基于温度测量处理变送器的设计

2、数据采集电路与放大电路

数据采集部分电路如图4所示，限流电阻R1和稳压管TL431产生2.5V标准电压。系统共有7路模拟输入信号,4路热电偶信号输入（EXT1————EXT4），１路冷端补偿信号,一路基准信号,一路地信号（EXT5）。2.5V电压加在10K电阻和外接二极管串联支路上，构成热电偶的冷端补偿电路，它是利用二极管正向工作的电压-温度特性测量冷端温度，基准信号利用2.5V电压和分压电阻产生。因此采用了8选1多路模拟开关CD4051,由单片机的P2.0、P2.1、P2.2三个引脚高低电平控制模拟通道的选择。由于输入热电偶分度号由用户设定，不同分度号信号大小不一,故设计了由OP07和4051（U2）组成的程控放大器，输入信号经放大后进入A/D,经采集处理后得出各路信号值。程控放大是利用单片机对4051的控制，选择不同的通道，同时也就选择了不同的放大倍数。4051外接的电阻是：R25=20K，R26=47K，R27=2.4K，R28=3.9K，R29=1.9K，共有4个不同的放大倍数，分别为放大倍数1=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（47+2.4+3.9+1.6）≈1.3倍、放大倍数2=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（2.4+3.9+1.6）≈10倍、放大倍数3=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（3.9+1.6）≈14倍、放大倍数4=（20+47+2.4+3.9+1.6）/1.6≈46倍。1.3倍的放大倍数主要用于冷端补偿二极管信号的采集，电路中四个22M上拉电阻完成热电偶断线捡测功能。

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最大值接近A/D的最大充许值；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：

第一步，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。

zlg7289具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴极数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，无须外围元件可直接驱动八位LED数码管并可同时连接多达64键盘的键盘矩阵，单片即可完成LED显示及按键的扩展。zlg7289内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式，此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。本系统用了两排4位数码管，数码管用的是动态显示的。根据zlg7289的要求，数码管选用共阴极的，Zlg7289的18脚～25脚接数码管的位驱动端，10脚～17脚接数码管的段驱动端，通过数据线和时钟线可以把要显示内容送入7289。本电路只设计了四个按键，当有键按下时，KEY引脚电平发生变化通知CPU通过数据线和时钟线读取键值。