智能温度变送器设计.doc

内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目：智能温度变送器设计 学生姓名：郭龙文 学 号：0705112338 专 业：测控技术与仪器 班 级：测控07-3 班 指导教师：李文涛 教授内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） I 智能温度变送器设计 摘 要 温度变送器作为一种现场设备被广泛应用在工业过程控制系统中。随着自动化技术的发展，对温度变送器有了更高的要求。传统的模拟式温度变送器所具有的固有缺点已不能满足控制系统的要求。 本论文主要阐述了智能温度变送器的发展现状，针对热电偶和热电阻的输出特性，设计了一种基于单片机的智能温度变送器。该智能温度变送器以STC89C52 单片机为核心，针对温度传感器输出的信号不同，设计了由集成仪表放大器 AD623 和数控电位器X9241 组成的增益放大环节，可以根据传感器的类型，由程序来控制放大器的放大倍数。将传感器的输出信号放大到05V，接入A/D 转换器PCF8591T，使得采集的模拟信号转换为数字信号，再由单片机进行数字滤波、线性化以及标度变换等数据处理后，通过LCD进行显示，并经D/A 转换器PCF8591T 及V/I 转换器转换为420mA DC 信号输出。 设计主要围绕硬件设计和软件编程来进行。Proteus 仿真及调试结果表明，该智能温度变送器使用方便，性能稳定，达到了预期的设计目标。 关键词：热电偶；热电阻；变送器；单片机 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） II Design of Intelligent Temperature Transmitter Abstract Temperature transmitter is widely used in control system of industrial process as one kind of field instrument. Because traditional analog temperature transmitter can no longer meet the new demand owing to its inherent shortcoming, the development of automation technology requires higher demand for temperature transmitters. This thesis analyzes general development of intelligent temperature transmitter and designs intelligent temperature transmitter which is based on SCM according the thermocouple and RTD. The core of temperature transmitter is STC89C52 based on SCM. According to the output signal range of the sensor, the system sets the gain of amplification link which is composed of AD623 and X9241 by way of program. As the temperature transmitter amplifies the weak signal to DC 05V, access A/D converter PCF8591T, digital converter will change the analog signals into digital signals. Digital signals output as 4 20mA DC, by the single-chip digital filtering, linearization, scaling transform data processing, carried through the LCD display, the D/A converter PCF8591T and V/I converter. The main work includes hardware designing and software compiling. The Proteus simulation test and truly showing result tests that the system has advantages such as friendly interface, convenient in using, steady performance. The anticipative design aim is achieved. Keywords: thermocouple; RTD; transmitter; SCM 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 概述 .1 1.1 选题背景与意义 .1 1.2 变送器的发展历程 .2 1.3 智能温度变送器功能及特点 .3 1.4 本设计的主要工作 .4 第二章 智能温度变送器总体设计 .6 2.1 设计要求及内容 .6 2.2 总体方案设计 .7 第三章 硬件电路设计.8 3.1 单片机选择 .8 3.2 测温元件介绍 . 