摘 要：本文介绍了一种基于Microchip的低功耗单片机PIC16F877新型智能二线制热电阻（Pt1000）温度变送器的电路设计。文章分析了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，具有广泛的应用前景。

关键词：低功耗单片机；线制；智能式变送器

1 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采用分离元件组成，存在较大的温漂；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。随着微处理器的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”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，存在无可比拟的优势，是今后变送器的主要发展方向。

智能式二线温度变送器在系统结构上分为电源管理模块、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。

图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，两根传输线上电流变化对应4~20mA，因此要求整体包括微处理器在内的电路静态工作电流小于4mA。RL为信号采样负载电阻，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。

图１智能式二线温度变送器系统结构框图

通过框图我们可以看到，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变化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），加上系统的静态功耗4mA，形成4~20mA的电流信号通过二线电流线输出。

2 智能式二线制变送器的硬件设计

由于采用微处理器作为核心，因此要求微处理器和外围器件必修采用低功耗器件，必须保证其整体功耗小于4mA。下面就各部分工作原理作一下介绍。

2.1 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。其工作电流一般在1~2mA之间，但对于智能变送来说相对较大，如图2所示这里我们采用Maxim公司的高电压低功耗线性变换器MAX1616作为电压变换，该器件具有如下的特点：4V~28V电压输入范围；最大80uA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。为进一步降低微处理器的功耗和提高数据处理精度，再把5V电压经过MAX619（低功耗高精密电压基准源）输出一个3V高精密的电压基准，对微处理器供电，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。

图2 电源管理模块电路图

2.2 信号处理模块

在如图3所示信号处理模块中，采用TI公司的TLC27L2完成信号的放大与输出，TLC27L2是低功耗精密运放放大器，其特点是：单电源供电，超低功耗（25℃，5V时，电流为19uA）,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，由微处理器控制，对变送器进行数字调零和调满量程，R9、R10、R11、X9c103配合Pt1000热电阻组成测温电桥，利用X9c103可以对不同量程的变送器进行零点的调整，设数字电位器X9c103的电阻为W1，其中Pt1000（假设为R12）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：

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，放大倍数由R15和X9c504构成，通过微处理器对X9c504的控制来获取可变的放大倍数，满足不同测量范围的要求，这里没有考虑热电阻的非线性补偿，对于热电阻的非线性补偿，本变送器是通过微处理器软件实现的，这将在变送器的软件设计中加以说明。

图3 信号处理模块电路图

2.3 数据运算模块

数据运算系统是变送器的关键部件之一，它完成变送的A/D转换、测量对象转换、键盘输入、信号分析处理及信息显示等功能。智能变送器采用Microchip公司的Flash单片机16F877，它是高性能类RSIC-CPU，内部带有8路10位A/D转换器、8K(14位)片内Flash程序存储器、368字节的数据存储器（RAM）、256字节的掉电数据存储器（EEPROM），14个中断源的低功耗单片机。它具有低功耗睡眠模式（可中断唤醒）和片内看门狗定时器（WDT），易于实现低功耗抗干扰设计。此外，PIC16F877与其他8位微处理器相比，代码压缩速度提高了4倍，器件性能大大提高。因此，PIC16F877是低功耗低智能仪器较为适宜的微控制器。

图4为数据运算系统电路图。温度信号经过信号处理模块后，送入PIC16F877的2脚是片内10位A/D

的输入端口口（模拟输入通道0）。33(RB0)脚通过R₂₃接操作”回车”键；36（RB3）脚通过R₂₀接操作”设置”键，选择调整对象；35（RB2）脚通过R₂₁接操作”+”键，34脚通过R₂₂接操作”—“键，对数据进行加减操作，19/20（RD0/RD1）脚（双向I/O口）分别接LCD显示器的时钟与数据端口。28/29/30（RD5/RD6/RD7）脚（双向I/O口）分别接串行D/A转换器TLC5615的片选、时钟和数据端口。 23/24（RC4/RC5）脚（双向I/O口）分别接X9c103和X9c504数字电位器的片选信号。21/22（RD2/RD3）脚（双向I/O口）分别接X9c103和X9c504数字电位器的调整脉冲信号和电阻上升/下降信号。

