电阻式水温变送显示器3

1 2008 年年年年 ““““TI”杯四川省电子设计竞赛一等奖作品杯四川省电子设计竞赛一等奖作品杯四川省电子设计竞赛一等奖作品杯四川省电子设计竞赛一等奖作品 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目：电阻式水温变送显示器 指导教师：陈祝明 陈瑜 周云 队 员：杨彦兵(06级) 张乐健(06级) 陈强(06级) 学 校：电子科技大学机电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 摘要摘要摘要摘要：：：：本文设计了一款水温变送器，以MSP430F449单片机为主控制器，通过电 桥采集电压，经放大器差放后由两级放大器放大得到 1~5V的电压直接传送，或 由 XTR111将采集的电压信号转换成电流信号进行长距离传输，再通过 RCV420 转换为电压信号，通过 AD采样转换，对电阻上采集的电压进行分析和处理，转 换成温度信号，采集的温度信号最终由 LCD显示。 关键词关键词关键词关键词：：：：电桥 变送器 水温 显示器 MSP430 Abstract：：：： This paper introduces a water temperature transmitter. The design is based on a microchip MSP430F449 which is used as main controller. The controller collects the voltage of 1~5V which is from electrical bridges and is amplified by the two-stage amplifiers, or is converted by the precision current-loop receiver RCV420 after converted into current by the precision voltage-to-current converter XTR111 in order to transmit at long distance. After converting the analog voltage into digital signal, the controller named MSP430F449 display the water temperature in LCD . Key Words：：：：Electrical Bridge, Transmitter, Water Temperature, Display, MSP430 2 一一一一、、、、作品简介作品简介作品简介作品简介：：：： 1．．．．基本部分基本部分基本部分基本部分 (1) 制作一个电压型水温变送器，要求采用电阻模拟电阻式温度传感器，电 阻 100~200Ω，对应水温测量范围为 0~100°C，可调电阻与信号调理部分分离， 采用接插件连接，连线长度不小于 0.5米。 (2) 变送器对应 100~200Ω的输出电压为 1~5V，变换线性度为不大于 0.1%。 (3) 制作一个水温显示器，要求能够采集水温变送器输出的 1~5V电压信号， 并数字显示，要求测量精度为 0.1°C，显示分辨精度为 0.01°C。 2．．．．发挥部分发挥部分发挥部分发挥部分 (1) 在水温显示器中设计一路输出电源，要求其输出电压为 24V±0.12V，输 出电流不小于 50mA。 (2) 将水温变送器设计为电流型水温变送器，100~200Ω对应的电流输出为 4~20mA，变换线性度为 0.1%，输出线的长度不小于 1米，输出负载 100~300Ω 可变，变送器部分可采用单独的电源，水温显示器要求能够采集电流信号，要求 同基本部分。 (3) 水温变送器采用水温显示器输出的 24V 电源供电，其电源线长度不小 于 1米，并使 100~200Ω可调电阻对应电源电流为 4~20mA，变换线性度为 1%。 水温显示器要求能够采集电源电流信号，要求同基本部分。 (4) 其它。 二二二二、、、、作品实现作品实现作品实现作品实现 1．．．．