4] 于海春,智能压力变送器设计,淮阴师范学院,2003.2