电阻式水温变送显示器1

“TI”杯四川省电子竞赛一等奖作品杯四川省电子设计竞赛一等奖作品杯四川省电子设计竞赛一等奖作品杯四川省电子设计竞赛一等奖作品 目题目题目题目：：：：电阻式水温变送显示器 指导教师指导教师指导教师指导教师：：：：陈祝明 陈瑜 周云 队员及年级队员及年级队员及年级队员及年级：：：：陈洋(06 级)，付文丽(06 级)，郑侃(06 级) 学校及院系学校及院系学校及院系学校及院系：：：：电子科技大学电子学院 摘要摘要摘要摘要 水温变送显示器分为变送器和显示器两大部分。本系统采用可变电阻模拟电 阻式温度传感器，经 0.5m 同轴电缆连接后，由 TI 公司的高精度两线制集成变送 器芯片 XTR105、、、、RCV420 和 XTR111 进行信号调理和信号变送，构成水温变送 器模块。变送后经 16 位高精度 CMOS 模数转换器芯片 ADS8505B 作为单片机外 设对变送器输出信号采样，由 TI 公司的 MSP430F1611 作主控制器，控制 LCD 数字显示温度，构成水温显示器模块。水温显示模块既可以采集变送器输出的电 压信号，也可以采集电流信号，采集的电压信号（1~5V）和电流信号（4~20mA） 符合工业测量与控制中常用的变送。 关键词关键词关键词关键词：：：：水温水温水温水温、、、、变换变换变换变换、、、、传送传送传送传送、、、、显示显示显示显示 Abstract The water temperature display includes the functions of conversion and transmission. The system utilizes the variable resistances with 0.5m coaxial cable in order to simulate the temperature sensors. The conversion and transmission of sensor signals are achieved by special IC of XTR105, RCV420 and XTR111 from TI, and the sample are achieved by ADS8505 with high precision. The water temperature display is controlled by MSP430F1611 with LCD, and can sample and display the standard voltage signals of 1~5 V and standard current signals of 4~20 mA from the transmitter. Keywords: Water temperature, Conversion, Transmission, Display 一一一一、、、、作品简介作品简介作品简介作品简介（（（（设计目标设计目标设计目标设计目标，，，，详细指标要求详细指标要求详细指标要求详细指标要求）））） 设计目标 设计制作一个电阻式水温变送显示器 基本部分 发挥部分 详 细 指 标 要 求 （1）制作一个电压型水温变 送器，采用可调电阻模拟电阻 式温度传感器，电阻 100Ω~200Ω ,对应水温测量 范围为 0℃~100℃。可调电阻 与信号调理部分分离，采用接 插件连接，连线长度不小于 0.5m. （2）变送器对应 100Ω~200 Ω的输出电压为 1~5V，变换 线性度不大于 0.1%。 （3）制作一个水温显示器， 要求能够采集水温变送器输 出的 1~5V 电压信号，并数字 显示，要求测量精度为 0.1℃， 显示分辨精度为 0.01℃。 （1）水温显示器中设计一路输出电 源。要求输出电压为 24V±0.12V，输 出电流不小于 50mA。 （2）设计电流型水温变送器， 100 ΩΩΩΩ ~200 ΩΩΩΩ对应的电流输出为 4~20mA，变换线性度为 0.1%，输出 线的长度不小于 1m,输出负载 100ΩΩΩΩ~300ΩΩΩΩ可变，变送器部分可采 用单独的电源。水温显示器要求同基 本部分。 （3）水温变送器采用水温显示器输 出的 24V 电源供电，电源线长度不 小于 1m，并使 100ΩΩΩΩ~200ΩΩΩΩ可调电 阻对应电源电流为 4~20mA，变换线 性度为 1%。水温显示器要求同基本 部分。 （4）其他。 二二二二、、、、作品实现作品实现作品实现作品实现 1．．．．水温变送器的方案论证与选择水温变送器的方案论证与选择水温变送器的方案论证与选择水温变送器的方案论证与选择 方案一方案一方案一方案一：用稳压器件 TL431（或恒流源芯片）和晶体三极管（或运放）搭 建的恒流源电路，TL431 稳定 2.5V 电压，则恒定电流为 I=2.5/RA，由于在发挥 部分的的二线传输时对信号调理与变送部分的电流消耗不能大于 4mA,所以恒流 源的电流取 1mA。