基于51单片机的智能变送器设计

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    Design of Intelligent and Low Cost Transducer based on the 51 SoC
摘要:随着自动化技术的发展和微电子技术的进步,以及现场总线技术的日益成熟,数控技术在生产过程中的应用越来越广泛,对现场信号的采集、传输和数据处理提出更高的要求。本文分析了智能变送器的作用和工作原理,针对应用中使用的不同的传感器输出不同幅值的弱直流电信号的要求,设计了智能变送器系统。系统软件采用 MCS—51 单片机汇编语言,模块化程序设计方法,设计了仪表监控主程序、放大器增益设定程序、ADC 转换和处理子程序、DAC 转换等子模块,并设计了相应的通信协议。
关键词:智能变送器,通信,单片机
Abstract: With the development of Automation and the progress of the micro electronic technology, and the mature of Field Bus, digital control technology is widely used in production process, so collection, transition and treatment of signal should meet higher requirements. This thesis analyzes function and operation principle of intelligent transducer. The transducer is designed chiefly for different weak output signal of non-standard sensors. Software of the system designs main program, amplifier gain setting program, ADC transition program, DAC transition program and processing subprogram by adopting assemble language of MCS—51 single chip and modularization program design method, and also designs corresponding communication protocol.
Keywords: Intelligent Transducer, Communication, Single chip
1 引言
自动化仪表主要由检测仪表和控制仪表两大部分组成。随着生产的不断发展,生产规模越来越大,相应的自动化管理系统日趋复杂。由于计算机技术的高度发展和广泛应用,近 10 年来在控制系统方面有了很大进展。变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。主要完成物理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化。对自动化的依赖性越来越大,变送器用量不断增多,要求不断提高。在实际工程应用项目中,因项目资金有限,选用市售智能变送器会大大增加项目资金的投入,项目指标要求也许仅仅为了观测某点参数的情况,选用模拟变送器达不到系统要求,选用市售智能变送器会造成功能浪费。因此,系统设计往往采用传感器+主机构成现场仪表形式,可降低系统成本,实现所需功能。
2 系统功能
由于同一种传感器制作时材料、工艺的差别,使每只传感器输出信号幅值都不一样,不同作用的传感器同样存在输出信号不同一的问题。这给主机的设计、调试、维修带来了很大困难。所以,对选用输出不同幅值的弱信号传感器应用系统,设计一种通用的主机,实现信号的变送和传输,可降低系统成本,便于调试、维修,是相当必要和有实用意义的。
3 智能变送器硬件电路设计
3.1 智能变送器工作原理框图
变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。主要完成物理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,变送器用量不断增多．要求不断提高。智能变送器都是以 CPU为核心构成的数字化仪表,工作原理如图1所示:


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图1 智能变送器工作原理
3.2 智能变送器硬件电路设计框图
本论文智能变送器的硬件电路设计主要包括单片机选择、弱信号增益自调节电路设计、A/D 转换器选择及接口电路设计、D/A 转换器电路选择及接口设计、看门狗电路、存储器电路设计、RS—485 总线接口电路设计、4～20mA 转换电路设计、键盘和显示器接口电路设计等。硬件设计原理框图如图2所示。



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图2 硬件设计原理框图
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3.3 各部分功能电路设计
3.3.1 单片机选择
因 MCS-51 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,因此设计选用ATMEL公司生产的AT89系列的89C52单片机,其本身具有 8051CPU 内核,片内 256 字节 RAM、特殊功能寄存器 SFR、8KB FLASH 程序存储器、4个8位并行 I/O 口、2个16位定时计数器、全双工串行口、布尔处理器、2个优先级的6个中断源等内部资源。硬件扩展方便,用途广泛。
3.3.2 输入信号增益自调节电路设计