方案论证与比较方案论证与比较方案论证与比较方案论证与比较 方案一方案一方案一方案一：：：： 采用电桥，通过仪表放大器 INA122采集电桥的电压差，再经调整电路及运 算放大器放大得到 1~5V的电压信号，然后直接经 PIC18F452内置 AD采样转换 成数字信号，再由单片机运算处理并控制 LCD输出显示。设计成电流型变送器 时则将采集的电压经 XTR111转换成电流信号，并在接收端由 RCV420转换为电 3 压信号，然后由 PIC18F452内置 AD转换器采集信号，将信号处理后由 LCD显 示。该方案能较好的实现设计的要求，并且之前我们一直用 PIC的单片机，能够 很好的完成设计任务，但该单片机的 AD转换精度不够高，同时不能满足一般测 量仪器功耗的性能，所以不选此方案。 方案二方案二方案二方案二： 采用稳流二极管制作简单的恒流源，然后把被测电阻接入电路，获得电压 信号，再将采集的电压经运算放大器放大后，直接经 AD采样转换成温度信号经 LCD 输出显示；设计成电流型变送器时则将采集的电压经 XTR111 转换成电流 信号，经 RCV420转换为电压信号，再由 AD转换输入到单片机控制 LCD显示。 该方案优点电压采集实现及电路的制作简单，但是精度难以达到要求。 方案三方案三方案三方案三：：：： 采用电桥，通过仪表放大器 INA122采集电桥的电压差，再经调整电路及运 算放大器放大得到 1~5V 的电压信号，然后将 1～5V 转换为 0.4～2V 电压，由 MSP430F449内置高精度 AD采样转换成数字信号，再由单片机运算处理并控制 LCD输出显示，温度与采集电压的转换关系：温度值=62.5×电压值-25。设计成 电流型变送器时则将电桥及 INA122采集的电压经 XTR111转换成电流信号，并 在接收端由 RCV420转换为电压信号，然后由MSP430F449内置 12位高精度 AD 图 1 方案一的系统框图 图 2 方案二的系统框图 4 转换器采集信号，将信号处理后由 LCD显示。温度与采集电流的转换关系：温 度值=40×电流值。该方案采用电桥然后经运放差放，线性度和准确度都比较好， 转换控制部分采用MSP430F449，AD转换精度高，功耗低。 经比较经比较经比较经比较，，，，我们选择方案三我们选择方案三我们选择方案三我们选择方案三。。。。 2．．．．理论分析理论分析理论分析理论分析 在本次设计中，是用 100~200Ω电阻信号，模拟 0~100度的水温信号，因此， 在变送过程中，必然会对信号进行适当的转化。 (1) 电压变送 本部分采用非平衡电桥，以及放大器组成电压采集调理电路。电路图如图 4。 从图 4可知： Vo1=A×（Vin+ －Vin-） (1) Vo2=A’×Vo1 (2) 图 3 方案三的系统框图 图 4 电压变送调理电路 5 Vo=（VCC－Vo2）R33/（R33+R22） (3) 其中，公式(1)中的 A为可调放大器放大倍数；公式(2)中 A’为固定放大器增益。 从公式(1)可以知道，通过调节 R3 改变 Vin-，达到调零的目的；通过调节 R20 可以调节放大器的增益 A，从而达到调满的目的。而后面的 LM258放大器，第 一级为一固定增益放大器，第二级作为电压跟随器，提高输出带负载能力。Vo2 在经过由 R22和 R33组成的电阻网络，从而得到 1~5V的标准电压输出。 (2) 电流变送 本部分电路包括两部分，即电压采集和电流变送。其中电压采集如图 5。 从图中可知： Vo=（Vin+－Vin-）×A (4) 其中，公式(4)中的 A 为放大器增益，同电压变送部分，通过调节 R3 和 R20 可 以实现对电路的调零和调满。 电流变送是运用 XTR111 把电压采集电路输出的电压 Vo 变换成对应的电流 信号，其电路图如图 6。 由 XTR111的特性得到： 图 5 电压采集电路 图 6 电流变送电路 6 Vout=V1×（R5+R8）/R8 (5) Iout=10（VIN/R12） (6) 其中，公式(5)中 V1为 XTR111内部+3V基准源，因此仅通过设定外部电阻 R5、 R8的值就可以得到所需的电压，在这里，我们选定 R5为 2K、R8为 3K，从而 的 5V电压输出。从公式(6)可以知道，XTR111输出电流正比于输入电压，通过 合理选择 R12的值和 VIN就可以得到所需的 4~20mA的电流输出。 3．．．．