关键词:  变送器 传感器 单片机

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：

    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值接近A/D的充许值；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4051的X2端输入V基是己知电压，并固化于程序中,D基、D零、Dx分别是基准、零点及输入热电偶信号的实时A/D采集值，通过下式可以完成零点满度的自校正,计算出VX值。由于V基、Vx及地三个信号经过同样的硬件输入通道,硬件的离散性误差及零点满度漂移对三者的影响相同，通过下面公式可以校正零点、放大倍数及A/D各环节的误差，在用一般器件的情况下可保证系统的测量精度。
　　
    D基-D零/Dx-D零=Vx/V基
　　
    由于热电偶mV温度间关系是非线性的，我们采用了折线法进行非线性校正，VX通过分段非线性数据处理,可以算出对应温度CX,加上通过测量冷端补偿二极管电压得出的冷端补偿温度C0，就得到该路的实际测量温度C,即C=CX+C0。
　　
    同时由于热电偶的原因，在测量端的电压值会被抵消了一部分。这种情况造成的误差影响较大。必须对它进行冷端补偿。因为二极管在温度变化时，其正向导通电压变化稳定，为-2mV/℃，因此我们采用二极管测冷端湿度进行补偿，具体做法如下：
　　
    步，我们冷端补偿输入端输入一标准电压0.7V得到一个AD采样值D0，然后我们再输入一标准电压0.6V再得到一个AD采样值D1。两者相减得到一个值ΔD，根据二极管的特性，每1℃电压变化2mV，我们输入的第1个标准信号和第2个标准信号相差为100mV，相当于二极管正向电压变化100mV，对应冷端温度变化50℃，就可以求出冷端温度每变化1℃时其对应AD值变化多少的系数K=ΔD/50，由于冷端温度变化范围小（0-50℃）,相对精度要求不高，因此设计产品批量生产时把该系数直接固化于程序中。当把冷补二极管1N4148接入输入端后，据上面所述，可以根据该系数及冷端AD采集值变化量的大小推算出冷端温度变化的大小。
　　
    第二步：我们在仪表设置状态输入当前环境温度Ta，并及时测得二极管1N4148所在端电压经放大AD转换后的值Da,并将Ta、Da其存储到EEPROM里面，以后仪表处于工作状态时我们实时地测出二极管AD转换后的值Db，再把两者相减得ΔDab=Da-Db，ΔDab除以K（代表每一个1℃的AD采样值的大小）得到一个温度值差Y。然后Y加上设置环境温度初值Ta得到实际冷端温度C0=Y+Ta。这种冷端补偿有一定误差,当环境温度变化时,所测的实际冷端温度C0将会跟随变化，在一定时期内环境温度的变化不大,因此它引起的误差和热电偶相比十分的小,可以忽略。但当环境变化较大时,比如从冬天到夏天的变化,其变化为几十℃,如果冷补误差大于1度,我们可以重新输入基准Ta校正。
　　
    3、A/D电路
　　
    A/D电路主要由74LS157、ICL7135芯片组成，7135采用0.5V基准信号,模拟电压输入范围为0-1V。ICL7135采用动态扫描BCD码输出方式，即万、千、百、十、个各字位BCD码轮流出现在B8，B4，B2，B1端上出现，并在D5-D1各端同步出现字位选通脉冲。采集到的微弱信号经程控放大后，经过AD转换变成数字信号。使用了74LS157四2选1选择器，使"万"位数据输出和其它的三个标志信号（超量程、欠量程、极性输出）与BCD码数据输出的B8、B4、B2、B1共用C52的P0.0-P0.3四条I/O口线，分时传送是通过D5控制74LS157的选择端SEL实现。SEL输入低电平时选择1A-4A输出，输入高电平时选择1B-3B输出。因为"万"位数据只能输出0或1，是个半位。所以，正好和OR（过量程）、UR（欠量程）和POL（正负极性）三位构成四位数据输出，供单片机读取。与C52的硬件接口方式是查询方式，软件上利用对D5、D4、D3、D2、D1查询来实现"万"、"千"、"百"、"十"、"个"上的数据输出。
　　
    4、控制面板电路
　　
    该部分电路包括两部分：按键控制电路和显示电路。具体电路见图5。电路采用ZLG7289作为核心芯片,通过三个引脚与单片机连接，单片可完成动态显示扫描及按键查询，节约了单片机I/O口硬件资源及时间资源。实际电路中Zlg7289的选片/CS接地时钟线CLK接P2.7口数据线DIO接P2.6口键信号线KEY接P2.5口。

三.软件设计及调试
　　
    软件设计主要有主程序，ICL7135A/D转换程序，BCD码转换程序，运算比较程序，读写24C02子程序，查表程序，功能键子程序等功能模块。主程序流程图如图8所示。

    单片机首行初始化，程序的初始状态设置为运行状态,除刚通电进入运行状态外，以后程序须判断状态标志位，根据判断结果程序进入编程或运行状态。在运行状态下无法对各参数进行编辑，只能从24C02读出各种运行工作参数，巡回测量输入信号，*后通过零点满度自校正处理,冷端补偿计算,查表处理得出各测量点温度值。在该状态下可通过←键选择显示测量、报警、故障信息等各种运行参数。在编辑参数的状态下系统不进行测量，刚进入编程状态时要求输入编程充许密码,在输入密码正确的前提下,可以通过←键选择各设定各参数,并可通过↑↓按键修改,存入24C02中,停止按键操作5分钟后不管是否按状态键均自动转入运行状态。

    单片机在运行状态时，上面四位数码管显示回路号（*合二位显示报警及故障信息），下面四位数码管分别显示对应数据，可通过K4键来切换显示不同的回路及其参数。其中回路号1-4表示不同的四路信号，平均值在第五路显示。比较后其中的一路及四路平均值可以通过参数的设定选择以4-20mA形式变送输出。软件确定4051与AT89C52相连四路信号选择电平，选择的模入信号经程控4051和运放放大后，进入ICL7135进行A/D转换，由电压信号转化为BCD码（由万位到个位，五位地址输出）。利用转换子程序把BCD码转换为十六进制数，*后进行各种数据处理得出温度值,求出值及平均值，并进行报警及信号故障判别处理。