10 3.3 输入信号增益调节电路设计 . 12 3.4 模/数、数/模转换器选择及设计 . 14 3.5 V/I 转换电路设计. 16 3.6 LCD 显示电路设计 . 16 3.7 存储电路设计 . 18 3.8 键盘电路设计 . 19 3.9 热电偶冷端温度补偿 . 20 3.10 复位电路设计 . 22 3.11 本章小结 . 22 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） IV 第四章 软件设计 . 24 4.1 主程序设计 . 24 4.2 输入信号增益调节子程序 . 24 4.3 数据处理子程序 . 25 4.3.1 复合滤波子程序 . 25 4.3.2 线性化子程序 . 26 4.3.3 DS18B20 采集子程序 . 27 4.4 显示子程序 . 29 4.5 键盘子程序 . 29 4.6 本章小结 . 31 第五章 测试与分析 . 32 5.1 硬件调试与结果分析 . 32 5.2 软件调试与结果分析 . 34 5.3 本章小结 . 34 总结 . 36 参考文献. 37 附录A 原理图 . 39 附录B 源程序 . 40 致谢 . 59 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 1 第一章 概述 1.1 选题背景与意义 在我国测控系统中，虽然温度变送器的研发已相当成熟，几十年形成的标准已被世界所公认，但随着自动化领域和信息技术的飞速发展，温度变送器存在的缺点与不足日益明显，尤其在许多中小型企业中，仍大量的使用传统的模拟温度变送器，越来越满足不了生产的要求。现列举如下： （1）可靠性差:模拟信号传输不仅精度低，且易受干扰。为此，采用了各种提高精度和抗干扰的措施，结果增加了生产成本。 （2）一对一结构:一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号。这种一对一结构造成布线庞杂，安装费用高，工程周期长，维护也变的困难。 （3）互换性差:尽管模拟温度变送器统一了输出信号标准（420mA），可大部分技术参数仍由制造厂自己定义，致使不同品牌的仪表无法进行互换，这就导致了用户对制造厂有了依赖。 （4）失控状态:操作员在控制室内既不了解仪表工作状况，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对其处于“失控状态”。由于操作员不能及时发现现场仪表的故障而发生的生产事故已屡见不鲜。 由于上述的缺点和不足，传统的模拟温度变送器严重制约着测控系统的发展，因此迫切需要开发出更高级的温度变送器，来变革和替代传统的模拟温度变送器。智能仪器的出现，极大扩充了传统仪器的应用范围1。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速在家用电器、科研单位和工业生产中得到广泛应用。其发展的主流趋势表现在测量信息数字化，检测控制仪表智能化，控制管理集成化。单片机的出现，引起了仪器仪表结构的变革，以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的“智能化测量控制仪表”。这种内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 2 新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的发展。目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用微处理器使之成为智能仪表，而在仪器仪表中使用的最多的微处理器之一就是单片机。在测量控制仪表中采用单片机使之成为智能仪表后能够解决许多传统仪表不能或不易解决的问题，同时还能简化电路，提高仪表的可靠性，降低仪表的成本以及加快产品的开发速度。这类仪表的设计重点已经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的单片机模板或功能部件、接口电路以及输入输出信道的设计、通用或专用软件程序的开发。 1.2 变送器的发展历程 按照组成器件可分为: (l)电子管阶段:六十年代中期，该阶段以电子管和磁放大器为主要放大单元，代表产品为DDZ型仪表。 (2)晶体管阶段:七十年代初期，该阶段主要采用晶体管作为主要放大单元，变送器输出0l0mA 的标准直流信号，代表产品为DDZ型仪表。 (3)中小规模集成电路阶段:八十年代初期，随着半导体工艺水平的提高，成百上千的晶体管组成的中小规模集成电路出现并广泛应用于仪表领域，从而实现了从分立组件阶段到集成电路阶段的转变。该阶段的变送器采用集成电路为主要放大组件，并具有安全火花防爆性能，其输出信号为420mA 标准直流信号，代表产品为DDZ 一型仪表。 (4)大规模集成电路阶段：该阶段最显著特点是微处理器被广泛应用在变送器中，变送器习惯上被称为智能变送器，微处理器的引入简化了硬件电路，提高了仪表的可靠性，使得仪表使用灵活、功能丰富，同时具有一定的通信能力，而且降低了开发成本，加快了产品的开发速度。 按照输出信号形式可分为: (1)传统的模拟变送器:变送器主要包括输入电路、放大电路和反馈电路三个部分，敏内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 感元件送来的输入信号经输入电路转变成电压信号，与反馈信号相比较，其差值经放大器放大并转换成统一的010mA 或420mA 标准信号，作为变送器的输出信号。该阶段的变送器主要缺点是功能单一，不便于同计算机接口，而且价格高，体积大，安装、调整、维修不方便等。 (2)半数字式变送器:由于传统的模拟变送器被广泛的应用于工业控制的各个领域，而现场总线标准也正处于完善和发展阶段，因此马上实现全数字化是不现实的。为了满足不同方面的需要，半数字式变送器应运而生，符合HART 协议的产品即为该阶段变送器的主要代表，其输出为 420mA 的电流信号，同时载有 HART 数字通信信号。用户管理系统首次延伸到以工厂为最基本的控制点上，成为了变送器发展历程上重要的转折点，但全数字化的发展趋势决定了这种仪表的过渡性，终将被全数字智能变送器所代替。 (3)全数字智能变送器:随着信息自动化的需求和现场总线的发展，一些在国际上有影响的专业化大公司相继开发设计出符合现场总线通信协议的总线式变送器产品，其输出为全数字信号，将分散的底层设备变成网络节点，打破了信息孤岛的局面，实现了整个企业的信息集成和综合自动化。 1.3 智能温度变送器功能及特点 智能温度变送器主要完成如下工作：传感器拾取被测温度参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；经单片机选通模拟开关将各输入通道的信号送入程控增益放大器，放大后的信号经A/D 转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理；运算的结果被转换为相应的数据进行显示；被处理的信号经过D/A转换器和转换电路变成标准的模拟信号输出。此外，智能温度变送器还可以与 PC 机组成分布式控制，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机PC 机，由PC 机进行全局管理。 智能温度变送器具有以下特点： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 （1）操作自动化。仪器在整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据采集、传输与处理以及显示等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。 （2）具有自测功能。包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。 （3）具有数据处理功能，这是智能温度变送器的主要优点之一。智能温度变送器由于采用了单片机或微处理器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。 （4）具有友好的人机对话能力。智能温度变送器使用键盘代替传统温度变送器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就可实现某种测量功能。与此同时，还可以通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观2。 1.4 本设计的主要工作 目前市场上的温度变送器主要有非智能和智能两种类型。非智能型采用硬件电路实现传感器信号放大和线性化处理，特点是成本廉价，但是只能生产固定量程产品，现场使用缺乏灵活，同时线性化水平差，精度低。而国外智能型产品采用微处理器控制，通过HART 通信协议的支持，能够做到可编程，在硬件上采用程控放大器，同时采用软件线性化，精度高稳定性好3。市场上的智能型产品基本都是国外大型仪表公司的产品，它们性能优良，但是价格较贵。 我国的企业自动化水平彼此差距很大，有许多企业根本无法接受价格昂贵的高档工业自动化设备，使得低成本自动化设备更受企业的欢迎，能生产出低价格，高水平的仪表产品变得更为重要。现在如何在保证精度的前提下，设计出一种通用而又低廉的变送器已经成为工业生产的需求。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 本设计的主要工作是设计出集热电阻与热电偶传感器于一体的智能温度变送器，达到高精度、高可靠、低功耗、低成本等特点。智能温度变送器在设计过程中，测量信号进过A/D 转换模块进行模数转换进入单片机，再有单片机滤波、运算、查表等转换为实际温度，进行显示输出和D/A 转换与V/I 转换输出420mA DC 信号。根据设计目标和市场供求，具有良好的参考、实用价值和广阔的市场需求。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 第二章 智能温度变送器总体设计 2.1 设计要求及内容 在工业生产中，温度测量具有极其重要的作用，因此出现了各种温度测量方法和设备，其中常见的测量设备是热电阻和热电偶温度传感器。