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1、摘 要工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等。都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上，这种将物理量转换成点信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的是用420mA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，并且电流源内阻无穷打，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。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0mA所以常取2mA作为断线报警值。本课题通过分析二线制、三线制、四线制变送器的各
2、自特点，在总结典型变送器设计思路与方法的基础上，提出了一张经济实用的二线制智能变送器设计方案。该方案单片机为核心，能对特殊的非线性的传感器进行线性修正处理。主要解决问题是两条线既要提供工作电流，又要传输测量信号，需要协调一致，不能相互冲突；由于零点电流为4mA，因此必须保证整个变送器的工作电流要在3.5mA之内；线制的输出电流反馈电路比较特殊，要选择合理的电路方案，保证输出电流即工作电流不随负载与工作电压变化而变化。关键词：两线制变送器 V/I变换电路 调理电路 单片机AbstractIndustry generally need to measure all kinds of non-ele
3、ctric physical quantity, such as temperature, pressure, speed, Angle and so on. Needs to be converted into analog electrical signals can transmit to hundreds of meters outside of the control room or display device, the convert quantity into point signal device called a transducer. Industry is the mo
4、st widely used to transmit analog 4 20 ma current.Adopt the cause of the current signal is not easily disturbed, and infinite, current source internal resistance wire resistance in series in the circuit will not affect the accuracy. Sad take 20 ma because explosion-proof requirements, 20 ma electric
5、 current caused by broken spark ignition gas energy shortage; Floor didnt take 0 ma in order to detection of bolt, is the cause of not less than 4 ma in normal working conditions, when the transmission line circuit because of malfunction, the loop current is reduced to. Often take 2 ma as a disconne
6、ction alarm value.This topic by analyzing the two wire, three wire system and four wire transducer characteristics, summarizing the typical transducer, on the basis of design idea and method, put forward a two wire system intelligent transmitter design scheme of economical and practical. To a single
7、 chip microcomputer as the core, special nonlinear sensor linear correction processing. Due to the zero current is 4 mA, so must ensure that the transducer working current to within 3.5 mA; A special wire output current feedback circuit, choose reasonable circuit scheme, guarantee the output current
8、 is not along with the load current and work voltage changes.Keywords: two-wire transmitter, V/I inverter, recuperating circuit, Single chip microcomputer目 录摘要IAbstractII目录III前言11 绪论31.1 概述（课题来源及意义）31.2 国内外研究概况及研究现状41.2.1 二线制变送器概述41.2.2 智能变送器的研究现状52 二线制变送器系统介绍82.1 智能变送器概述82.1.1 变送器分类82.1.2 二线制变送器特点1
9、02.2 设计目的和要求113 二线制变送器硬件设计123.1 普通电路的设计123.2 二线制变送器电路原理分析133.3 系统总体设计思路153.4 系统电路原理及设计163.4.1 电源变换模块163.4.2 调理电路模块设计193.4.3 V/I变换模块设计213.4.4 电流接收电路设计223.4.5 24位AD转换电路设计233.4.6 显示电路设计233.4.7 MSP430单片机简介244 软件设计264.1 总体系统原理264.2 数据采集和处理模块274.3 显示模块275 系统测试295.1 变换精度测试295.2 电阻值非线性度测试295.3 结果验算29总结31致谢3
10、2参考文献33附件1 设计源程序34附件2 模拟电路仿真36A2.1 仿真流程37A2.2 调试方法37II- -前 言在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号得到调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声干扰；第二在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。420mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。电流型变送器将物理量转换成420mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根
11、电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。如图1.1所示。当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器，如图1.2所示。其实大家可能注意到420mA电流本身就可以为变送器供电，如图1.3所示。变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在420mA之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为 4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者
12、控制设备一般都在控制室或控制柜上。二线制能节约大量的导线从而降低成本，因此在应用中两线制传感器必然是首选。图1.1 四线制变送器图1.2 三线制变送器图1.3 二线制变送器1 绪 论1.1 概述（课题来源及意义）近年来计算机技术的飞速发展，使得仪器、仪表向自动化、多功能化方向发展，特别是目前发展较快的总线技术要求变送器（或传感器）具有良好的可靠性和更高的精度。随着现代化工业的发展，自动化系统不断的大型化和复杂话，从过去以生产过程运行稳定性为目的转变为今天大规模集中和最佳化控制，对变送器提出越来越高的要求。二线制智能变送器不易受寄生热电偶和沿电线电阻降压和温漂影响，在电流源输出电阻足够大时，经磁
13、场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著的影响，因为干扰源引起的电流干扰极小，一般利用双绞线就能降低干扰；电容性干扰会导致接收器电阻有关误差。因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；各个单台读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等造成精度的差异；将4mA用于零电平，使判断开路或传感器顺坏十分方便（0mA状态）；在两线输出口容易增加防浪涌，防雷击器件，有利于安全防爆。系统设计采用传感器加主机构成现场仪表形式，可降低系统成本，实现功能所需。同一张传感器制作时材料、工艺的差别，使得每只传感器输出信号幅值都不一样，如同压片式压力传感器，在同样+5VDC电压供
14、电情况下，满量程时输出信号在4mv20mv之间变化；不同作用的传感器同样存在输出信号不同的问题。这给主机的设计、调试、维修带来来了很大困难。所以，对选用输出不同幅值的弱信号传感器应用系统，设计一张通用的主机，实现信号的变送和传输，可以降低系统成本，便于调试、维修。是相当有必要和实用意义的。1.2 国内外研究概况及研究现状1.2.1 二线制变送器概述自动化仪表主要由检查仪表和控制仪表两大部分组成。随着生产的不断发展，生产规模越来越大，相应的自动化管理系统日趋负载。由于技术机技术的高度发展和广泛应用，近10年来在控制系统方面有了很大进展。控制系统的各功能环节在信息的传送、管理和超重上紧密配合，形成
15、了高度负载的分散型过程控制系统。随着计算机技术的发展，微机价格的大幅度下降，PC机和各种单片机在工业和各行业应用日益广泛。在控制网络中，各种测量仪表往往用单片机作数据处理单元，而在主控室，有微机对整个生产过程的数据进行统一的显示、存储和汇总。随着工业控制系统的发展，测量系统也逐渐发展，使得智能仪表的发展也越来越迅速。这样就使常规的模拟仪表日薄西山。DCS、工业控制计算机（IPC）、PLC、可编程单回路调节器等基本上主宰了这一领域。过程控制系统有以下几种发展趋势：1. 控制中心向现场转移传统过程控制系统中的回路级或装置级的控制功能将下放到现场，使系统成为真正的、彻底分散的系统。2. 开放系统的实现开放系统要求互联性和互操作性，即不同厂家生产的仪表、装置应能在一个系统中协同工作。计算机网络技术与软件技术的高速发展给开放系统带来了曙光。DI哦那个是（Control System International Inc）退出一直UCOS（用户可配置开放系统）DCS，他采用可来自多方厂商的商用软硬件和商用网络，操作系统采用Windows NT，非专利的现场控制单元可提供多任务和网络直接访问能力，与器连接的I/O子系统亦可来自多方厂商。毫无疑问，这种系统将成为真正的开放系统。3. 智能控制技术将得到进一步应用专家系统、模糊控制、
