电阻式水温变送器

secret

摘要：本系统在信号采集部分分别以REF200及XTR105采集电阻的阻值，再以电压信号或电流信号反映出来。在变送部分以REF200采样后通过放大器及减法器输出1~5V电压为电压变送器，再通过XTR111送出4~20mA电流为三线制电流变送器，以XTR105对电阻直接采样后送出4~20mA电流为二线制电流变送器。当输出为1~5V电压时，在系统显示部分以MSP430F149功耗单片机作为AD采样与液晶驱动控制器，输出为4~20mA时，以100Q电阻采样后用INA128放大2.5倍转换成1~5V电压或通过RCV420输出0~5V电压给MSP430F149低功耗单片机采样，并控制液晶显示出来。本系统成功做出了这三种变送器。

Abstract: In this system, signal acquisition and REF200 were part of the acquisition XTR105 sheet resistance, and then to signal voltage or current signals reflected.
REF200 to the transmission part of the sample after the subtraction through the amplifier and output voltage of 1~5V voltage transmitter, and then through theXTR111 out 4~20mA current three-wire current transmitter, XTR105 resistance to the direct sample sent after 4~20mA current transmitter for the current second-line system. When the 1~5V output voltage, the system shows that some of the MSP430F149 to power as a single-chip LCD driver and AD controllers Sample,4～
20mA output, to 100 after the sampling resistor with 2.5 times magnification INA128
into 1~5V or 0～5V output voltage according to RCV420 to the MSP430F149
low-power single-chip sampling and liquid crystal display out of control. The success of the system to make three sets of this system.


一、作品简介（设计目标，详细指标要求）
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℃，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0.1C，显示分辨精度为0.01C。

4.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。

5.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。

6.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一米，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。


二、作品实现
1.设计方案论证
1.1信号调理部分
【方案一】
双运放电桥，使用电桥使不同的电阻值对应不同的电压值输出，如图A-1所示。
根据运放原理，可得到




从上式可以看出v.与AR呈严格的线性关系，且AR变化的范围很宽。V是电桥灵敏度系数，提高v值可以提高电桥灵敏度。但是如果地点为b点，v的提高将受到运放共模电压的限制。双运放线性电桥的灵敏度，在同样条件下，比单运放电桥的灵敏度高一倍。该电桥的输出不以地为公共点。
【方案二】
取一个千分之一精度的功率电阻R（已测出其准确值），电阻的温漂系数很小，可以认为电阻阻值在测试过程中没有改变。所以通过被测电阻与标准电阻R电压比，便能算出被测电阻值。我们用AD采样R与被测电阻上的电压，根据其比例相应线性地用DA输出0.25V到1.25V的电压，然后把此电压进行2倍放

【方案三】
用恒流源REF200使被测电阻产生电压信号，再用INA128放大，输出4-8V电压，最后用一个减法器减去3V电压使最终对应输出1~5V电压。其中REF200，INA128及减法器的功耗都很小，并且此电路非常精准。


【方案四】
用XTR105直接采集电阻阻值并以电流形式反映出来，这种方案是二线制的，其电路非常简单，且精度非常高。
1.2信号传送部分【方案一】电压变送直接把信号调理部分最终产生的1~5V电压进行线性传送。

【方案二】电流变送
（1）把信号调理部分产生的1~5V电压通过XTR111，使其对应线性输出4~
20mA电流再通过传输线传送。

（2）直接用XTR105测量被测电阻阻值使其对应线性输出4~20mA电流。

1.3信号采集部分
1.3.1针对电压变送器
用TI公司的芯片AD8505采样，传值给MSP430计算后控制液晶显示出来。

1.3.2针对电流变送器

【方案一】
用LM324搭一个I/V转换电路。如图A-2所示。
其对零点的处理是在反相输入端上加一调整电压，其大小刚好为输入4mA时在RL上的压差。有了运算放大器，使得RL的阻抗更小，因为这时信号电压不够大的部分可以通过配置运放的放大倍数来实现。这样就可以真正把4～20mA电流转换成0~5V电压了。


