二線制變送器的研制與實現

吳德波 黃秋豹 田樹龍（中國核電工程有限公司采購部，北京 100840）

二線制變送器的研制與實現

吳德波 黃秋豹 田樹龍
（中國核電工程有限公司采購部，北京 100840）

本文結合作者設備采購及現場應用經驗，提出一種基于單片機控制技術的二線制變送器的研制方法，并對其實現，對變送器的設計、采購及現場應用均有一定參考意義。

二線制；變送器 ；單片機；C8051F002

作者結合日常設備采購工作中對儀表選型時，發現工業就地測量的各類非電物理量，如溫度、壓力、流量、轉速等，均是采用變送器就地轉換成模擬電信號，然后傳輸到幾百米外的控制室或顯示設備上。其中最廣泛的是用4～20mA電流變送器來傳輸模擬量，原因是不容易受干擾，并且電流源內阻無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數百米。上限取20mA 是因為防爆的要求，下限沒有取0mA 而是取4mA是為了能檢測斷線，而且考慮電流環上器件的耗電。

較為常見的4～20mA變送器分為四線制變送器（兩根電源線、兩根電流輸出線）、三線制變送器（電流輸出與電源公用一根線）及兩線制。本文主要研制的是兩線制，作者認為變送器在電路中相當于一個特殊的負載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4～20mA 之間根據傳感器輸出而變化，顯示儀表只需要串在電路中即可，這使得二線制成為可能。由于二線制變送器省去兩根電源線，由于電源線是遠端給就地端供電，往往長達數百米，這無疑降低很大成本，因此工業應用中兩線制變送器越來越普遍。結合此背景，本文介紹了基于C8051F002單片機技術的4～20mA變送器的研制與實現。

1 二線制變送器硬件設計

1.1 變送器總體結構。二線制變送器是將就地傳感器輸出的毫伏級電壓信號通過信號調理電路進行調節放大，調節后的信號控制在0～2.5V之間，然后通過C8051F002單片機AN0通道采集進行12位A/D轉換，再在C8051F002內經過一定算法實現并線性化處理后，利用C8051F002自帶的12位D/A轉換器DAC0進行模數轉換，輸出電壓在0.4～2V之間，最后通過V/I轉換電路輸出4～20mA電流，電流輸出線也是變送器的供電電源線（24V，GND），具體結構框圖如圖1所示。

1.2 變送器主要電路介紹

（1） 調節及放大電路。單片機的信號輸入范圍為0～2.5V，以阻式差壓傳感器為例，其檢測到的電壓信號為毫伏級的弱信號，故必須將其放大。系統選用AD公司的AD620儀用放大器作為系統的信號處理放大器。該放大器的輸入端與傳感器的輸出相連，AD620是一種低功耗、高精度的儀表放大器，具有良好的交直流特性，并且可以方便的改變放大增益，增益公式為K=49.4kΩ/R5+1，其中R5為反饋電阻，其阻值決定AD620的放大增益。經調節放大的信號送單片機ADC0采樣。

（2）C8051F002單片機處理電路。信號調節放大電路輸出0～2.5V之間的某一直流電壓，發送到C8051F002的ADC0進行12位A/D轉換，轉化后的數字信號通過C8051F002進行線性化處理，再通過單片機自帶的DAC0進行12位D/A轉化，然后送往V/I電路，DAC0輸出電壓為0.4V～2V之間的某一值。ADC0及DAC0采用的參考電壓+2.5V，由XTR115輸出提供。

（3）V/I轉換電路。單片機的DAC0輸出直流電壓經精密電阻后進入XTR115，對應4引腳將輸出4～20mA中間某一電流值，通過長雙絞線發送到接收端，接收端負載串聯到整個環路中。XTR115連接的三級管Q1及穩壓二極管D3作用是防止輸出電流過大或上電過程中過沖脈沖損壞芯片。

2 二線制變送器軟件設計

二線制變送器的軟件設計主要是C8051F002單片機程序，主要包括ADC0采用程序、數據處理程序以及DAC0數模轉換程序。程序是KEIL編譯環境下用C語言實現，圖2為主流程圖，此為設計思路，限于篇幅，具體程序代碼不再體現在本文章中。

結語

本文總結了市場上變送器類型，總結出二線制變送器的特點，并從硬件、軟件方面對二線制變送器進行研制與實現。由于傳感器輸出難免出現非線性等問題，文章采用C8051F002單片機對采樣的數據進行運算處理，并配以校驗，以達到精準測量。

[1]潘琢金. C8051F000/1/2/5/6/7混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊[M]. 2005.

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