智能变送器的设计方案

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：智能温度变送器设计学生姓名：郭龙文学号：0705112338专业：测控技术与仪器班级：测控07-3班指导教师：李文涛教授智能温度变送器设计摘要温度变送器作为一种现场设备被广泛应用在工业过程控制系统中。

随着自动化技术的发展，对温度变送器有了更高的要求。

传统的模拟式温度变送器所具有的固有缺点已不能满足控制系统的要求。

本论文主要阐述了智能温度变送器的发展现状，针对热电偶和热电阻的输出特性，设计了一种基于单片机的智能温度变送器。

该智能温度变送器以STC89C52单片机为核心，针对温度传感器输出的信号不同，设计了由集成仪表放大器AD623和数控电位器X9241组成的增益放大环节，可以根据传感器的类型，由程序来控制放大器的放大倍数。

将传感器的输出信号放大到0~5V，接入A/D转换器PCF8591T，使得采集的模拟信号转换为数字信号，再由单片机进行数字滤波、线性化以及标度变换等数据处理后，通过LCD 进行显示，并经D/A转换器PCF8591T及V/I转换器转换为4~20mA DC信号输出。

设计主要围绕硬件设计和软件编程来进行。

Proteus仿真及调试结果表明，该智能温度变送器使用方便，性能稳定，达到了预期的设计目标。

关键词：热电偶；热电阻；变送器；单片机Design of Intelligent Temperature TransmitterAbstractTemperature transmitter is widely used in control system of industrial process as one kind of field instrument. Because traditional analog temperature transmitter can no longer meet the new demand owing to its inherent shortcoming, the development of automation technology requires higher demand for temperature transmitters.This thesis analyzes general development of intelligent temperature transmitter and designs intelligent temperature transmitter which is based on SCM according the thermocouple and RTD. The core of temperature transmitter is STC89C52 based on SCM. According to the output signal range of the sensor, the system sets the gain of amplification link which is composed of AD623 and X9241 by way of program. As the temperature transmitter amplifies the weak signal to DC 0～5V, access A/D converter PCF8591T, digital converter will change the analog signals into digital signals. Digital signals output as 4 ~ 20mA DC, by the single-chip digital filtering, linearization, scaling transform data processing, carried through the LCD display, the D/A converter PCF8591T and V/I converter.The main work includes hardware designing and software compiling. The Proteus simulation test and truly showing result tests that the system has advantages such as friendly interface, convenient in using, steady performance. The anticipative design aim is achieved.Keywords: thermocouple; RTD; transmitter; SCM目录摘要 (I)Abstract (II)第一章概述 (1)1.1 选题背景与意义 (1)1.2 变送器的发展历程 (2)1.3 智能温度变送器功能及特点 (3)1.4 本设计的主要工作 (4)第二章智能温度变送器总体设计 (6)2.1 设计要求及内容 (6)2.2 总体方案设计 (7)第三章硬件电路设计 (8)3.1 单片机选择 (8)3.2 测温元件介绍 (10)3.3 输入信号增益调节电路设计 (12)3.4 模/数、数/模转换器选择及设计 (14)3.5 V/I转换电路设计 (16)3.6 LCD显示电路设计 (16)3.7 存储电路设计 (18)3.8 键盘电路设计 (19)3.9热电偶冷端温度补偿 (20)3.10 复位电路设计 (22)3.11 本章小结 (22)第四章软件设计 (24)4.1 主程序设计 (24)4.2 输入信号增益调节子程序 (24)4.3 数据处理子程序 (25)4.3.1复合滤波子程序 (25)4.3.2线性化子程序 (26)4.3.3 DS18B20 采集子程序 (27)4.4 显示子程序 (29)4.5键盘子程序 (29)4.6 本章小结 (31)第五章测试与分析 (32)5.1硬件调试与结果分析 (32)5.2 软件调试与结果分析 (34)5.3本章小结 (34)总结 (36)参考文献 (37)附录A 原理图 (39)附录B 源程序 (40)致谢 (59)第一章概述1.1选题背景与意义在我国测控系统中，虽然温度变送器的研发已相当成熟，几十年形成的标准已被世界所公认，但随着自动化领域和信息技术的飞速发展，温度变送器存在的缺点与不足日益明显，尤其在许多中小型企业中，仍大量的使用传统的模拟温度变送器，越来越满足不了生产的要求。