同时，为了便于信号的传送，通常在温度传感器中安装一个温度变送器，将热电阻或热电偶输出信号变成420mA 的直流信号输出4。 在实际使用中，不同的现场可能使用不同类型的传感器，温度测量范围也有可能各不相同，这就要求温度变送器具有很好的适应性。传统的模拟温度变送器依靠电路参数的调整来适应这些变化，已经无法满足需求。由于微电子技术的发展，越来越多的温度变送器实现了智能化，利用软件编程，可以在线设置传感器类型和测温范围，满足不同工作条件下的要求。 设计所达到的要求：设计出用于工业仪表系统中常见温度测量与变送核心智能温度变送器。支持常用热电阻与热电偶传感器信号输入，包括：PT100、PT1000、CU50、CU100、S、K、E、T、B、J；支持传感器型号与量程设定功能；通过键盘进行设定操作。 设计内容： （1）选择合适的单片机。 （2）针对实际应用中传感器输出的不同幅值的弱信号，设计一种增益信号高精度放大电路。 （3）选择合适的ADC 和DAC 芯片，送入微处理器进行数据采集处理，输出模拟420mA DC 标准信号，以达到与模拟变送器兼容。 （4）设计合适的键盘电路以及显示电路。 （5）软件的设计与实现。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 2.2 总体方案设计 温度变送器是工业重要的基础自动化设备之一。主要完成温度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，温度变送器用量不断增多要求不断提高。 模拟式温度变送器主要是由运算放大器、电阻、电容等器件构成，功能较单一，主要起信号放大、变换作用。近年来随着微电子技术的飞速发展，尤其是近年来由于低功耗、多功能单片微处理器、高精度A/D 与D/A 转换器的面世，为研制通用型高精度智能温度变送器打下了扎实的物质基础。 智能温度变送器采用微处理器后，可对温度进行测量与变送，还能大大提高系统的可靠性与精度，减少外部连线，满足多种线性与非线性输入信号的精度要求等，还可实现数字化信号传输，已越来越为广大科技人员所关注。同时世界上一些主要的仪表制造公司相继研制成功了带微处理机构的各种智能温度变送器，开创了“智能式”温度变送器的新阶段5。 本论文所设计的智能温度变送器的组成主要包括单片机、弱信号增益调节电路、A/D、D/A 转换器、存储器、420mA 转换电路、键盘和显示器等。智能温度变送器总体设计原理如图2-1 所示。 单片机4-20mA DC电阻电压转换电路热电阻热电偶增益调节电路电路选择PCF8591T（A/D）DS18B20（冷端温度）键盘存储器LCD显示PCF8591T(D/A)V/I 图2-1 智能温度变送器总体设计原理 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 第三章 硬件电路设计 3.1 单片机选择 单片机是整个智能温度变送器的核心部分，通过它来实现各个功能。现在单片机应用广泛，因此生产厂商也很多，如Intel、Motorola、Philips、Atmel 等等，品种繁多，而且有着众多的衍生产品。 因 MCS51 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，宏晶科技所推出的新一代超强抗干扰、强抗静电，高速、高可靠，低功耗的单片机STC89C52，其本身具有8051CPU 内核，片内256 字节RAM、8KB FLASH 程序存储器、4 个8 位并行I/O 口、3 个16 位定时计数器、全双工串行口，硬件扩展方便，用途广泛，所以本设计选用STC89C52 单片机6。其引脚图与AT89C52 类似，如图3-1 所示。 图3-1 STC89C52 单片机 STC 单片机特点： （1）增强型6 时钟/机器周期，12 时钟/机器周期8051CPU。 （2）工作电压：5.5V3.4V(5V 单片机)/3.8V2.0V（3V 单片机）。 （3）工作频率范围：040MHZ，相当于普通 8051 的 080MHZ。实际工作频率可达到48MHZ。 （4）用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K 字节。 （5）片上集成1280 字节/512 字节RAM。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 （6）通用 I/O 口（32/36 个），复位后为：P1/P2/P3/P4 是准双向口，作为总线扩展用时，不加上拉电阻，作为I/O 口用时，需加上拉电阻。 STC89C52 管脚功能7： VCC（40 脚）、GND（20 脚） 单片机电源引脚和接地引脚。 RST（9 脚） 单片机复位引脚。当连续输入两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作，复位后程序计数器 PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H 单元读取第一条指令码，通俗地讲，就是单片机从头开始执行程序。 