基于LM3S101的新型两线制温度变送器的设计

文章摘要：温度变送器广泛应用于工业中需要测温的场合，但传统的温度变送器是四线制、非智能化的，其精度、稳定性、可靠性较低，并且难以调试和维护。随着微电子技术的发展，两线制温度变送器的智能化势在必行[1]。智能化两线制温度变送器测量精度高、稳定性好，但研制的关键是必须解决低功耗和线性化处理以及抗干扰问题，尤其是在4 mA～20 mA的传输规范要求下，如何保证电流为4 mA时温度变送器还能正常工作。目前市场上的两线制温度变送器，在非线性处理、抗干扰方面仍然存在一些不足。为此，本文提出采用高性能单片机LM3S101，结合仪表放大器AD620和A/D转换芯片AD7457，设计新型的两线制温度变送器。1 系统硬件设

基于LM3S101的新型两线制温度变送器的设计,标签：单片机开发,单片机原理,http://www.88dzw.com

温度变送器广泛应用于工业中需要测温的场合，但传统的温度变送器是四线制、非智能化的，其精度、稳定性、可靠性较低，并且难以调试和维护。随着微电子技术的发展，两线制温度变送器的智能化势在必行[1]。
智能化两线制温度变送器测量精度高、稳定性好，但研制的关键是必须解决低功耗和线性化处理以及抗干扰问题，尤其是在4 mA～20 mA的传输规范要求下，如何保证电流为4 mA时温度变送器还能正常工作。目前市场上的两线制温度变送器，在非线性处理、抗干扰方面仍然存在一些不足。为此，本文提出采用高性能单片机LM3S101，结合仪表放大器AD620和A/D转换芯片AD7457，设计新型的两线制温度变送器。
1 系统硬件设计
1.1 系统总体结构及工作原理
    两线制温度变送器的总体结构如图1所示。传感器对信号源所产生的信号进行采集，然后通过放大器对信号进行放大处理，再由A/D转换模块完成A/D转换，转换后的数字信号，通过微控制器进行数据处理，最后再通过V/I转换模块把线性反映温度变化的信号，调制成电压信号后转换成相应的4 mA~20 mA电流信号，通过两线输出，将两线接入仪表，由仪表显示。整个系统可以分为信号采集模块、信号放大模块、数据运算模块和V/I转换四大模块。

1.2 桥路测温原理及线性化
    桥图电路分析图如图2所示。由图2可得：

    如图3所示，令放大器与两个桥臂的交点处的电压为U，可得方程组：

1.3 模拟信号放大
    本设计采用了AD620仪表放大器对桥路输出的模拟信号进行放大。仪表放大器是在有噪声的环境下放大小信号的器件，其本身具有低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等一系列优点，其利用的是差分小信号叠加在较大的共模信号之上的特性，既能够去除共模信号，而又同时能将差分信号放大。仪表放大器的关键参数是共模抑制比，这一性能可以用来衡量差分增益与共模衰减之比，主要应用于传感器接口、工业过程控制等领域。AD620是一种低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1~1 000。因为二线制温度变送器的最低电流为4 mA，在4 mA条件下必须能够正常工作，这就对器件的功耗要求比较高。而AD620最大的工作电流仅为1.3 mA，功耗非常低，可满足低功耗的要求。此外，AD620具有很高精度，它的最大非线性度达到了40 ppm，并且具有低失调电压和低失调漂移特性。所以本设计选用AD620作为电压信号的仪表放大器。AD620的应用电路如图4所示。