龙源期刊网 基于STM32F103的智能压力变送器研究与设计
作者：薛忠何矞赵中兵
来源：《现代电子技术》2013年第04期
摘要：针对目前市场上传感器输出信号的非线性和温度失调，提出了以嵌入式微处理器STM32F103为核心，采用先进的溅射薄膜传感器，利用分段最小二乘法来进行非线性补偿的智能压力变送器的设计方案。

在此描述了智能压力变送器的整体系统架构，着重阐述了对传感器输出信号智能化补偿原理。

测试结果表明，经算法补偿后的模拟输出信号具有良好的线性特性，最大线性误差为0.179%，线性度得到了较大的提高。

关键字：智能压力变送器；非线性补偿；分段最小二乘法；嵌入式微处理器
中图分类号： TN919⁃34； TH823 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）
04⁃0141⁃03。

2010年　第2期仪表技术与传感器I nstrument Technique and Sens or 2010　No 12　收稿日期:2009-08-20　收修改稿日期:2009-09-03基于HART 协议的智能压力变送器的设计与实现孔祥伟,周杏鹏(东南大学自动化学院,江苏南京　210096) 摘要:在传统压力变送器的基础上,研制了一种基于HART 协议的两线制智能压力变送器。

该压力变送器以低功耗16位嵌入式微处理器MSP430F435为核心,使用硅压阻式压力传感器。

传感器输出微小电压信号经放大调理后送入微处理器内部12位A /D 的测量,HART 协议通信模块由A5191HRT 型HART 调制解调器与AD421电流环数模转换器构成。

整个设计选用低功耗外围扩展器件,最大限度地降低整机功耗。

关键词:HART 协议;压力变送器;智能化;MSP430F435中图分类号:TP216 文献标识码:B 文章编号:1002-1841(2009)00-0015-03D esi gn and I m plem en t a ti on of I n telli gen t PressureTran s m itter Ba sed on HART ProtocolK ONG Xiang 2wei,ZHOU Xing 2peng(School of Auto ma ti on,Southea st Un i versity,Nan ji n g 210096,Ch i n a)Abstract:On the basis of the traditi onal p ressure trans m itter,a t w o 2wire intelligent trans m itter which was based on the HART p r ot ocol and t ook MSP430F435as the central contr oller was designed .The tiny voltage signal out putted by the silicon 2p iezoresistive transducer was a mp lified and then measured by the MSP430F435internal 122bit A /D converter .HART communicati on module was composed of A5191HRT and AD421.Low 2power external devices were chosen t o m ini m ize the power consu mp ti on of the whole sys 2te m.Key words:HART p r ot ocol;p ressure trans m itter;intelligent;M SP430F4350　引言传统的压力变送器仅提供模拟信号4～20mA 电流环输出。

智能变送器的结构及工作原理由于智能变送器还没有统一的标准，所以人们所说的智能变送器是指信号制式是模拟、数字兼容的，且模拟信号与数字信号共用一条通道，并用HART协议通信的变送器，常见的有HART智能温度变送器、智能压力变送器和智能差压变送器等。

智能变送器与全数字化的总线变送器相比，是有很大差别的。

各智能变送器厂商大多采用自行定制的专用集成电路，因此物理结构上的差别也是很大的，云南昌晖仪表制造有限公司在此用智能变送器基本结构的原理框图作介绍，如图所示：智能变送器基本结构原理图这样的智能变送器虽然使用了微处理器，且有数字信号，但它仍要与过程控制中的模拟信号(4-20mA)兼容，并作为主要信号，因此在硬件使用中只能采用低功耗器件，并采用通用的集成电路设计，数字电路间的连接一般采用串行接口，以减少连线及降低功耗。

智能变送器使用了微处理器，对被测的过程数据进行计算及操作，由于整台变送器由硬件和软件构成，与常规变送器相比是大不同了。

为便于理解，可把智能变送器的逻辑结构看成是由两台仪表组成，一台是数字仪表，另一台是模拟仪表。

如下图所示。

图中数字仪表由模拟信号调理和数字信号处理两部分组成；而模拟仪表则是数字仪表的模拟形式表现。

按运算关系来看，则有三部分运算电路，而且每一部分都是可以单独进行测量和调试的。

分述如下。

智能变送器逻辑结构图首先看数字仪表的输入部分，在微处理器进行运算前，先要进行A/D转换，把传感元件的测量模拟值转换为数字值。

微处理器是依据相应的方程式及数据表、传递函数来进行计算，这过程就是模拟信号调理，又称为传感元件调整；这时的输出是被测过程变量的数字表示，也就是手操通信器上读得的数字值PV。

