PLC單片機在智能溫度變送器中的應用

 

    在工業(yè)過程控制領域中，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(jù)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(jù)感溫材料和0℃時標準電阻不同，有PT100,PT10和CU100,CU50等類型。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(diào)理設計帶來了挑戰(zhàn)，給制造廠商帶來了不小的麻煩，傳統(tǒng)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，功耗的問題也是一個不得不注意的問題。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，實現(xiàn)了對熱電偶、熱電阻、微電流mA和微電壓mV的四種輸入類型的測量，隔離輸出4-2OmA和1-5V四種輸出類型的工業(yè)標準信號。

 

1硬件設計

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

    輸入通道模擬多路開關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單片機實現(xiàn)。由輸入通道模擬多路開關輸入的微弱信號經(jīng)過放大電路放大，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，最大輸入偏移電流10pA，是微信號的理想放大器。為了讓ICL7650MJD工作在線性區(qū)，對ICL7650MJD的放大倍數(shù)采用了模擬多路開關CD4051進行控制，由單片機對AD采樣信號進行判別，決定放大系數(shù)。

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

    精密電源由丁L431實現(xiàn)，由丁L431提供穩(wěn)定的3.5V的精密電源和1mA精密電流源，這個3.5V電源對輸入通道供電和單片機的AD采樣基準電壓，當測量類型為熱電阻時，1mA電流源對熱電阻供電。RS232接口來實現(xiàn)智能編程接入，由于PIC16F876單片機內(nèi)置256字節(jié)的EEPROM，決定變送器當前測量類型、測溫范圍、輸出類型的變量可以通過RS232存入EEPROM，當外部PC或手持編程終端對該部分EEPROM進行改寫時，智能溫度變送器可工作在用戶所需的測量類型和輸出類型。

 

2輸入通道和輸出通道

    輸入通道的信號調(diào)理也是變送器的關鍵部件之一，調(diào)理電路如圖2所示。由4051(U6)決定輸入信號類型，可有三線制或四線制的熱電阻輸入、熱電偶、mV,mA和本地溫度(AD590實現(xiàn))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(shù)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PCB板時，在4和5腳周圍畫圓，然后接到3和6號腳，這樣做能減小輸入信.號的泄漏電流到最小。所有電阻都采用精密電阻。調(diào)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(zhuǎn)換。這里摒棄了傳統(tǒng)的DA轉(zhuǎn)換，采用的是PWM向IN的轉(zhuǎn)換，在功能上不僅沒有減弱，更有了進一步的提高，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)過光禍隔離后，再經(jīng)過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周期和高電平時間可編程調(diào)節(jié)，PWM周期最大為1024個丁q仃4為一個基時間，可編程設置)，當用4M晶振J。設置成9605s時，PWM高電平時間((Tq個數(shù))和輸出電流!，大小的對應關系如圖4。由圖4可知，當PWM的值大于200而小于1000時，曲線近似為一直線，4~20mA電流在線性范圍內(nèi)。對該曲線進行最小二乘曲線擬合，得出擬合曲線方程為: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的個數(shù))，最大誤差為0.3%。

 

  3軟件設計和熱電偶非線性處理

    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，輸出溫度值線性對應的電流或電壓值。具體步驟如下:

        1)主程序首先讀取EEPROM中數(shù)據(jù)，決定測量類型和

輸出類型、測溫范圍，根據(jù)測量類型啟動相應的輸入通道。。2)測量熱電阻時啟動精密電流源。

      3)啟動AD，測量輸入端電壓，測量結(jié)果不在運放的線性

工作區(qū)內(nèi)則調(diào)整放大倍數(shù)。若是熱電偶測量，則再次啟動AD測量本地溫度。根據(jù)二項式擬合公式(以下會敘述)計算熱電阻或熱電偶對應的溫度值。

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

 

3.2熱電偶非線性化處理

    由于PIC16F876只有8K的Flash ROM，不可能存儲大量的數(shù)據(jù)。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性關系，沒有可遵循的公式。如果要得到高精度的熱電勢與溫度的關系，一般的處理方法是在EEPROM或單片機的Flash中存入每個分度號熱電偶的熱電勢和溫度數(shù)據(jù)，對測得的熱電勢進行線性插值計算，得出當前的溫度。在保證精度的前提下，這樣做要對各個分度號的熱電偶都要存入大量的數(shù)據(jù)，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(shù)，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，首先根據(jù)EC584-1標準中的計算函數(shù)計算出熱電偶的分度表，在0-10C內(nèi)用二階多項式擬合，計算出二項式系數(shù)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(shù)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(nèi)，則擬合區(qū)間再增加10C，重新計算a[0],b[0],c[0]，依此類推，直到精度超出允許誤差ERRA。則a[0],b[0],c[O」即為該區(qū)間的精度為0.1℃的二項式擬合曲線。下一區(qū)間的擬合曲線以前一曲線結(jié)束的點為開始，同理可計算出擬合系數(shù)a[1],b[1],c[1]。依此類推，可以計算出熱電偶測溫范圍內(nèi)的所有二項式擬合系數(shù)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℃以內(nèi)。對每個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(shù)。在測量中根據(jù)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)過零點校正后的熱電偶溫度為18mV，根據(jù)分段區(qū)間知當前應該用的二項式系數(shù)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(jié)束語

    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，設計出高性價比的輸出通道，對熱電偶的非線性化處理，使少量的存儲空間可以實現(xiàn)復雜的算法，能夠滿足工業(yè)過程控制中的精度要求。系統(tǒng)硬件設計簡單、可靠性好、精度高。軟件編程采用模塊化方法，方便在線編程變送器的測量類型和輸出類型。經(jīng)實際應用，本產(chǎn)品可穩(wěn)定應用到工業(yè)過程控制場合，在全國多家企業(yè)中得到應用。

 

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