在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中，有大量的溫度信號需要測量。而對溫度的測量，常用的測溫器件有熱電偶(TC)和熱電阻(RTD)兩種，熱電偶又根據感溫材料的不同，有K,E,S,B,J,T,R不同的分度號;熱電阻根據感溫材料和0℃時(shí)標準電阻不同，有PT100,PT10和CU100,CU50等類(lèi)型。這些不同型號的熱電偶和熱電阻，它們的測量溫度范圍和輸出范圍迥然不同，這對變送器輸入通道的信號調理設計帶來(lái)了挑戰，給制造廠(chǎng)商帶來(lái)了不小的麻煩，傳統模擬電路很難做出通用的熱電阻溫度變送器。在變送器的設計中，功耗的問(wèn)題也是一個(gè)不得不注意的問(wèn)題。出于這些因素的考慮，本文設計出了基于低功耗PIC單片機的高精度智能溫度變送器，實(shí)現了對熱電偶、熱電阻、微電流mA和微電壓mV的四種輸入類(lèi)型的測量，隔離輸出4-2OmA和1-5V四種輸出類(lèi)型的工業(yè)標準信號。

 

1硬件設計

    硬件電路主要由三個(gè)功能模塊組成:輸入通道、輸出通道和數字信號處理電路。完整的硬件電路原理圖如圖1所示。信號流程是shou先確定輸入信號類(lèi)型，然后由單片機智能控制信號調理部分，使調理輸出信號落在運放的線(xiàn)性放大區，#后信號經(jīng)過(guò)AD采樣由單片機進(jìn)行運算，處理結果由單片機PWM輸出，PWM再進(jìn)行光電隔離，由輸出電路完成PWM向電流的轉換。

    輸入通道模擬多路開(kāi)關(guān)CD4051負責選通模擬輸入，可以選擇輸入熱電偶、熱電阻、本地溫度,mV和mA信號，選擇控制權由PIC單片機實(shí)現。由輸入通道模擬多路開(kāi)關(guān)輸入的微弱信號經(jīng)過(guò)放大電路放大，放大電路采用ICL7650MJD，它是一種低功耗的CMOS芯片，高達至少120d B的CMRR和PSRR增益，#大輸入偏移電流10pA，是微信號的理想放大器。為了讓ICL7650MJD工作在線(xiàn)性區，對ICL7650MJD的放大倍數采用了模擬多路開(kāi)關(guān)CD4051進(jìn)行控制，由單片機對AD采樣信號進(jìn)行判別，決定放大系數。

    中央處理單元采用Microchip公司的PIC 16F876低功耗微處理器，它是變送器的關(guān)鍵部件之一，由它完成變送器的AD轉換、測量類(lèi)型選擇、輸出類(lèi)型選擇、對外通訊等功能。它是采用哈佛結構的RSIC單片機，內置5路10位AD轉換器，8K片內14位Flash存儲器、368字節RAM, 256字節EEPROM，一路UART接口，兩路PWM輸出。

    精密電源由丁L431實(shí)現，由丁L431提供穩定的3.5V的精密電源和1mA精密電流源，這個(gè)3.5V電源對輸入通道供電和單片機的AD采樣基準電壓，當測量類(lèi)型為熱電阻時(shí)，1mA電流源對熱電阻供電。RS232接口來(lái)實(shí)現智能編程接入，由于PIC16F876單片機內置256字節的EEPROM，決定變送器當前測量類(lèi)型、測溫范圍、輸出類(lèi)型的變量可以通過(guò)RS232存入EEPROM，當外部PC或手持編程終端對該部分EEPROM進(jìn)行改寫(xiě)時(shí)，智能溫度變送器可工作在用戶(hù)所需的測量類(lèi)型和輸出類(lèi)型。

 

2輸入通道和輸出通道

    輸入通道的信號調理也是變送器的關(guān)鍵部件之一，調理電路如圖2所示。由4051(U6)決定輸入信號類(lèi)型，可有三線(xiàn)制或四線(xiàn)制的熱電阻輸入、熱電偶、mV,mA和本地溫度(AD590實(shí)現)測量輸入。通道的選擇由單片機的IO口(圖中CH 1-CH3)控制。放大倍數由4051(U 10)決定，由單片機的}0口(圖中M丁L1-MTL3)控制。運放采用Maxim公司的ICL7650MJD,C16和C17為0.15F的聚苯乙烯電容，C18和C19為擔電容。在布線(xiàn)PCB板時(shí)，在4和5腳周?chē)��?huà)圓，然后接到3和6號腳，這樣做能減小輸入信.號的泄漏電流到#小。所有電阻都采用精密電阻。調理輸出信號VSample輸出到單片機的AD輸入口。

    輸出通道電路如圖3所示，它完成的是PWM向IN的轉換。這里摒棄了傳統的DA轉換，采用的是PWM向IN的轉換，在功能上不僅沒(méi)有減弱，更有了進(jìn)一步的提高，并且在成本上相對DA具有更大的優(yōu)勢。

    PWM信號輸出后，經(jīng)過(guò)光禍隔離后，再經(jīng)過(guò)74AC04的波形整形，74AC04的電源由丁L431提供精密的2.5V電源，整形后的波形幅值是2.5V的標準PWM波形。然后經(jīng)過(guò)兩級低通濾波器濾波，作為運放O P07的正輸入信號。"R”電阻是作為電壓信號輸出時(shí)才用(對應圖1中的PWM2通道)，接25051的精密電阻。