系统框图和软件流程系统框图和软件流程系统框图和软件流程系统框图和软件流程 (1) 系统框图如图 7。 图 7 系统框图 7 (2) 软件流程图如图 8。 4．．．．选用选用选用选用 TI 器件的依据器件的依据器件的依据器件的依据，，，，选型理由选型理由选型理由选型理由 (1) 电源芯片选择 电源是一切电路工作的基础， 在本次设计中，除了常用的±9V、5V和 3.3V 电源外，还有＋24V电源。经过与W7824比较，我们选择 LM317。 其中W7824 是固定电压输出三端电源芯片，其输出电压稳定，但是在实际电路中不能按照需 要调节其电压输出电压。LM317 是可调的三端正电源芯片，其输出电压范围为 1.2V~37V，并且有较强的带负载能力，并且输出电压的线性度好。可以更好的 满足所需 24V电源要求，并且可以根据实际需要改变电压输出值。 (2) 放大器选择 放大器作为常用电子器件，在仪表电路中有着很重要的地位，甚至对电路 是否能正常工作起着决定作用。在本次的设计中，通过与其他的仪表放大器对比， 选择了 TI公司的 INA122作为放大电路的核心器件。INA122是精密低噪声信号 采集仪表放大器，内部采用 2个运放设计，使之具有非常低的静态电流的优越性 能，可用于便携式仪表和数据采集系统。并且仅用一个外部电阻，可设定从 5～ 10000的任意增益值。因此可以很好的达到本次设计的要求。 图 8 程序流程图 8 (3) 电压转电流芯片选择 电压转电流芯片是一般电流型变送器的核心。经过 XTR105 和 XTR111 比 较，我们选择 XTR111。XTR105 是美国 BB 公司生产的用于温度检测系统中的 温度—电流变送器， 它可将电阻温度传感器的电阻值随温度的变化量转换成电 流，从而消除线路电阻所产生的误差，并可对铂热电阻中的温度二次项进行线性 补偿， 提高整个系统的线性度和精度，但是在我们的这次设计中，是用 100~200 欧的电阻模拟温度传感器的信号，因此不需要线性修正，所以不能选用 XTR105。 XTR111 是一款专门针对标准 0mA-20mA 或 4mA-20mA 模拟信号而精心设计 的高精度电压至电流转换器，其能够提供高达 36mA 的电流。此外还可以通过 外接电阻器 RSET 可对输入电压与输出电流之比进行设置。外部 P-MOSFET 晶体管可确保实现极高的输出阻抗以及宽泛的恒流制输出电压范围，并且其可调 的 3V～15V 子稳压器输出能够为额外的电路系统提供电源电压。可以满足在变 送部分仅用 24V电源供电就可以满足设计要求。 (4) 单片机选择 单片机作为控制核心，在本次设计中，我们通过MSP430F449和 PIC18f452 的比较，我们选择了 MSP430F449。PIC18F452是一款带 10位 A/D高性能增强 型闪存单片机，高性能 RISC CPU，高灌电流/ 拉电流 25 mA/25 mA，三个外部 中断引脚等一些优点。MSP430 系列是 TI 公司的超低功耗单片机系列产品。而 MSP430F449具有内置 12位高速 ADC、高效 16位 RISCCPU；带有 ESD保护， 抗干扰力特强；同时具有低功耗的性能等。相比较而言MSP430F449能更好的满 足这次设计的要求，因此我们选择了 430F449。 三三三三、、、、所使用所使用所使用所使用 TI 模拟器件简介模拟器件简介模拟器件简介模拟器件简介 1．．．．所使用芯片简介所使用芯片简介所使用芯片简介所使用芯片简介 INA122是精密低噪声信号采集仪表放大器，内部采用 2个运放设计，使之 具有非常低的静态电流的优越性能，可用于便携式仪表和数据采集系统。INA122 工作在很宽的单电源供电下(2．2～36V)，静态电流仅 60μA。用一个外部电阻， 可设定从 5～10000的任意增益值。激光校正保证了极低失调电压及漂移和优越 的共模抑制。 XTR111 是 TI 公司的推出高精度电压至电流转换器/发送器，支持标准 0-20mA、4-20mA及 5-25mA模拟电流，该芯片具有 0.002%的非线性度、1µV/°C 低失调电压漂移以及 7V至 44V的宽泛电源，可输送最高达 36mA的电流，精确 度可达 0.015%，并拥有输出错误侦测及输出停用功能可调的 ，3V～15V 子稳 压器输出能够为额外的电路系统提供电源电压，易于使用且能满足多种应用要 9 求。 