这个数字值只与传感元件的极限范围有关，而与所设定的量程及输出电流没有关系。

数字仪表的变换部分是把被测参数的数字值变成等效的直流电流，是依据仪表的零点和满量程值和有关函数来进行计算，计算结果就是仪表输出的数字表示。

基于HART协议的智能型压力变送器的设计作者：曹伟顾丽来源：《中国新技术新产品》2010年第14期摘要:本文介绍了基于HART协议的以微处理器MSP430为核心的智能压力变送器的设计。

该智能压力变送器可用于现场压力实时监测,具有温度和非线性补偿功能,且实现了模拟信号和数字信号兼容通信。

关键词:HART协议;智能压力变送器;低功耗;数字通信1引言压力变送器作为工业过程检测和控制的基础仪器使用广泛,其发展总趋势是数字化、智能化、高精度、高适应性和高安全性。

目前数字智能式变送器正在主导压力变送器的发展方向,然而由于模拟现场仪表的大量使用,受原投资保值的限制,从传统的压力变送器到全数字智能压力变送器的更新还需要很长一段时间[1]。

为解决这一问题,本设计将引进HART协议,在不改变原有设施的基础上,实现模拟信号和数字信号兼容通信。

2HART协议的简介HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议即可寻址远程传感器高速通道开放通信协议,是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。

HART协议采用半双工通讯,参考“ISO/OSI”的模型标准,简化并应用其中三层即:物理层,数据链路层和应用层,它能在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,实现模拟信号和数字信号兼容[2]。

第一层:物理层。

这层规定了信号的传输方法和传输介质。

HART协议采用BELL202标准的频移键控技术 FSK,即在4～20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波,数字信号的传送波特率设定为 1200bps,1200Hz代表逻辑“1”,2200Hz代表逻辑“0”。

由于FSK信号的平均值为0,所以数字通信信号不会干扰4~20mA的模拟信号,保证了与现有模拟系统的兼容性。

HART信号叠加原理如图 1所示。

通信介质的选择以传输距离长短而定。

通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时,最大传输距离可达到1.5Km。

基于HART协议的智能压力变送器的开发智能压力变送器是现代工业自动化领域中广泛使用的一种设备，它能够精确地测量和传输压力信号。

基于HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议的智能压力变送器在传感器技术和通信技术方面进行了创新，具有更高的可靠性和智能化水平。

一、HART协议简介HART协议是一种双通道的数字通信协议，广泛应用于工业自动化控制系统中。

它采用了4~20mA模拟信号和数字信号双重传输方式，既可以传输模拟信号，又可以通过数字信号传输设备状态、配置信息等。

HART协议的双通道设计使得传感器和控制系统可以在接收模拟信号的同时，通过数字通信通道实现设备状态监测、配置参数调整、故障诊断等功能。

这一特性使得基于HART协议的压力变送器具备了更高的智能水平和可编程性。

二、智能压力变送器开发的关键技术1. 传感器技术改进智能压力变送器首先需要具备高精度、高稳定性的压力传感器。

现代压力传感器采用MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）微机电系统技术，能够在微米级别上进行高精度测量。

同时，通过使用新型材料和结构设计，可以有效降低温度、湿度等环境因素对传感器性能的影响。

2. 信号处理和通信技术基于HART协议的智能压力变送器需要具备信号处理和通信功能。

信号处理模块负责对传感器输出信号进行放大、滤波、线性化等处理，使得输出信号更加稳定和准确。

通信模块使用HART协议进行数据传输，可以与控制系统进行双向通信。

通过与控制系统建立通信连接，智能压力变送器可以传输数据、接收命令，并实现在线校准、参数配置、远程故障诊断等功能。

三、基于HART协议的智能压力变送器的优势1. 提高工作效率智能压力变送器基于HART协议进行通信，可以将设备状态、故障信息等实时传输给控制系统。

控制系统可以根据这些信息进行及时响应和处理，提高生产效率和工作安全性。