论文总字数：19275字

目 录

摘要 3

Abstract 4

1 引言 5

2 总体方案设计 6

2.1 总体设计思路 6

2.2 各模块电路方案的确定与论证 6

2.2.1 恒流源电路 6

2.2.2 电流环电路 7

2.2.3 数/模转换器的选择 8

2.2.4 电压线性转换部分方案的选择 8

2.2.5 单片机的选择 9

2.2.6 显示模块的选择 9

2.3 电路总体设计方案 9

3 硬件电路设计 10

3.1 单片机最小系统的设计 10

3.1.1 复位电路设计 12

3.1.2 晶振电路设计 12

3.1.3 电源滤波电路 13

3.1.4 单片机最小系统电路 13

3.2 恒流源电路设计 14

3.3 可变电阻电路与差分电路的设计 14

3.4 数模转换电路设计 15

3.5 电流环驱动电源 16

3.6 电流转换电路设计 16

3.7 显示电路设计 17

3.8 电路总设计原理图 18

4 软件流程图分析 19

4.1 软件设计环境介绍 19

4.2 主程序流程图 19

4.3 显示模块驱动流程 20

4.4 按键模块流程 21

4.5 DAC配置过程 22

5 实验测试 23

5.1 系统功能 23

5.2 实验测试 23

6 总结 24

参考文献： 26

致谢 27

摘要

变送器功能是将传感器的非电能转换成电信号并远程测量和控制。电流变送器将测得的信号转换成线性关系并与测量的信号完全隔离的电流，通常为4 mA -20mA。转换后的信号以电流形式传输，大大提高了抗干扰能力。本系统以电流环为核心，设计一个将电阻量转换为与之成良好线性关系、完全隔离的电流量。系统主要由微控制器、激励电流源、差分电路、DAC、LCD显示、光耦隔离、电流环、电源隔离等硬件构成。激励电流源将可变电阻转换为电压信号，并进行差分输入微控制器的内部ADC采样处理。微控制器根据被测电阻值换算对应的电流环的控制电压，并通过SPI总线驱动AD5660产生该电压信号，使电流环输出4-20mA的电流。采用集成隔离电源使电流环的驱动电源与其它电路隔离，并采用光耦芯片使AD5660产生的电压量与数字总线隔离，提高精度。实验测试表明，系统能准确测量电阻值，并根据电阻值输出对应的隔离电流信号。电流输出误差为0.2%。

关键词：电流环，DAC，隔离，微控微器

Abstract

The function of the transmitter is to convert the non-electrical energy of the sensor into an electrical signal and measure and control it remotely. The current transducer converts the measured signal into a linear relationship and is completely isolated from the measured signal, typically 4 mA - 20 mA. The converted signal is transmitted in the form of current, which greatly improves the anti-interference ability. This system takes the current loop as the core, and designs a current that converts the resistance into a well linear relationship with it. The system is mainly composed of hardware such as a microcontroller, an excitation current source, a differential circuit, a DAC, an LCD display, an optocoupler isolation, a current loop, and a power supply isolation. The excitation current source converts the variable resistor to a voltage signal and performs internal ADC sampling of the differential input microcontroller. The microcontroller converts the control voltage of the corresponding current loop according to the measured resistance value, and drives the AD5660 through the SPI bus to generate the voltage signal so that the current loop outputs a 4-20 mA current. The use of an integrated isolated power supply isolates the current loop drive power from other circuits and uses an optocoupler chip to isolate the voltage generated by the AD5660 from the digital bus, improving accuracy. Experimental tests show that the system can accurately measure the resistance value and output the corresponding isolated current signal according to the resistance value. Current output error is 0.2%.

Keywords: Current loop, DAC, Isolation, Microcontroller

引言

在现代工业控制系统中，若是单片机无法直接检测到被测信号，我们一般使用变送器将其转换为可以被识别的数字量信号。 在实际应用中，电压输出型的变送器首先被使用，他直接将被检测的信号转换成电压并输出，由于单片机无法直接接受模拟信号，因此有必要使用模数转换电路将模拟信号转换为单片机可以看到的数字信号。

但是当变送系统需要远程传输信号或者要在干扰比较大的情况下传输信号，这时电压输出型变送器就不太适合。在这种情况下，电压输出型变送器容易受到干扰，或者由于长距离传输期间的线路损耗而导致电压下降，最终导致精度降低，并且有时一些交流信号部分和传输信号会彼此累积产生错误的信号，使微控制器无法做出准确的判断。更糟糕的是，设备有可能因此造成损坏。因此，在这种情况下，输出电压变送器不能使用，根据基尔霍夫定律，闭环电流是恒定的，我们将电压输出型设计成电流输出型，这样就可以在满足欧姆定律有效性即有足够的回路电压的前提条件下，远程使用4-20mA的电流回路，并且回路中每个点的电流都是恒定的，并且不受导线电阻的影响。在长距离传输过程中，如果电路断开或断开，回路电流将降低到0Ma，因此必须修复故障。此外，电流回路还可以相对简单地防止由电暂态引起的损坏，并且还具有自然抗射频干扰或电磁干扰。在未来的更多应用场合里，电流输出型变送器因其抗干扰的优势将会逐步代替电压输出型变送器，成为一种更适合当前电网领域的变送器，现在很多DCS控制系统、PLC装置等都使用了电流输出型变送器作为输入端口。

