單片機在溫度變送器中的應用

　　引言
　　
　　在智能儀表設計中，經常用到A/D轉換器。在常用的A/D轉換中，7135應用，它具有41/2位A/D轉換精度，抗*力強，價格低廉，主要用于檢測參數的測量顯示，在智能儀器儀表中，常利用其A/D轉換特性，與單片機串行連接，通過簡單的人機界面實現
　　
　　對A/D轉換數據的智能控制。本文以PIC單片機與ICL7135的實際工程應用為例，介紹一款智能溫度控制儀表在溫度變送器中的應用。
　　
　　1、PIC單片機
　　
　　PIC系列8位CMOS單片機具有*的RISC結構，數據總線和指令總線分離的哈佛總線（Harvard）結構，使指令具有單字長的特性，且允許指令碼的位數可多于8位的數據位數，這與傳統的采用CISC結構的8位單片機相比，可以達到2:1的代碼壓縮，速度提高4倍。
　　
　　PIC有*開發環境、*的保密性、PIC以保密熔絲來保護代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復熔絲、自帶看門狗定時器，可以用來提高程序運行的可靠性。在本工程項目中選用了PIC中檔單片機PIC16F62x，內部含有2Kflash、224字節SRAM、
　　
　　128字節EEPROM、16個I/O口、1個CCP捕獲通道、2個比較器通道、2個8位1個16位定時器、具有UART功能。
　　
　　2、713/D轉換原理
　　
　　7135采用高阻抗差分輸入方式，總失調電壓小于10μV，其A/D轉換器采用雙積分式，共分4個階段：自動調零，輸入信號積分，標準信號反積分，積分器歸零。其當個轉換過程如圖1所示。　　
　　由圖1可以看出，7135在對輸入信號進行積分時，其BUSY信號線由低向高跳變并一直保持高電平，直到標準信號反積分結束時才跳變到低電平。在此過程中，對輸入信號的積分一般保持10001個時鐘脈沖，而在滿量程的情況下，反相標準積分值為20001（當Vin=2Vref時），對于不同的模擬量輸入，7135反向標準積分脈沖數不同，BUSY信號的高電平寬度也不同，且反向積分脈沖數正比于輸入信號幅度，與測量結果有一一對應關系。在轉換過程中，
　　
　　7135提供一輸入信號極性判斷引腳POL，當輸入（Vin+-Vin-）為正值時，POL信號為高電平，（Vin+-Vin-）為負值時，POL信號為低電平。
　　
　　3、7135與PIC單片機的串行連接
　　
　　由7135的轉換原理可知，可以通過脈沖計數的方式獲得測量的結果，且只需要3條控制線CLK，BUSY，POL。Microchip推出的PIC系列單片機具有驅動能力大，抗*力強，價格適中等優點。其推出的PIC16F6X系列，有2~4KFLASH內存，1個16位定時器，2個CCP比較/捕捉模塊，多于22個I/O，*的遺憾是沒有符合7135的采樣時鐘。考慮到儀表需要通信及隔離模擬變送輸出，采用16M晶振，利用16位定時器T1作為7135的同步計數脈沖，BUSY接于CCP1引腳，工作于捕捉方式，用于測量脈沖寬度；而7135的CLK時鐘，則利用CPU的晶振接于高速反相器，再經分頻取出。考慮到采樣速度及對50Hz電源的抗干擾影響，以及溫度變量的慣性大的特點，取CLK=250kHz，采樣速度約為4次/min。系統硬件聯接如圖2：　　　　
　　在實際應用中，監測的對象為玻璃熔爐的溫度，采用熱電偶將信號采集到變送器。作為溫度變送器還必須要考慮環境溫度的影響。其次，還要考慮到器件的溫度漂移，必須在后期得到的數據對這兩個干擾量進行處理才能得到真實的溫度值。因此在模擬量的輸入部分有三個量需要采集，通過多路模擬開關隔離，再將信號送給運算放大器后進行A/D轉換。在A/D轉換部分，由于ICL7135本身沒有自帶的參考電壓，因此設計中必須配以的參考電壓源。
　　
　　實際應用中采用的是TL431可調電壓基準，應用中達到了生產要求，效果良好。在變送器的輸出部分則需加以隔離并且MAX485的輸出端接以上，下拉電阻。
　　　　
　　時器T1的時鐘和7135的時鐘不是同一個輸入，T1的時鐘為系統時鐘的1：128分，而7135的CLK為125KHz，為CPU引腳輸出的方波脈沖。7135的BUSY腳接CPU具有電平中斷功能的引腳，這樣當BUSY為高時便開始計入脈沖數，直到一次轉換完畢。對熱電偶通道所測得的數據根據其電壓—溫度特性表進行處理后得到其溫度值，對溫度飄移則視POLARITY的極性而定，若為正則將其用熱電偶溫度值減去，否則則加。環境溫度直接相加。溫度數據處理完畢等待上位機發送指令上傳即可。
　　
　　4、軟件設計
　　
　　系統軟件的設計中含有以下幾個處理模塊：初始化及主程序模塊，中斷處理模塊，數據處理及傳送控制輸出模塊。其中中斷處理模塊包括通訊中斷，捕捉中斷處理。數據處理及傳送控制輸出模塊則包括溫度對象的數據處理，串行通訊的接收與發送控制。以下簡要介紹主程序運行流程與7135電平中斷處理。程序流程如下：　　　　
　　在A/D轉換過程中,因為BUSY腳上升沿時開始脈沖計數,下降沿是計數即完畢,所得結果存放在CCP寄存器中,它是分CCPR1H與CCPR1L高、低兩個字節共16位寄存器。將CCPR1H
　　
　　左移4位加上CCPR1L再減去10001,即為A/D轉換脈沖的計數值。將轉換后的數據按前述方
　　
　　法由軟件進行進一步處理。對采樣數據的處理過程中,可取對每4次或8次采樣值進行脈沖濾波,或可以結合其他濾波方法一起例如一階濾波方法對數據進行處理,送顯,控制,這樣能
　　
　　使測量更準確,顯示更穩定。為保證生產的持續穩定進行提供有力保障。
　　
　　5、結束語
　　
　　此溫度變送器的工作環境相當惡劣,靜電干擾非常大,在調試過程中甚至出現了芯片被靜電激穿燒壞的現象,在串行通信的前端加光耦隔離并對MAX485芯片A、B分別上拉到電源和下拉到地起到了良好的保護作用,在長時間的使用期間此變送器無論是在穩定性、精度、實時性還是安全性上都表現良好,滿足了實際生產的需要。
　　
　　本文作者創新點是以PIC單片機與ICL7135的實際工程應用為例，詳細闡述PIC單片機與
　　
　　ICL7135將檢測到的溫度進行轉換處理后通過串行口傳送給上位機，應用于高精度的溫度檢測儀表中，介紹了一款智能溫度控制儀表在溫度變送器中的應用。對于實際生產有重要的借鑒意義。項目經濟效大約50萬元；數據來源主要是通過脈沖計數的方式獲得測量的結果；研究方法：利用含有初始化及主程序模塊、中斷處理模塊、數據處理及傳送控制輸出模塊的設計軟件來模擬實驗研究，其中中斷處理模塊包括通訊中斷，捕捉中斷處理。數據處理及傳送
　　
　　控制輸出模塊則包括溫度對象的數據處理，串行通訊的接收與發送控制。