低 功 耗 单 片 机 二 线 制 智 能 式 变 送 器
引 言
二线制热电阻温度变送器是将温度信号线性地 变换成 4~20mA 直流标准输出信号。由于模拟二线 制 温 度 变 送 器 大 都 由 分 立 元 件 组 成 ，温 漂 较 大；同 时热电阻本身存在非线性， 所以要进行非线性处 理 。模 拟 元 件 在 处 理 上 存 在 较 大 的 问 题 ，因 此 精 度 大都不高，一般在 0.5~1.0级。随着微处理器功耗的 极大降低和新器件的不断出现， 以 “A/D+ 微处理 器 +D/A”[1]为模式的智能变送器，在信号的处理、测 量精度、仪表维修和维护等方面与老式变送器相 比 ，具 有 无 可 比 拟 的 优 势 ，是 今 后 变 送 器 的 主 要 发 展方向。
由图 4 可见，数据运算系统的硬件电路较为简 单 。仪 器 只 设 有 四 个 操 作 键 ，通 过 软 件 管 理 ，完 成 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量电流值调节等控制命令。
１．４ Ｖ／Ｉ变换模块
V/I 变换模块电路如图 5 所示，由 D/A 和 V/I 变
大 器 的 输 入 端 ，而 且 极 性 与 输 入 电 压 信 号 反 相 ，形
成一个电流并联负反馈电路。
由 于 运 算 放 大 器 的 输 入 阻 抗 很 高 ，流 入 运 算 放
大器输入端的电流可以忽略。在 R5、R6>>Rf的条件 下， 流经 R5、 R6 的电流与 I 相比可以忽略。由运
o
算放大器正负输入端电位近似相等，假设 R4=R3,
R6=R5， 可得
Vi
?
( I o RL
?
Vi )
R3 R3 ? R5
?
Io (Rf
?
RL )
R3 R3 ? R5
简化得
Io
? Vi ?
R5 Rf ?R3
S1
RESET +5V
R1 10kO
PTOUT
C3
20pF C4
Y1 1MHz
20pF LCDCK LCDDI
图 1 中的粗线为电源流程，细线为信号流程， 两根外接导线既是电源线也是信号线。 4~20mA 信 号 体 制 为 二 线 制 设 计 提 供 了 可 能 性 。当 被 测 信 号 的 量程从 0~100% 变化时， 对应两根传输线上电流变 化为 4~20mA， 因此要求整体包括微控制器在内的 电路静态工作电流小于 4mA。RL为信号采样负载电
持单调性。 V/I 变换部分采用负载共地方式， 运算
放大器采用 TI 公司的高速低功耗精密运算放大器
TLE2012、 精密电阻 R3、 R4、R5、 R6、Rf、 R8、T1
组成。V 为输入电压，I 为输出电流，R 为反馈采
i
o
f
样电阻， R5 为限流电阻，R 为负载电阻， R8 为限 L
流电阻。R 采样电流信号以电压的形式加到运算放 f
智 能 式 二 线 温 度 变 送 器 由 电 源 管 理 模 块 、信 号 处理模块、 数据运算模块、 V/I 变换模块组成，电 路结构如图 1 所示。
+(17~28V) 3.0V
电源管理
信信 数
R信号 号
号
据
采处 运
集理 算
V/I 变 换
－ RL 250O
(4~20mA)
图１ 智能式二线温度变送器系统结构框图
+
1kO
Pt 1000 R11
6.8kO
IND U/D
DR1
X9C504
+5V
1 2
INC U/D
VCC CS
8 7
CS1
3
RH
RL 6
4
VSS
5 RW
PTOUT
R1 8 41kO
R17 41kO
图３ 信号处理模块电路图
58
２００３．９
APPLICATIONNOTES 应用天地
（ EEPROM ）、14 个 中 断 源；具 有 低 功 耗 睡 眠 模 式（ 可 中 断 唤 醒 ）和 片 内 看 门 狗 定 时 器（ W DT），易 于 实 现低功耗抗干扰设计。此外，PIC16F877与其它 8位 微控制器相比，代码压缩速度提高了 4 倍，器件性 能大大提高。 因此， PIC16F877 是低功耗智能仪器 较为适宜的微控制器。
阻，在供电电源 17~30V的前提下，回路 4~20mA 电 流由热电阻信号 R确定。
通 过 框 图 可 以 看 到 ，首 先 ，对 信 号 源 所 产 生 的 信 号 进 行 采 集 。然 后 ，通 过 信 号 处 理 模 块 对 信 号 进 行 放 大 处 理 ，再 由 数 据 处 理 模 块 进 行 信 号 的 软 件 线 性化处理。最后，通过 V/I 变换模块把线性反映温 度变化大小的信号调制成电压信号后转换成相应电 流信号（0~16mA），加上系统的静态电流 4mA，形 成 4~20mA 的电流信号， 通过二线电流线输出。
应用天地
APPLICATION NOTES
+24V GND
100kO W0
IN4148 D1
1
C2 0.1µF
2 3
LDO
IN GND OUT
DC02 MAX619 +5V 1 IN OUT 2 +3V
GND
+ C5
4.7µF
IN 5 FB 4
MAX1616
R1
R2
+5V
750kO 250kO C1
9 RE1/WR/AN6
32 VDD
10 11
RE2//CS/AN7 VDD
VSS RD7/PSP7
12 VSS
RD6/PSP6
13 14
OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT
RD5/PSP5 RD4/PSP4
15 16 17
RC0/T1OSO/T1CKI RC7/RX/DT RC1/T1OSI/CCP2 RC6/TX/CK
+
热电阻温度传感器封装在接线盒内， 其接线电阻可以忽略， 电桥中间两 点电压作为差动运算放大器的输入信 号， 分别为 ：
V1 ?