MSP430 系列是 TI公司的超低功耗单片机系列产品。这个系列的 MCU具 有极低的功耗，丰富的片内外设，强大的处理能力，稳定的工作状态，非常适用 于要求低功耗、高性能的控制系统。其工作电压范围为：1.8V~3.6V，超低功耗： 在活动模式下只有 280µA电流 ，在待机电流仅有 1.1µA ，在关断模式(RAM保 持)下只有 0.1µA电流，并有五种省电模式。16-Bit RISC指令体系， 125ns指令 周期，内置 12-Bit A/D 转换器，两个 16-Bit Timer ，2个串行通信接口(USART0， USART1)，并可以通过软件选择异步 UART或 SPI通信。 2．．．．硬件设计注意事项及小窍门硬件设计注意事项及小窍门硬件设计注意事项及小窍门硬件设计注意事项及小窍门 INA122在噪声环境或高阻电源应用时，芯片电源端要用电容滤波，且应尽 可能靠近芯片电源脚放置。基准端必须是低阻连接，如有 10Ω 串联电阻，则共 模抑制比将下降约 80dB(G=1)。增益 G=5+200kΩ／RG，公式中 200kΩ 等于 INA122 内部两个反馈回路电阻之和。内部两个反馈电阻是经过激光校正的，因 此外部电阻 RG的选用对增益影响就很大，应选用稳定性好、温度漂移小的电阻。 并且通过在其电源端加上适当的滤波电容，把电源对运放工作的稳定性影响降到 最低，同时也消除了运放对电源网路的影响。在运放的信号输入输入端加上了适 当的旁路电容，很好的屏蔽了交流信号对电路的影响。并且在信号的输出端也增 加了适当的滤波网络，使输出更加稳定。 XTR111 采用了一个可控式电压-电流的外部电阻器。该电路经调试后也可 提供电压输出。XTR111精度为 0.015%，可理想地适用于电流触发型传感器，并 可用作压控电流源。如与外部 MOSFET 相结合，XTR111 可实现电压扩展，支 持低于接地的电压，并易于降低功耗。输出禁用控制特性满足零电流输出的需要。 XTR111可为三线传感器系统设计提供卓越的中心构建块，该设计可通过多种方 式对传感器信号进行预调节，如数字校准传感器信号调节芯片（如 PGA309）、 超低功耗微控制器（如MSP430）以及可带电压基准的仪表放大器（如 INA122、 INA118与 REF31xx）或可带电压基准的低功耗运算放大器（如 OPA335、OPA344 与 REF32xx）。 RCV420 在满量程时的电压下降仅为 1.5V，在环路中串有其他仪表负载， 或者在对变送器电压有严格限制的应用场合非常有用。RCV420无需其它外围器 件辅助，就能实现诸多功能。正负电源脚各接一个 1μF的退耦电容，并尽能地 靠近放大器。为避免由外部电路引入的增益和 CMR误差，接地 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 应注意确保 最小接地电阻。输入信号视其极性或接至＋IN脚，或接至－IN脚，经中心抽头 CT脚返回地端。电压基准的输出 Ref OUT脚应接至 Ref IN，以产生电平偏置。 Ref IN脚不用时必须接地，以维持高共模抑制。增益、偏置和 CMR无需调节， 10 较之由分立器件设计的印制板电路，RCV420具有更低的开发成本、制造成本和 现场维护费用。在检测电阻上并联匹配电阻 RX，可以减小增益，为了维持高共 模抑制，并联电阻的匹配很重要。并联电阻的温度参数的任何不一致，都将引起 增益误差和 CMR的漂移。 3．．．．软件设计注意事项及小窍门软件设计注意事项及小窍门软件设计注意事项及小窍门软件设计注意事项及小窍门 本作品主要用到了 430单片机的 I/O端口的应用及 12位 AD的应用： (1) I/O的应用 端口的每一位可以作为独立的输入/输出，常见的键盘接口电路可以用端口 进行模拟，用终端方式进行控制，像我们这次用到的 Zlg键盘，用一个终端口进 行按键的确认，然后再用两个端口模拟 I2C进行按键的读取，其 I/O端口的功能 十分的丰富，在 P1、P2，端口具有 I/O端口功能，中断能力，和其他外设能力 (2) 12位 AD的应用 在我们这次用到的MSP430F449单片机中包含 12位的 AD转换，可以节省 外部的 AD资源，而且精度能很好的达到设要求。