    PIC單片機的PWM周期和高電平時(shí)間可編程調節，PWM周期#大為1024個(gè)丁q仃4為一個(gè)基時(shí)間，可編程設置)，當用4M晶振J。設置成9605s時(shí)，PWM高電平時(shí)間((Tq個(gè)數)和輸出電流!，大小的對應關(guān)系如圖4。由圖4可知，當PWM的值大于200而小于1000時(shí)，曲線(xiàn)近似為一直線(xiàn)，4~20mA電流在線(xiàn)性范圍內。對該曲線(xiàn)進(jìn)行#小二乘曲線(xiàn)擬合，得出擬合曲線(xiàn)方程為:Y二一0.0249x+27.384，其中，Y為輸出的電流值(mA為單位)，x為PWM的值仃q的個(gè)數)，#大誤差為0.3%。

 

  3軟件設計和熱電偶非線(xiàn)性處理

    3.1主程序流程

        主程序流程如圖5，程序采用模塊化編程方法。程序的主

要功能是完成對輸入信號的測量，計算相應的溫度，輸出溫度值線(xiàn)性對應的電流或電壓值。具體步驟如下:

        1)主程序shou先讀取EEPROM中數據，決定測量類(lèi)型和

輸出類(lèi)型、測溫范圍，根據測量類(lèi)型啟動(dòng)相應的輸入通道。。2)測量熱電阻時(shí)啟動(dòng)精密電流源。

      3)啟動(dòng)AD，測量輸入端電壓，測量結果不在運放的線(xiàn)性

工作區內則調整放大倍數。若是熱電偶測量，則再次啟動(dòng)AD測量本地溫度。根據二項式擬合公式(以下會(huì )敘述)計算熱電阻或熱電偶對應的溫度值。

      4)根據輸出類(lèi)型和當前的溫度值，以及溫度測量范圍，由PWM值與輸出電流的擬合公式Y=一0.0249x+27.3846，得出PWM的輸出值。例如，輸出類(lèi)型為4--20mA，當前所測溫度值為t，溫度測量范圍為T(mén)min一Tmax，則輸出的PWM為:

 

3.2熱電偶非線(xiàn)性化處理

    由于PIC16F876只有8K的Flash ROM，不可能存儲大量的數據。又由于要測熱電偶的分度號比較多，測量溫度范圍比較大，它們輸出的熱電勢與溫度又是非線(xiàn)性關(guān)系，沒(méi)有可遵循的公式。如果要得到高精度的熱電勢與溫度的關(guān)系，一般的處理方法是在EEPROM或單片機的Flash中存入每個(gè)分度號熱電偶的熱電勢和溫度數據，對測得的熱電勢進(jìn)行線(xiàn)性插值計算，得出當前的溫度。在保證精度的前提下，這樣做要對各個(gè)分度號的熱電偶都要存入大量的數據，占用大量的存儲空間。而如果采用分段擬合的方法，只在存儲空間中存入分段擬合方程的系數，這樣就將大大減小存儲空間。

    計算某分度號熱電偶的二項式擬合公式時(shí)，shou先根據EC584-1標準中的計算函數計算出熱電偶的分度表，在0-10C內用二階多項式擬合，計算出二項式系數a[0],b[0],c[0]，然后，用擬合的多項式t=a[0]+b[0]xE;+c[0]xE{(為熱電偶的熱電勢)，計算得到的溫度值t和由1EC584-1標準函數計算的溫度值t,比較，如果差值ERR在允許的誤差ERRA(0.1℃)范圍內，則擬合區間再增加10C，重新計算a[0],b[0],c[0]，依此類(lèi)推，直到精度超出允許誤差ERRA。則a[0],b[0],c[O」即為該區間的精度為0.1℃的二項式擬合曲線(xiàn)。下一區間的擬合曲線(xiàn)以前一曲線(xiàn)結束的點(diǎn)為開(kāi)始，同理可計算出擬合系數a[1],b[1],c[1]。依此類(lèi)推，可以計算出熱電偶測溫范圍內的所有二項式擬合系數a[i],b[i],c[i],i=0,1,2"二。由此法計算出的熱電偶的擬合精度在0.1℃以?xún)�。對每個(gè)分度號的熱電偶分別計算出分段擬合二項式，在PIC單片機的Flash中存入這些二項式的系數。在測量中根據測到的熱電勢，用該熱電勢所在分段的擬合二項式求出當前溫度值。例如，假設當前所用熱電偶分度號為K型，經(jīng)過(guò)零點(diǎn)校正后的熱電偶溫度為18mV，根據分段區間知當前應該用的二項式系數為a [3] =7.3384, b [3] =24.2483,c [3]=一0.018，則當前溫度值為t=7.3384+24.2483 x 18-0.0183 x 182=437.880C。

 

4結束語(yǔ)

    本文提出基于PIC單片機的智能溫度變送器，充分利用了PIC單片機PWM的功能，設計出高性?xún)r(jià)比的輸出通道，對熱電偶的非線(xiàn)性化處理，使少量的存儲空間可以實(shí)現復雜的算法，能夠滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程控制中的精度要求。系統硬件設計簡(jiǎn)單、可靠性好、精度高。軟件編程采用模塊化方法，方便在線(xiàn)編程變送器的測量類(lèi)型和輸出類(lèi)型。經(jīng)實(shí)際應用，本產(chǎn)品可穩定應用到工業(yè)過(guò)程控制場(chǎng)合，在全國多家企業(yè)中得到應用。

 

相關(guān)產(chǎn)品tuijian：熱電偶溫度計