【方案二】
用100Ω精密电阻采样，再用INA128线性放大成1~5V电压。

【方案三】
用RCV420，可以将4~20mA的电流直接线性地转化成0~5V的电压。

1.4电源部分
【方案一】
用7824线性稳压器，直接输出24V电压。

【方案二】
用TI公司器件LM317，线性输出可调电压。

1.5方案比较论证及选择

（1）信号调理部分
方案一：我们曾用过此方案进行制作，不过结果不令人满意，若要提高灵敏度，便要减小平衡电阻，提高输入电压与工作电压，运放很容易进入饱和区，引入了电桥的不稳定因素。
方案二：对输入电源要求较高，我们在采用双路AD采样时发现采过来的电压抖动较为严重，不利于单片机控制DA输出，而且精度不易达到题目要求。
方案三：REF200是TI公司一款非常精准的恒流源，使用非常方便，INA128也是TI公司一款非常好用的仪用放大器，线性放大电压得到4~8V电压，且其静态工作电流非常小，有利于低功耗的实现。所以我们采用此方案做电压变送器及三线制电流变送器。

方案四：XTR105可以采集电阻阻值对应线性输出4~20mA的电流，而且此芯片是专门针对两线制设计的，使用起来非常方便。所以我们选择此方案做二线制电流变送器。


（2）信号传送部分
方案一：方法简单，但在信号需要远距离传输或在电网干扰的场合，电压输出型传感器的使用受到了极大限制：其抗干扰能力较差，线路损耗破坏了精度，有时输出的电压上还叠加有交流成分，使单片机产生误判断，控制出现错误，严重时还会损坏设备。且输出1~5V电压信号不利于远传，使其精度大打折扣。

方案二：能够在变送器线路不通或损坏时通过检测能否采集到正常范围内的电流（正常时最小值也有4mA），来判断电路是否出现故障，因此得到更为普遍的使用。
①三线制电流变送
一根正电源线，两根信号线，其中一根共GND。即用一个独立的电源给水温变送部分供电，信号电流通过传输线传送水温显示部分。

②二线制电流变送
二线制传输方式中，供电电源、负载电阻和变送器是串联的，即两根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号。此电源由显示部分提供，这根电源线也同时作为信号线，上面传送4~20mA电流。

（3）信号采集部分
①电压变送器
针对的是电压变送的时候，直接对变送出的电压用MSP430进行采集，方案直观且容易操作。
②电流变送器
方案一：使用运算放大器也会带来一些麻烦：运放的失调或漂移，及应运放的供电与单片机电路供电稳定性的要求电源电压是否可以保证足够稳定，运放的的输入是否对信号有分流影响，及运放是否在整个信号范围内放大呈线性等等问题，造成这种电路的实际效果不如人意。最大弊端还是精度和效率不能兼得，若一味提高精度，很容易因为运放的功耗限制而造成运放工作于饱和区，因而此方案被放弃。


方案二：电路简单，稳定。因此采用此方案做三线制变送器的采集部分。
方案三：XTR105电路简单且精度很高，功耗很低，可以很好地达到要求，所以用此方案做二线制变送器的采集部分。

（4）电源部分
方案一：7824所做的电源要求变压器送出的有效值电压高于26V以上方能获得稳定的24V输出，且易发热，若选择此方案，我们就需要在器件后面加上一块大的散热片，很占体积且不方便。
方案二：LM317是TI公司一款可调的线性稳压器件，变压器送出的电压只需高于24V即可，方便而且可调，发热也很小，可以控制在很小的范围内，故选择此方案。