恒流源在可变电阻上的电压在 0.1V~0.2V，信号调理部分使用 差动放大器放大 40 倍电压值是 4~8V,再用运放搭建减法器减去 3V 既可以得到 1~5V 的输出电压。电流传输时再使用电压转电流的集成芯片 XTR111 即可。 方案二方案二方案二方案二：：：：利用非平衡电桥原理设计的数字温度计是市场上各类数字温度计 的雏形，当可变电阻较小时，测量精度较高。 方案三方案三方案三方案三:信号调理部分采用 XTR105，XTR105 与电阻的连接方式有两线、三 线两种方式，由于 XTR105 内部已经将方案一都实现在芯片内部了，而且消耗的 电流2mA以下，所以也满足发挥部分的要求。XTR105将输入电阻变送为 4~20mA 电流，然后经电流环接收器 RCV420 将电流信号转换为 1~5V 电压信号，当变送 器部分需要输出电流信号时用电压/电流变送器XTR111将电压信号变为4~20mA 电流信号，通过使用集成芯片 XTR105、RCV420 和 XTR111 可以对测量的非线 性进行很好的校正。 方案选择方案选择方案选择方案选择：：：：信号变送是水温变送器部分的重要组成部分，其变送精度和变 换线性度应非常高，方案一，二虽然可行，但都存在缺陷，方案一对恒流源的要 求非常高，实际制作中我们发现恒流源的误差有1%，虽然我们在信号采集处理 部分可以采用单片机做软件线性补偿来达到，但是数据采集量太大，故没有采用 该方案。方案二中当随着传感器电阻的相对变化量的增大，非线性误差越来越大， 因而极大地影响电桥的测量准确度。另外，电桥输出电压与电桥供电电源的电压 成正比关系，当供电电压波动时也影响精度。由于电桥消耗的电流必须在2mA 左右，这样小的电流使电桥的精度下降，虽然同样可以采用线性补偿来实现但是 也存在方案一的问题。综合以上方案，方案三采用TI公司的XTR105做为信号调 理部分的芯片，针对方案一中恒流源精度不够的问题，XTR105中恒流源的精度 高达0.05%，该芯片集高精度恒流源以及差放，电流输出，为RTD 温度传感器提 供了高精度的解决方案。综合以上分析采用方案三。 2．．．．水温显示器的水温显示器的水温显示器的水温显示器的方案论证方案论证方案论证方案论证、、、、选择以及理论计算选择以及理论计算选择以及理论计算选择以及理论计算 采集部分由于需要把模拟量变为数字量，所以模数转换器是必不可少的。 由于题目要求有 0.1%的精度，而且需要有 0.01%的显示精度，我们依照题目的 要求计算如下：100~200Ω对应于 1~5V，即 25Ω/V；要达到 0.01Ω分辨率则需 要能够分辨：0.01V/25=0.4mV； 方案一方案一方案一方案一：：：：采用 MSP430 内部的 12 位 ADC，片内 ADC参考源一共有 6 种可 编程选择。当它使用 2.5V 的片内参考源时分辨率是：2.5V/4096=0.61035mV。 方案二方案二方案二方案二：：：：采用片外 ADC，由 TI 公司生产的 ADS8505B 就是一款性能优异 的 16位高精度模数转换芯片。当采用片内 2.5V参考源时,由于ADC是对正负10V 进行量化所以它的分辨率是 20V/65536=0.3051mV。 方案选择方案选择方案选择方案选择：方案一并不能达到 0.4mV 的分辨率，虽然可以采用过采样提高 分辨率，达到题目的分辨率要求。但是由于有 0.1℃的精度要求，而且由于输入 电压是 1~5V，所以采用片内 ADC还必须做电平转换，这无疑不利于精度的提高， 还增加了电路的复杂性。方案二完全可以达到题目的要求，最重要的是它可以正 负 10V 的信号输入，这样简化了前级电路设计，鉴于 ADS8505B 的优异性能， 而且在使用中达到了很好的精度，所以选择方案二。 3．．．．系统框图和软件流程系统框图和软件流程系统框图和软件流程系统框图和软件流程 (1) 题目基本部分要求的电压型水温变送器的系统框图如图 1。 原理：100~200欧姆电阻先经 TI 的 XTR105 信号调理输出 4~20mA，然后 经 TI 的 RCV420 将信号电流转化为 1~5V 电压信号，最后经 TI 的 ADS8505 转 换后，由 MSP430F1611 做主控制器显示温度。 (2) 题目发挥部分要求的电流型三线制水温变送器的系统框图如图 2。 原理：100~200欧姆电阻先经 TI 的 XTR105 转换后再经 TI 的 XTR111 调理 输出 4~20mA 电流信号，经电阻取样后的电压最后经 TI 的 ADS8505 转换，由 MSP430F1611 做主控制器显示温度。。 (3) 题目发挥部分要求的电流型二线制水温变送器的系统框图如图 3。 原理：100~200欧姆电阻经 TI的两线制转换器 XTR105 输出 4~20mA 电流， 再经 250欧姆取样电阻后由 OPA353隔离，最后经 ADS8505 进行 A/D 转换后， 由 MSP430F1611 做主控制器显示温度。 注注注注：：：：图图图图 1~3 中信号采集和显示部分均未画出中信号采集和显示部分均未画出中信号采集和显示部分均未画出中信号采集和显示部分均未画出 MSP430F1611。。。。 