在这里我们用到了单通道单次 转换 现在详细举例说明： 对选定的通道进行单次转换要进行如下的设置 A x=CSStartADD，指向转换开始地址； B ADC12MEMX存放转换结果； C ADC12IFGX 为对应的中断标志； D ADC12MCTLX寄存器中定义了通道和参考电压； 转换完成时，必须使 ENC 再次复位并置位，准备下一次转换。在 ENC 复 位并再次置位之前输入信号被忽略。转换模式可以在转换开始但结束之前切换。 新的模式会在当前转换完成之后起作用。当用户软件使用 ADC12SC位的同时置 位 ENC来启动，然而，当有其他任何触发源用于开始转换，ENC必须在每次转 换之间固定，其他的采样输入信号将在 ENC复位并置位之前被忽略。程序举例： #include "msp430x449.h" Void main (void) { WDTCLT =WDTW+WSTHOLD; P6sel|=0x01; ADC12CTL0=ADC12ON+SHT0_2; ADC12CTL1=SHP; ADC12CTL0=ENC; While(1) 11 { ADC12CTL0|=ADC12SC; While(1)( (ADC12IFG&BIT0) == 0 ); _NOP(); } } 四四四四、、、、MSP430 使用使用使用使用 1．．．．MSP430 外设接口概况及硬件设计注意事项外设接口概况及硬件设计注意事项外设接口概况及硬件设计注意事项外设接口概况及硬件设计注意事项 在使用中，P3.0与 P3.1用于模拟串口与 12864液晶的通信，控制液晶的现 实，P2.0，P3.4与 P3.5用于与 Zlg键盘的通信，P5.2，P5.0，P5.1三个端口控制 与 DS1302时钟芯片的通信，P1.2和 P1.3控制 AT24E2PROM的读取和写入，P6.0 与 P6.1为 ADC12的两个转换通道，分别读取电压型和电流型的模拟输入。在硬 件中应该注意对模拟信号的滤波处理，这样可以确保采样值的稳定度。 2．．．．内部电路的应用技巧内部电路的应用技巧内部电路的应用技巧内部电路的应用技巧 在 ADC12的应用中，因为其有四种转化模式，所以其编程是相当的多样的， 在我们的设计中用到的是单通道单次转换模式，当内部的信号处理与输出显示及 储存结束的时候，启动转换，判断其等待 ADC12ifg 寄存器置位之后 ，读取器 AD 采样值。在硬件电路中，在 dvcc1、dvcc2、avcc 与 dvss1、dvss2、dvss3 之 间都应该加电容滤波，这样可以使采样值更加的稳定。 3．．．．低功耗实现低功耗实现低功耗实现低功耗实现 MSP430单片机是一款超低功耗系列的单片机。有一种工作模式和四种低功 耗模式供其选择，430单片机的各个模块是相互独立、可以定时的，比如定时器、 ad转换、看门狗等都可以在主 cpu 休眠的状态下独立进行。当需要 cpu工作的时 候，任何一个模块都可以通过中断唤醒 cpu，从而使系统的低功耗实现 4．．．．编程感想及软件设计注意事项编程感想及软件设计注意事项编程感想及软件设计注意事项编程感想及软件设计注意事项 MSP430单片机采用精简指令集结构，只有简洁的 27 条指令，大量的指令 则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算，大大简 化了程序的编写，同时开发环境带有丰富的函数库，因此极易上手。其端口类型 丰富、功能强大、寄存器资源丰富，内置 AD模块功能强大，采样速率快，转换 精度高，都给程序的编写带来极大的便利。 软件设计注意在 FLASH写时一定要关闭外部中断，用&表达式做判断时不 要忘记加括号，尽量不要使用中断嵌套，尽量把变量分配为无符号数据类型，对 于指针变量，如果声明后其值不再改变，则声明为 const 类型，这样编译器编译 12 时能更好的优化生成的代码等等。 五五五五、、、、作品达到的性能指标作品达到的性能指标作品达到的性能指标作品达到的性能指标 1．．．．系统测试方法系统测试方法系统测试方法系统测试方法 主要采用软件仿真测试和硬件测试： (1) 软件仿真:采用电桥，通过仪表放大器采集电桥的电压差，再经调整电 路及运算放大器放大得到 1~5V的电压信号变送部分的Multisim软件仿真结果。 