图4 微处理器模块电路图

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。

2.4 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变换部分组成，D/A部分选用TLC5615串行D/A芯片，它是低功耗10位CMOS电压输出DAC,它的特点是：5V单电源工作；3线串行接口；高阻抗基准输入；基准电压两倍的输出电压范围；低功耗（1.75mW MAX）；1.21MHz的更新速率；在温度范围内保持单调性。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。Vi为输入电压，I₀为输出电流，Rf为反馈采样电阻，R5为限流电阻，RL为负载电阻，R8为限六电阻。Rf采样电流信号以电压的形式加到运算放大器的输入端，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I₀相比可以忽略。由运算放大器正负输入端电位近似相等，假设R3=R4=R3, 5=R6=R5可得

化得

当取R3=100KΩ，R5=40KΩ，Rf=100Ω，当Vi=0~5V时，I0=0~20mA。为保证足够的V/I转换精度，电路中各电阻应当选用精密电阻；正电源是I0的最大值。

图5 V/I转换模块电路图

2.5 系统功耗

由于要求智能变送器系统的整体静态电流小于4mA，所以必须保证所选器件为低功耗或超低功耗的芯片。如图2~图5所示，经过实测，其中电源管理部分，主要器件MAX1615的静态电流为80uA、MAX619的静态电流为100uA；信号处理部分主要器件X9c103和X9c504的静态电流各为500uA、TLC27L2的静态电流为120uA；数据运算部分主要器件16F877的静态电流近似为1mA；V/I转换部分主要器件TLC5615的静态电流为350uA、TLE2021的静态电流为230uA、ICL7660的静态电流近似为200uA；其他部分散件的静态电流大约为500uA。

假设系统的总体静态电流为 I_A，则

可见系统总体静态电流I_A小于4mA，采用如图2所示的W0进行调节使系统在测量零点时两线系统的输出电流为4mA，满足系统设计的要求。

3 智能式二线制变送器的软件设计

3.1 PIC16F877的10位A/D转换

为使A/D转换器满足一定的转换精度，就必须让采样电路的保持电容有足够的充电时间，因此必须正确选择A/D转换的时钟源。系统采用1MHz的晶振，A/D转换时钟选择振荡频率的32分之一。其转换程序如下：

A_D_Change()

{ ADCON1=0x8e;

ADCS1=1; ADCS0=0; //A/D转换时钟选择fosc/32

CHS0=0; CHS1=0; CHS2=0; //选择A/D通道0

ADON=1; for(i=0;i<=100;i++); //启动A/D转换

ADGO=1; while(ADGO==1); //等待转换结束

ad_result1=(ADRESH&0x03)*256+ADRESL;

//读转换结果

ADGO=0;//清A/D转换标志 }

3.2传感器特性线性化处理

在实际工程中，大多数传感器的输出信号与被测参数之间呈现非线性，这是造成测量精度低、误差大的主要原因。热电阻的输出电压与被测温度之间就是一个非线性，温度与A/D转换值之间的关系（非线性）如图6所示。对其进行非线性补偿时，主要采用把查表法和计算法结合在一起的插值法。

首先通过精密电阻箱模拟铂电阻的分度表，每隔5℃获取其10位A/D转换结果显示在LCD上，得到关于被测温度与A/D转换数值对应表，如表1所示为温度0℃~300℃时, 16F877内部10位A/D转换器对应的数值。然后通过该表可以建立起被测温度与A/D转换数值之间的对应曲线，用平滑的曲线连接各点，可以得到如图6所示的特性曲线，可以看出它是一个非线性函数。

图6 T/N (温度/数值)特性

图中温度T被分成30个均匀的区间，每个区间的端点A/D转换值N _k都对应一个T _k。当A/D转换值为N _i 时，实际测量温度值T_i一定会落在某个区间(T _k，T _k+1)，采用线性插值法进行插值，用通过(N _k，T _k)和(N _k+1，T_k+1)两点的直线近似代替原特性。 通过两点B_K和B_K+1的直线方程为：

从中可以看出线性化的精度由折线的段数决定，分段越多，精度与准确度越好。有时为了提高精度，也可以采用抛物线插值。分段是可以采用等分也可以采用非等分，这里我们采用等分的方法。

3.3 线性化软件的C语言实现

根据上述公式其线性化处理程序如下：

unsigned long Count_Tem(unsigned int ad_counter)

{ unsigned long js1,js2; unsigned char js=0;

while(1)

{ js1=counter[js]; js2=counter[js+1];

if(ad_counter>=js1 && ad_counter<=js2)

//判断N_i是否在(N _k，N _k+1)内

{ temp1=tempture[js]; temp2=tempture[js+1];

temp=temp1+(ad_counter-js1)*500/(js2-js1);

//代入公式计算结果

return temp; //返回温度值

} js=js+1; if(js>61){break;}

}}

4 结论