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图3 增益自调节电路原理图
本设计采用非易失性数控电位器和高精度运放组成程控增益放大器。由新型的集成仪表放大器 AD623 和非易失性数控电位器 X9241 组成。设计采用的电路具有增益范围宽、占用uP口的线少,成本低,适用做单片机数据采集系统的传感器与 ADC 之间的信号放大器。增益自调节电路原理如图3所示。
3.3.3 模-数转换器选择及接口电路设计
TLC2543 是具有11个输入端的12位串行模数转换器。是近几年推出的一种性能价格比较优越的12位A/D转换芯片,具有多种封装形式,TLC2543 具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简捷、价格低等优点,因此本设计采用TLC2543作为模-数转换器。
3.3.4 数-模转换器接口电路设计
本设计数-模转换器选用具有两个输入数据寄存器的8位 D/A 转换器DAC0832,它能直接与 MCS—51 单片机相接口,不需要附加任何其他 I/O 接口芯片。
3.3.4 V/I变换电路设计
本部分主要由多通道模拟开关CD4051,采样保持集成电路LF398,及放大器组成。具有多路转换,采样保持,及 V/I 变换功能。由于设计的是六个通道采集输入和六个通道分别输出的系统,所以用8选1的模拟开关CD4051。CD4051由电平转换电路、译码电路和开关电路三部分组成。
3.3.4 复位及运行监视电路设计
由于80C51单片机内没有独立的监视定时器(Watchdog Timer),所以需另行设计监视电路以提高系统的可靠性。设计中采用了专用集成电路X5045。X5045是一种集成看门狗、电压监控和串行 EEPROM 三种功能于一身的可编程电路。设计时应考虑以下几方面问题:1.上电复位;2.电压监视;3.看门狗定时器;4.SPI 串行非易失数据存储器。
3.3.5 RS-485 总线接口电路设计
该部分电路为通信协议物理层硬件设计。其中采用高速光电藕合器6N137,以适应高速串行数据通信要求,提高通信电路的抗干扰能力;采用SN75LBCl84,它是一种RS—485接口芯片,该芯片在传输率为250kbps的情况下可传输的最远距离可达1.5km,可以完成 TTL 电平与RS—485电平之间的转换。该芯片还有一个独特的设计．即当输入端开路时,其输出为高电平,这样,即使在接收器输入端电缆有开路故障时,也不影响系统的正常工作。
3.3.6 显示器接口电路设计
设计使用的显示器采用的是型号为QH2001的128×64点阵图形液晶显示模块LCM,与CPU接口简单, 显示器可以直接显示汉字、ASCII 码字符,使显示信息清晰易懂,符合阅读习惯。
3.3.7 键盘接口电路与电源设计
74LS373 作为键盘 I/O 接口,共设计９个按键。电源由 220V AC 供电,采用集成开关电源,分别供出+5V 和 2A(单片机系统使用)、+5V 和 1A(RS—485 接口隔离使用)、±12V(放大电路使用)三种规格的值。
4 智能变送器软件设计
智能变送器的软件部分采用MCS—51汇编语言、模块化程序设计方法,主要模块有监控程序模块、信号增益自调节模块、数据采集和处理模块、信号输出模块、通信模块、键盘扫描模块、采样定时模块等。下面分别予以介绍。
4.1 监控程序模块
系统监控程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序。是单片机系统程序的框架。其主要任务完成系统自检、初始化、处理键盘命令、处理接口命令、处理条件触发并完成显示功能。在设计监控程序时,在通信、定时采集数据、键盘扫描、数据显示等功能中,为及时响应其它仪器通信要求,通信功能的优先级别应最高,次之为定时采集数据,优先级别最低为数据显示,各作业之间具有明显优先级的差别,所以监控程序采用作业优先调度型,优先级高者先运行。
4.2 输入信号增益自调节模块
此模块根据上位机传送过来的弱信号的最大值VMAX来设定放大环节的放大系数。将弱信号放大到0～5V,即放大系数等于5000除以VMAX。
4.3 数据采集和处理模块
该部分模块主要包括 A/D 转换子程序、去脉冲干扰平均值滤波子程序、标度转换子程序等。为更好的消除脉冲干扰的影响,系统采用去极值平均滤波。即连续采样7次,将其累加求和同时找出其中的最大值和最小值,再从累加和中减去最大值和最小值,按5个采样值求平均,即得有效采样值。
4.4 通信模块设计
数字通信是智能变送器的基本功能,硬件设计采用 RS—485 总线将多台变送器连接成一个分布式数据采集系统。这种 RS—485 网络结构具有接口简单、灵活性好、价格低、易于控制等优点,可广泛应用于工业控制系统中。
4.5 采样定时模块
采样定时利用单片机内部定时器 T0 完成。T0基准定时时间为50MS。采样时间判断分两部分完成,一是在T0中断服务程序中产生一个1秒的时基信号,二是在主程序中调采样时间判断子程序,判断是否到某通道采集时间。
5 智能变送器软件抗干扰的设计
串入单片机系统内部的干扰会对单片机的工作造成很严重的影响,将造成软件系统失控,即程序跑飞。其后果将不可设想,因此,必须尽可能早地发现并采取补救措施。软件功能设计完成后,为提高系统抗干扰性能,采取一些软件抗干扰措施。主要有:
1.指令冗余
当程序跑飞、跑乱后,当程序执行到单字节指令上时,使自己自动纳入正轨。为了使跑飞的程序迅速纳入正轨,应多用单字节指令,在对程序流向起决定作用的指令(如 RET RETI ACALL LCALL LJMP JZ JNZ JC JNC DJNZ)前,加两条 NOP指令,形成指令冗余。如
NOP
NOP
LJMP CHULI;   数据处理子程序
2. 软件陷阱
当程序进入非程序区(如空闲 EPROM 区),或表格区时,采用冗余指令无法使程序恢复正轨,此时可以设定软件陷阱,拦截乱飞的程序,将其迅速引入一个指定位置,并有专门对程序运行出错处理的程序。软件陷阱由三条指令构成:
NOP
NOP
LJMP  ERR;    ERR错误处理程序入口
3. 看门狗复位
当程序陷入死循环后,软件拦截技术无法将程序拉回正轨,经一定时间后看门狗就自动给 CPU 发送复位信息,强迫程序返回到 0000H 入口。看门狗喂狗程序为:
SETB  CS5045;    CS5045 为 X5045 的片选引脚
CLR   CS5045
SETB  CS5045
6 本文作者创新点:
智能变送器,是计算机技术、检测技术与通信技术汇合的结果,本文按照经济、实用、可靠的设计要求,对选用输出不同幅值的弱信号多传感器应用系统,设计一种通用的主机,利用仪表运算放大器AD623和数控电位器X9241设计了增益自调节mvDC信号高精度放大电路,采用12位串行接口、具自诊断功能A/D转换器TLC2543完成模拟信号到数字信号转换,经89C52单片机采集处理后,由D/A、V/I转换电路变换为DC标准信号,以保持与模拟仪表兼容,同时经光电隔离和RS-485接口,实现远程数字信号传输。进行了软件、硬件设计。
参考文献:
[1] 宋光明,智能传感器网络研究与开发,传感技术学报,2003.2
[2] 徐力,工业智能变送器设计,电子产品世界,2002.12
[3] 郝晓弘等,基于 FF 协议的智能变送器的设计与开发,仪表技术与传感器,2003.5
[4] 于海春,智能压力变送器设计,淮阴师范学院,2003.2
作者简介:
余志宏(1973-),男(汉族),安徽安庆市宿松县人,中国民航大学航空自动化学院硕士研究生,主要从事机电系统智能检测与控制技术研究。
通讯地址:天津东丽区滨海国际机场中国民航大学北院14#  300300
电话：13821050071
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