ALE/PROG（30 脚） 地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash 编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可作为外部定时器或时钟使用。然而，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR 的第0 位置“1”，ALE 操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH 的 SFR的第0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN（29 脚） 外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当单片机从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN 在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN 将不被激活。 EA/VPP（31 脚） EA 接高电平时，单片机读取内部程序存储器。当扩展有外部ROM时，读完内部ROM后自动读取外部ROM。EA 接低电平时，单片机直接读取外部ROM。 XTAL1（19 脚）、XTAL2（18 脚） 外接时钟引脚。XTAL1 为片内振荡电路的输入端，XTAL2 为片内振荡电路的输出端。 P0 口（39 脚32 脚） 双向8 位三态I/O 口，每个口都可以独立控制。单片机P0内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 口内部没有上拉电阻，为高阻状态，所以不能正常地输出高/低电平，因此该组I/O 口在使用时务必要外接上拉电阻，一般选择接入10K 的上拉电阻。 P1 口（1 脚8 脚） 准双向8 位I/O 口。每个口可独立控制，内带上拉电阻，这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向 I/O 口。之所以称它为“准双向”是因为该口在作为输入使用前，要先向该口进行写”1”操作，然后单片机内部才可以正确读出外部信号，也就是要提前有个“准”备的过程，所以才称为准双向口。对52 单片机P1.0 引脚的第二功能为T2 定时器/计数器的外部输入，P1.1 引脚的第二功能为T2EX 捕捉、重装触发，即T2 的外部控制端。 P2 口（21 脚28 脚） 准双向8 位I/O 口，每个口可独立控制，内带上拉电阻，与P1 口相似。 P3 口（10 脚17 脚） 准双向8 位I/O 口，每个口可独立控制，内带上拉电阻。作为第一功能使用时为普通I/O 口，与P1 口相似。作为第二功能使用时，各引脚定义如下： RXD（串行输入）。 TXD（串行输出）。 INT0（外部中断0）。 INT1（外部中断1）。 T0（定时器0 外部输入）。 T1（定时器1 外部输入）。 WR（外部数据存储器写脉冲）。 RD（外部数据存储器读脉冲）。 3.2 测温元件介绍 温度检测方法一般分为两大类，即接触测量法和非接饬糠哟饬糠遣馕?内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 敏感元件直接与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件充分地进行热交换，使两者具有同一温度，从而达到测量的目的。接触式测温的主要优点是直观可靠应用广泛。缺点是被测温度场的分布易受感温元件的影响，接触不良时会带来测量误差，高温和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响等。非接触测量法是利用物质的热辐射原理，测温敏感元件不与被测介质接触，通过辐射和对流实现热交换，从而达到测量的目的。非接触测量法可避免接触式测温的缺点，具有较高的测温上限，且热惯性小，可达 1ms、故便于测量高温、运动物体的温度以及快速变化的温度，但精度一般不高。接触式测温仪表按照测温原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式等。非接触式温度计可分为辐射温度计、亮度温度计、比色温度计以及用于中、低温测量的红外热像仪8。 热电阻测温是利用金属导体或半导体材料的电阻率随温度而变化的特性进行温度测量的。它主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测，测温范围主要在中、低温区域(-200 850)。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用铂、镍、锰和铑等材料制造热电阻。其中铂电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻具有测量范围宽、精度高、稳定性好等优点，在科研和生产中得到广泛应用。 热电偶测温具有结构简单、测温范围广(-180 1800 ) 、耐高温、准确度高、价格便宜、使用方便、适于远距离测量与自动控制等优点。因而, 它在高温测量方面得到较广泛的应用。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988 年1 月1 日起，并指定S、B、E、