基于SH79F165单片机的工业仪表应用
中颖电子股份有限公司微控制产品事业部高级工程师曹中信
摘要：本文介绍了基于中颖SH79F165单片机的工业仪表应用与方案构成，特别针对温控器、变送器等工业仪器仪表领域，详细介绍了硬件电路构成，并作出详细分析，以及设计应用中的注意事项和要点。
系统采用集成高精度Σ-ΔADC 的SH79F165单片机作主控芯片，外围电路精简，方案成本低廉，且系统抗干扰能力强，工作稳定。
关键字：SH79F165 溫控器变送器高精度模数转换器可编程增益放大器PGA
1.引言：
仪器仪表是一个非常广泛的概念，其应用领域主要覆盖了工业、农业、交通、科技、环保、国防、文教文生、人民生活等方方面面。
就工业领域方面，仪器仪表的应用领域主要在石油、化工、电力、冶金、造纸、制药、建材等方面。
从信号来源和处理上分类，仪器仪表可分为发信端和收信端。
发信端为一次仪表，属现场仪表，是一种将现场采集到的物理信号并通过变送器转换进行上传的设备。
主要包括：温度、压力、流量、液位等变送仪表；收信端为二次仪表，属显示控制仪表，是一种对发信端的信号进行分析计算后作出相应的调节、控制和显示的设备，主要包括温控器、记录仪、显示仪表等。
2.硬件设计
在硬件电路设计方面，本文采用SH79F165单片机作主控芯片，SH79F165内建20位Σ-Δ模数转换器(ADC)、低噪声可编程增益放大器(PGA)，适合小信号采集应用。
其内建高精度模数转换器，厂家规格所示有效精度达16-bit以上，即60000以上的出码率。
完全满足一般工业温控器、变送器、流量计等应用。
由于SH79F165内建资源丰富，既能节省外围电路，又方便系统调试，而且也能有效提高系统EMI性能。
2.1主控芯片
SH79F165是上海中颖电子生产的单芯片MCU，是一款集成20位Σ-Δ模数转换器的Soc，其主要应用领域为工业温控器、变送器，以及商业电子秤行业等。
内建可编程放大器(PGA)增益范围为12.5～200倍，适用于各种工业热电偶、热电阻信号测量。
SH79F165是一种高速高效率8051兼容单片机。
在同样振荡频率下，较之传统的8051芯片它具有运行更快速，性能更优越的特性。
SH79F165保留了标准8051芯片的大部分特性。
内建资源包括适合于程序和数据的16K字节Flash，512字节RAM和4个16位定时器/计数器，1个UART和外置中断INT0、INT1、INT2。
为了达到高可靠性和低功耗，SH79F165集成了看门狗定时器，具有低电压复位功能，另外还提供了2种低功耗省电模式：空闲模式和掉电模式。
SH79F165内建128KHz RC振荡器和16.6MHz RC振荡器，系统时钟选择128KHz RC振荡器时，系统功耗约30uA；当系统进入掉电模式时，最低系统功耗仅3uA。
在掉电模式下，可通过设定定时器3(timer3)来作时钟唤醒，以固定的间隔频率
让系统工作，此应用方式能有效节约系统功耗。
因此，SH79F165单片机很适合低功耗系统应用，特别是蓄电池和干电池产品应用。
下图为SH79F165的引脚封装图: (SOP28)
FLT/P0.2 T3/P0.3
P1.7
P2.0P0.1/PWMN P0.0/PWMP
P2.2/AIN2-P2.1/AIN2+ P2.5/AIN0+ P2.6/AIN0-VDDR
C
VDD AGND GND
P2.3/VIN+ P2.4/VIN-
TCK/T2EX/INT0/P1.4
TDI/T2/P1.3 AIN1+/INT1/P1.5
AIN1-/INT2/P1.6P2.7/VREF
TDO/RXD/P1.1
TMS/TXD/P1.2
BUZ/P1.0
XTAL1/T0/P0.5
XTAL2/T1/P0.6
RST/P0.4
(图1)
2.2温控器/变送器应用
温控器是一种通过采样输入信号，经微控制器运算处理后，根据用户设定的特定参数，产生输出控制、报警或显示的仪表设备。
温控器常见输入信号如下：
a.热电偶输入：B、E、J、K、N、R、S、T
b.热电阻输入：Pt100、Pt1000、Cu50、Cu100
c.电流输入(mA)：0～20mA，4～20mA
d.电压输入(mA)：0～1V，0～5V，0～10V
e.频率信号输入：正弦波、三角波、方波
温控器常见输出信号如下：
a.继电器输出：多组继电器接点
b.电流输出：4～20mA
c.电压输出：0～1V，0～5V，0～10V
d.报警输出：蜂鸣器报警输出
在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。