电阻值/Ω 电压理论值/V 软件仿真值/V 误差分析/% 100 1 1 0 110 1.4 1.4 0 120 1.8 1.801 0.025 130 2.2 2.201 0.025 140 2.6 2.601 0.025 150 3 3.001 0.025 160 3.4 3.401 0.025 170 3.8 3.8 0 180 4.2 4.201 0.025 190 4.6 4.599 -0.025 200 5 4.999 -0.025 (2) 硬件测试:测试仪器及条件：万用表、变阻箱，测试输入线长大于 0.5m， 电流输送线长大于 1m。 A．电压型温度变送 电阻/Ω 100 110 120 130 140 150 130 170 180 190 200 电压/V 0.997 1.4 1.803 2.205 2.607 3.008 3.408 3.808 4.208 4.607 4.998 温度/℃ 0.062 10.018 19.975 29.989 40.155 50.073 60.029 70.100 80.056 90.089 100.045 线性度计算公式：线性度=[最大误差/（满度-零度）]×100%=[最大误差/(5-1)]×100% B．电流型带负载温度变送(三线) 电阻/Ω 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 电流/mA 3.99 5.58 7.18 8.79 10.40 12.00 13.60 15.21 16.80 18.39 19.98 温度/℃ 0.000 10.180 20.117 29.900 40.032 50.090 60.124 70.232 80.217 90.154 99.975 C．电流型温度变送(两线) 电阻/Ω 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 电流/mA 3.98 5.58 7.19 8.80 10.40 12.01 13.60 15.20 16.81 18.38 19.98 13 温度/℃ 0.000 10.180 20.117 29.900 40.032 50.090 60.124 70.232 80.217 90.154 99.975 线性度计算公式：线性度=[最大误差/（满度-零度）]×100%=[最大误差/(20-4)]×100% D．24V电源测试 测试条件 不带负载 带负载(470Ω) 电压(V) 24.01 24.01 2．．．．测试性能概览测试性能概览测试性能概览测试性能概览 分析以上数据可知，电压型变送时，用软件仿真测试非常好的达到要求。 在硬件测试中其调零、调满也都达到了题目要求，经计算得，电压型变送的线性 度为：0.2%，因此，可以满足题目要求。电流型变送时，从上表可知，其调零、 调满均达到了要求，其中电流型变送的线性度为：0.125％，达到了题目的要求。 电源部分测试结果电源输出电压为 24.01V，达到设计要求。 3．．．．误差分析误差分析误差分析误差分析 (1) 单臂非平衡电桥测量电阻时会存在非线性误差，具体分析如图 9。 从电路可以得到： Vin-=U×R4÷（R2＋R4） (7) Vin+=U×R3÷（R1＋R3） (8) Vo=A×（Vin+－Vin-） (9) 其中，U为电桥的电源电压，A为运算放大器的增益。从公式(7)可以看出， 只要当 R4固定不变时，Vin-也就固定不变。从公式(8)，可以得到当 R3变化时， Vin+也变化，从而使（Vin+－Vin-）变化。但是从公式(8)可以看出，Vin+与 R3 并不是线性关系，这就是单臂非平衡电桥产生非线性误差的原因。 (2) 由于采用蜂窝板搭建电路，电路连接中连线较多，在信号流通中产生噪 声影响 (3) 滤波电容的对电压的影响 (4) 电位器等易损元器件的误差 图 9 单臂非平衡电桥测量电路图 14 4．．．．进一步改进进一步改进进一步改进进一步改进 (1)在设计中可选择精度更高的电位器，可以减小电阻漂移对作品性能的影 响，降低变送线性度。 (2) 从误差分析可知，只要在单臂非平衡电路部分，加上适当的反馈修正， 就可以减小非线性误差，降低变送线性度。 (3) 在软件部分，AD采样加上软件滤波器算法，可以提高显示的精确度和 稳定度。