在实际设计变送器过程中，我们一般都会通过利用放大器来处理数据监测和控制中的传输的信号，但是这种情况下，我们传输的信号一般都是电压信号，所以当远距传输时，就暴露了很多弊端。首先，当远距传输时，电压信号难免会受到噪声的干扰而变的不是那么精确；然后，不管是什么传输线，都是会存在误差的，当传输距离越长，电压会被传输线上的电阻分压，造成了压降，也会使信号不够精确；最后，因为传输的信号都很微弱，所以我们都会需要一个放大器来放大信号，但是在远距传输的时候，我们无法为其提供电源。所以，综合以上几个问题，我们必须用电流来取代电压，跟电压比起来，电流不会因为噪声干扰，更不可能产生压降和需要电源，因此我们只要在传输前，将电压信号通过电流环来转换成对应的电流即可。

当前，电流变送器能将输入的信号转换成按线性比例输出的直流电压或直流电流，并因为其具备的多个优点，在多个领域中的电气装备中都有广泛的应用。比如，在成本上面，电流变送器因其不容易因寄生热电偶和传输线电阻而产生压降和温漂，所以传输线可以采用很便宜的双绞线，相对于其他变送器，节约了很多成本；其次，由于电流源的内阻无限大，传输信号的精度不会受到传输线电阻的影响，因此传输长度可以远高于电压。

目前，工业上广泛使用4-20mA直流电流来传输模拟信号。在石油等爆炸性工业应用场景中，如果电流太大，由开关引起的电流将容易产生火花。这种情况下，电火花容易引起危害，造成财产甚至人员的损害，所以最大电流采用了20mA，20mA电流通断时产生的电火花的能量不高，并不够造成危害；最小4mA电流同时方便了工作人员检测线路是否断开。最典型的电流变送器便是我们口中说的四线变送器，他有着两根电源线，以及两根电流传输线，当然，电流传输线和电源线可以使用同一根线，这便有了之后的三线变送器。后来，前辈们发现我们传输的电流本身就可以给变送器元件供电，这便发展到了今天应用广泛的两线变送器。

4-20mA两线变送器因为其需要更少的导线，相对于三线变送器和四线变送器，他拥有了绝对的优势。因为在很多工业场合，测量的地方一般都和控制台有着一定的距离，一台两线变送器设备比三线或者四线变送器节省了一道两根传输线，可谓积少成多，再者，三线或者四线变送器，因为其内的传输电流和供电电流的不对称，所以其必须使用更加昂贵的屏蔽线，所以与之比较起来，光光成本上，二线变送器便具有绝对的优势。双线传感器变送器用于将场景的物理参数发送回模拟输入模块进行处理和控制。物理参数包括压力，位置，温度，电平，应变，负载和流量。因此，传感器的电源线与传输4-20 mA信号的两条线相同，这是2线4-20mA变送器的主要设计要求。传感器、传感器调理电路和4-20mA传输电路的工作电流必须小于4mA，否则发射机将不能输出4mA零电平。

目前，我国电力设备的安全性能在国内工业发展的影响之下越来越受到重视。而作为成本较低的4-20mA的二线电流变送器，在工业应用中，必将成为未来的趋势。

总体方案设计

总体设计思路

本系统的总体设计思路是通过恒流源输出的电流将被测电阻的阻值转换成电压值，通过电压线性转换模块将被测电阻输出的电压值放大至可以被电流发送器模块接收范围内的电压。然后经过电流环变送器电路转换成对应的电流并输出，并在显示器上显示出输入的信号值、电流值以及对应的电压值，并且还可以通过按键来改变电流值。

各模块电路方案的确定与论证

恒流源电路

方案一：使用TL431构成经典恒流源电路。 本电路中的TL431是一款三端可调的热稳定并联基准源.TL431具有良好的性能价格优势，广泛应用于各种电源电路中。它可以使用任意一组可调电阻进行设置得到Verf（2.5V）-36V范围内的任意值，在价格与性能上都极具优势。

方案二：采用集成了电流源的ADC，例如AD7793。他内部集成了一个可编程激励电流源，通过编程控制，可在芯片Iout引脚输出一个可控的稳定电流。由于在本次实验中选用了其他型号的ADC芯片，并且AD7793售价较高。为了防止芯片功能重复并且解决成本本方案不予采用。

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