在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，其工作原理是两种不同成份的导体两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。
另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。
热电偶根据不同的构成材料可分为：B、E、J、K、N、R、S和T型。
与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。
因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。
目前主要有金属热电阻
和半导体热敏电阻两类。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，它的主要特点是测量精度高，性能稳定。
热电偶与热电阻都是一种感温元件,是一次仪表。
下表为常用热电偶与热电阻的主要规格参数：
序号分度号分辨率℃測量范圍℃傳感器類型
1 B 1 700~1800
鉑銠30-鉑銠6熱電偶
2 S 1 0~1600
鉑銠10-鉑熱電偶
3 R 1 0~1800
鉑銠13-鉑熱電偶
4 K 1 0~1300 镍铬-镍硅熱電偶
5 E 1 0~800 铜-铜镍熱電偶
6 J 1 0~1000 铁-铜镍熱電偶
7 T 1 -200~400
镍铬硅-镍硅热电偶
8 Pt100 0.1 -199.9~600.0
铂热电阻R=100Ω
9 Cu50 0.1 -50.0~150.0
铜热电阻R=50Ω10 Cu100 0.1 -50.0~150.0 铜热电阻R=100Ω
图3为温控器原理图(示意图)，SH79F165的AIN0差分端口作热电偶输入，AIN1差分端口作热电阻输入，AIN2差分端口作热敏电阻输入，用于测量室温。
SH79F165ADC的参考电压采用外灌方式，由AD431提供稳定的2.5V输出，经电阻分压为0.8V后输入到VREF引脚。
VIN+/-引脚为内建PGA输出端口，两引脚之间需接104电容，作用是滤除共模噪声。
SH79F165规格书所示PGA模拟输入端共模电平范围为0.4V～2.0V，热电偶是一种有源器件，输入到AIN0时，需要对热电偶提供共模电压，详见应用示意图，本文共模电压从VREF2.5V基准源分压成0.6V提供给热电偶负端，正端接1M电阻到VREF2.5V，用于热电偶的
断路检测。
同样考虑到共模电压输入要求，热电阻输入连接方式参考应用示意图(图3)。
由于SH79F165内建互补输出的12位PWM，因此，可以很方便地实现频率信号输出，以及电压信号输出。
目前工业应用变送器通常采用的是4～20mA电流来传输模拟量，采用电流信号的原因是不容易受到干扰，电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求，20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有
取0mA的原因是为了能检测断线，正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0，常取2mA作为断线报警值。
采用SH79F165内建12位PWM 作D/A输出电路参考下图(图2)，其中PWM输出经RC滤波网络后，再通过运放
做电压跟随器输出，电压跟随器作用是不仅能保证D/A的输出精度，还能提高
D/A的线性度和增强输出驱动能力，a点为0～5V电压输出，b点为经电压/电流(V/I)转换电路输出的4～20mA电流源。
4~20mA output
GND
(图2)
频率信号测量：外部频率信号输入到T2端口，通过SH79F165定时器2的捕获功能检测信号脉宽，即采用定时器2的方式0。
继电器控制输出：本方案提供4路继电器控制输出，单片机I/O端口通过光耦器件与继电器隔离，光耦的作用是电气隔离，避免继电器毛刺影响到数字电路，提高系统稳定性。
LED显示：由于本方案I/O端口占用较多，因此LED显示采用专用显示驱动IC来实现，读者也可直接采用I/O端口动态扫描输出来驱动LED，但考虑到SH79F165单片机最大驱动电流，LED共阳或共阴端口需要接三极管增加驱动能力。
单片机最大驱动电流在规格书中有描述。
(图3)
3.结束语
本文给出了基于中颖SH79F165单片机为核心的温控器、变送器硬件电路设计，整体方案具备电路精简、调试方便、系统集成度高以及实用性强等特点，具备较高的设计参考价值。
由于SH79F165单片机内建高精度Σ-ΔA/D转换器、可编程增益放大器，以及支持ISP在线烧写功能，特别适合小信号模拟采集应用系统。