引 言

二线制热电阻温度变送器将温度信号线性地变换成4～20 mA直流标准输出信号。模拟二线制温度变送器大都采用分离元件组成，存在较大的温度漂移；同时热电阻本身存在非线性，其精度大多不高。随着微处理器功耗的降低和新器件的不断出现，“A／D+微处理器+D／A”模式的智能变送器在信号的处理、测量精度、仪表维修和维护等方面存在较大的优势。

1 系统结构

智能温度变送器在系统结构上分为电源管理模块、信号采集模块、信号处理模块、数据运算模块、V／I变换模块，如图1所示。

2 硬件组成

由于采用微处理器作为核心，因此要求微处理器和周围器件必须采用低功耗器件，保证其整体电流小于4 mA。

2.1 电源管理模块

采用Maxim公司的高电压低功耗线性变换器MAX1616用于电压变换。该器件将输入的24 V电压变换成5 V电压，给外围器件供电。为进一步降低微处理器的功耗和提高数据处理精度，再把5 V电压经过MAX619输出一个3 V高精度的电压基准，对微处理器供电，并为A／D转换提供参考电压。

2.2 信号处理模块

采用TI公司的TLC27L2完成信号的放大与输出，采用数字电位器X9C104和X9C504用于信号的调零和放大，如图2所示。其中X9C104和X9C504由微处理器控制，对变送器进行数字调零和满量程调整。R1、R2、R3、X9C104和Pt1000热电阻组成测温电桥，利用X9C104可以对不同量程的变送器进行零点调整。电桥中间两点电压作为差动运算放大器的输入信号，经过差动放大，通过微处理器对X9C504的控制来获取可变的放大倍数。对于热电阻的非线性补偿是通过微处理器软件实现的。

2.3 数据运算模块

数据运算模块采用Cygnal公司的C8051F017，与80C51的指令完全兼容，具有标准80C51的所有部件，内部还带有4路10位A／D转换器、32 KB片内Flash存储器、2 304 B数据存储器、2路12位A／D转换器、22个中断源、支持I2C和SPI总线，主要实现A／D变换、被测信号转换、键盘扫描、电压输出、信号分析处理及信息显示等功能。它具有低功耗等待、停机方式及片内看门狗定时器，采用CIP-51流水线结构，70％的指令执行时间为1～2个系统时钟周期。此外，采用2.7～3.6 V的工作电压，通过JTAG接口可进行非侵入式、全速的系统调试。

温度信号经过信号处理模块后，送人C8051F017的4脚。通过28脚接“+”键，26脚接“-”键，对数据进行加减操作；29脚接“设置”键，选择调整对象；37／38脚分别接LCD显示器的时钟和数据端口；30／31脚分别接X9C104和X9C504的片选信号；36／35脚分别接X9C104和X9C504的调整脉冲信号和电阻上升／下降信号。

此数据运算模块的硬件电路较为简单，只设4个操作键，通过软件管理，实现温度测量基准值调节、温度测量斜率值调节、基准电流值调节和满量程电流值调节等功能。

2.4 V／I变换模块

V／I变换模块电路如图3所示。V／I变换部分采用负载共地方式，由TI公司的高速低功耗精密运算放大器TLE2021、精密电阻R1～R6及T1组成。Vi为输入电压，Io为输出电流，R5为取样反馈电阻，R3、R6为限流电阻，R7为负载电阻，R5取样电流信号以电压形式加到运算放大器的输入端，形成1个电流并联负反馈电路。

2.5 系统功耗

经测试，电源管理部分主要器件MAX1616的静态电流为80μA，MAX619的静态电流为100μA。信号处理部分主要器件X9C104和X9C504的静态电流各为500μA，TLC27L2的静态电流为120μA。数据运算部分主要器件C8051F017的静态电流为1 mA。V／I转换部分主要器件TLE2021的静态电流为230μA、ICL7660的静态电流近似为200μA。其他元件大约为500 μA。该系统的总体静态电流为3.37 mA。

3 软件组成

3.1 A／D转换

为使A／D转换器满足一定的转换精度，就必须让取样电路的保持电容有足够的充电时间。系统采用1 MHz晶振，A／D转换时钟周期选择16个系统时钟周期。其转换程序为：

3.2 线性化处理

多数传感器的输出信号与被测参数之间均呈非线性关系，这是造成测量精度低、误差大的主要原因。热电阻的输出电压与被测温度之间也是非线性关系，对非线性的补偿，采用查表法和计算法结合的插值法。通过精密电阻箱模拟铂电阻的分度表，每隔5℃获取其10位A／D转换结果，显示在LCD上，得到关于被测温度与A／D转换数值对照表。通过该表可以建立起被测温度与A／D转换数值之间的对应曲线，采用线性插值法进行插值(有时为提高精度，也可以采用抛物线插值)。

结 语

基于热电阻的智能二线制温度变送器，经过单片机数据处理后，精度可以保证在0.1％，把-30～+95℃范围内的温度信号转换为二线制4～20 mA Dc的电信号传输，传输距离远，抗干扰能力强，温度影响≤0.05％／℃，负载能力<600 Ω，具有现场显示变送一体化功能。同时采用数字电位器实现零点和满刻度的调整，操作简单直观，准确度高。