2.理论分析
本题我们做了三套系统。
2.1电压变送系统
电压变送系统总体设计如下所示：




2.1.1REF200输出（如图A-3所示）



2.1.2仪放放大部分由INA128输出4~8V电压（如图A-3所示）
放大倍数为




所以Rg=251.3Ω
2.13基准源LT1009（如图A-4所示）通过调节Ra和R，可以输出精确稳定的2.500V，且此基准电压可调。


2.14减法器，使输出为1~5V（如图A-5所示）取R1=120K



要实现3V的减法器，所以



得出R1=120KΩ；R2=100KΩ；R3=100KΩ；R4=120KΩ；R5=50kΩ。

2.2三线制电流变送系统
三线制电流变送系统框图如下图所示。




2.2.1XTR111输出4~20mA电流
因为   

2.2.2信号采集部分（使用INA128）输出电流为4~20mA，采样电阻为100Ω，所以电阻上电压为0.4～2V，单片机采1~5V电压，所以放大倍数应为Gain=2.5
又



所以Rg1=33.33kΩ

2.3二线制电流变送系统二线制电流变送系统框图如下图所示。



2.3.1XTR105（如图A-6所示）



3.系统框图和软件流程
（1）电压变送系统




作用：
①REF200：可以产生200uA的电流，使100~2002线性输出20~40mA电压。
②INA128：放大电压信号，使产生4-8V电压。
③LM358：运放，做3V减法器，使输出1~5V电压。
④LT1009：基准源，产生2.5V电压信号，做为减法器反相端的输入。
⑤MSP430：低功耗单片机，用于AD采样和液显显示。

（2）三线制电流变送系统




XTR111：把1~5V电压信号转变成4~20MA电流信号。
（3）二线制电流变送系统




作用：
①XTR105：把电阻信号变为电流信号输出。
②LM317：电源芯片，使输出可调电压。③RCV420：把电流信号变为电压信号。

（4）软件流程：




4.硬件设计注意事项
①使用运入的时候要注意其是单运放还是双运放，最好使用双运放，其性能比较稳定，而且在使用的时候要注意，不要进入饱合区了。
②在用DA采样的时候要注意你所需的精度，位数用得太低则达不到要求，太高又很浪费。

三、MSP430使用
在这次设计中，我们把MSP430与TI公司16位AD芯片ADS8505联合使用来采集变送部分产生的电压，电流信号。我们一共用了19个I0口与此芯片进行通信。其中16个I0口为数据口，另外三个用于命令端口。在硬件设计时，应当注意滤波器的设计，要使接收到的数据无明显抖动，需要在数据进入ADS8505的时候进行滤波处理，我们用了电容对其进行了滤波处理，效果比较理想。

四、作品达到的性能指标
1.系统测试方法
由于本系统要求的指标多且复杂，在测试的时候要尤其注意。我们采用的是分别对每套方案进行测试，在实验室条件下，首先把第一套方案的电路搭出来，进行各项数据的测试，并进行记录，然后再分别搭第二，三套方案的电路后进行测试，记录。

2.测试性能概览




3.误差分析
对系统一，误差主要来自测试的电阻箱自身的系统误差和减法器的误差，考虑到运放的温漂等因素，我们在做减法器的时候用了三个精准电阻，而另外一个用的是电位器，由于我们在调电位器的时候可能引入不稳定因素，导致了减法器精度下降。系统二在系统一的基础上用了XTR111芯片，同上，在放大倍数问题上，我们仍然用了电位器，引入了不稳定因素。对第三个系统，我们从数据上可知，数据线性度非常好，因此我们认为误差主要来自系统误差。

4.进一步改进
本系统存在很多不足的地方，如我们用的铜铀线不稳定，导致我们的系统容易受到外界干扰，我们在测试的时候就出现了由于环境改变而数据不一样的悲剧，经过一些干扰措施方才避免了外部环境的干扰，我们完全可以用另外的铜导线来代替铜铀线进行设计，既可以避免干扰，又可以节省成本。另外，如果时间允许，我们可以对测试的数据用Matlab进行修正拟合，能够大大提高显示的精确性。

春风十里

谢谢分享

wy2589

谢谢分享