3?
R9 R9 ? R12
V2
?
3?
R11 ?
R10 W1 ?
R10
? V ? V1 ? V2 该信号再经过差动放大对微弱信
号进行放大。其中电容 C12是滤波电 容 ，用 来 防 止 信 号 受 外 界 信 号 干 扰 。
１ 智能式二线制变送器的硬件设计
由 于 采 用 微 控 制 器 作 为 核 心 ，因 此 要 求 微 控 制 器 和 外 围 器 件 必 修 采 用 低 功 耗 器 件 ，必 须 保 证 其 整 体电流小于 4mA。 下面介绍各部分工作原理。 １．１ 电源管理模块
普通的二线制变送器由于采用模拟器件来实 现， 因此对电源的功耗要求较低， 一般采用 78 系 列稳压模块，其工作电流一般为 1~2mA。但对于智 能变送来说相对较大，如图 2 所示，采用 Maxim 公 司的高电压低功耗线性变换器 MAX1616 作为电压 变换器。该器件具有如下的特点 ：4~28V电压输入 范围 ； 最大 80 μA 的静态工作电流 ；3.3V/5V 电压 可选输出；30mA 输出电流；± 2%的电压输出精度。 采用该器件将输入的 24V电压变换成 5V电压，给外 围 5V 的器件供电。 为进一步降低微控制器的功耗
+ C12 4.7µF
+3V
R9
R10
30kO 200kO
V1
R13 10kO R14 10kO
V2
+5V －
IND R15 U/D
300kO AR2
R1 6
DR2
X9C103
1
INC VCC
2
U/D
3
RH
CS RL
4VSSຫໍສະໝຸດ RW+5V
+5V
8
7
CS2
6
5
+
10kO
TLC27L2
AR3
－
TLC27L2 R19
在图 3 所示的信号处理模块中，采用 TI公司的
补 偿 ，本 变 送 器 是 通 过 微 控 制 器 软 件 实 现 的 ，这 将
TLC27L2 完成信号的放大与输出。 TLC27L2 是低功
在变送器的软件设计中加以说明。
耗 精 密 运 算 放 大 器 ，其 特 点 是：单 电 源 供 电 ，超 低 功耗 （25℃，5V 时， 电流为 19 μA），采用数字电 位器 X9C103 和 X9C504 作为信号的调零和放大。其 中 X9C103 和 X9C504 分别是 1K 和 50K 具有 100 个抽 头 的 低 功 耗 数 字 电 位 器 ，由 微 控 制 器 控 制 ，对 变 送
APPLICATIONNOTES 应用天地
用 ＰＩＣ１６Ｆ８７７ 构成的二线制温度变送器
■ 哈尔滨理工大学 李欣 徐军
摘 要 关键词
介绍一种基于 Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ 低功耗单片机 ＰＩＣ１６Ｆ８７７的新型智能二线制热电阻（Ｐｔ１０００）温度 变 送 器 的 电 路 设 计 。分 析 系 统 设 计 的 理 论 依 据 和 软 硬 件 实 现 方 案 ，采 用 温 度 补 偿 算 法 使 补 偿 后的精度等级达到 ０．１％ＦＳ。 该智能式变送器具有精度高、可靠性好、现场显示、生产调试 方便等特点， 是老式二线制温度变送器的理想替代产品， 具有很好的应用前景。
和提高数据处理精度，再把 5V 电压经过 MA X619
（低功耗高精密电压基准源）输出一个 3V高精密的 电压基准，对微控制器供电，并且为 A/D转换提供 参考电压。 其中二极管 D1 是一个保护二极管，防 止输入电压接反可能带来的对电路的影响和破坏。