信号调理和变送 信号采集和显示 图 1 电压型水温变送显示器系统框图 信号调理和变送 信号采集和显示 图 2 电流型三线制水温变送显示器系统框图 4．．．．选用选用选用选用 TI 器件的依器件的依器件的依器件的依据据据据，，，，选型理由选型理由选型理由选型理由 (1) MSP430F1611 MSP430 是业内低功耗最出色的混合信号处理器它把许多模拟、数字电路和 微处理器集成在一个芯片上，集成了丰富的外围功能模块及总线控制模块，提供 了“单片”解决方案。MSP430最大的特色是它的超低功耗，这样就特别适用于 PDA等低功耗应用场合。而选择MSP430F1611 是由于它集成的功能模块比较齐 全（例如 ADC、DAC、USART0、USART1、DMA等）而且有 48KB+256B 的 flash 与 10KB 的 RAM 存储器。 (2) ADS8505 由于该芯片为 16 位 ADC，并且具有宽范围的信号电压输入（达到+10V）， 所以大大简化了信号调理的硬件电路，可以保证题目所要求的分辨率和精度。它 采用 16 位并行数据传输，另外由具有灵活而又非常简单的的控制方式，这样简 化了 CPU 对它的控制，简化了程序的编写,也减轻了 CPU 的负担。 (3) XTR105 该芯片为自带两路激励电流源、信号放大、信号调理电流输出的高精度两 线制或三线制集成芯片，它的精度达到了 0.05%，由于信号调理部分对测量的精 度和线性度影响很大，所以第一级的考虑是非常重要的，所以我们采用它。 (4) XTR111 该芯片同样拥有高精度，外围器件少使用方便。 (5) RCV420 由于前面二种芯片都为 4~20mA 电流，所以需要将电流转电压才能进行电 压式传输，该芯片可以将 4~20mA 电流高精度的转为 0~5V 电压信号。 (6) OPA353 信号调理和变送 信号采集和显示 图 3 电流型二线制水温变送显示器系统框图 不管是哪一种传输方式，传输线电阻及信号变送器内阻对 ADC 的信号采集 有着比较大的影响，所以需要隔离。OPA353 是一款高输入阻抗低输出阻抗的轨 到轨高精度运放，而且可以单电源供电，很好的符合了设计要求。 三三三三、、、、所使用所使用所使用所使用 TI 模拟器件简介模拟器件简介模拟器件简介模拟器件简介 1．．．．硬件设计注意事项及小窍门硬件设计注意事项及小窍门硬件设计注意事项及小窍门硬件设计注意事项及小窍门 (1) RCV420 1脚和 2脚，2脚和 3脚间的电阻要采用 DATASHEET 上所给的标称 301Ω， 这个电阻对系统的线性度影响很大。 (2) XTR105 芯片性能相当优秀，建议使用转接板或直接用 PCB板使用专业方法焊接， XTR105 有 8脚和 9脚接三级管和不接的二种连接方法，建议使用接三极管的方 法，这样可以减少温漂对芯片性能的影响。 (3) XTR111 要使用 P沟道MOS 管，并且对 P沟道MOS 管的一些参数有要求，这个需 要注意。 (4) ADS8505 供电一定要好，并且应该对电源去耦良好，最普遍的做法是在电源并联二 个分别是 0.01uF 和 1uF 的电容。使用 ADS8505 内部参考源那么参考源缓冲输出 端到地的电容应该使用温度系数好的钽电容。 (5) MSP430-1611 开板时可以将单片机单独开在一块小板上，在插到开发板上，以免单片机 烧坏而使整片板子报废。 2．．．．软件设计注意事项及小窍门软件设计注意事项及小窍门软件设计注意事项及小窍门软件设计注意事项及小窍门 使用单片机对各个外设进行控制，最基本的就是按照外设的时序控制外设 有条不紊的工作，比如液晶，ADC，DAC等等。我们介绍的是这次用到的 TI 公 司的 ADC 芯片 ADS8505。它是 16 位数据并行接口，外有 BUSY/RC/CS 三个控 制状态口。它有三种转换控制方式，这次设计采用的是将 CS 拉低的方式。由 BUSY 来表明 ADC 的当前状态，由拉低 RC开始 ADC 转换。按照数据手册给的 时序，当拉低 RC 时需要查询 BUSY 的状态等待 BUSY 变高时再读出数据，这 样 CPU 一直工作在查询状态即活动状态，这对有低功耗要求的设计来说是不可 以接受的。所以设计中采用中断方式，当 BUSY 有低变高触发中断从而唤醒 CPU 读取数据。这样大部分时间 CPU 都工作在低功耗，远远降低了功耗，也显示出 了 MSP430最大的优势。 四四四四、、、、MSP430 使用使用使用使用 1. 外设接口概况外设接口概况外设接口概况外设接口概况，，，，硬件设计注意事项硬件设计注意事项硬件设计注意事项硬件设计注意事项 本次设计中我们使用到基于本次设计中我们使用到基于本次设计中我们使用到基于本次设计中我们使用到基于 MSP430 的外设如下的外设如下的外设如下的外设如下：：：： (1) 16 位 ADC 芯片 ADS8505，ADS8505 是数据并行传输的 ADC 芯片，使 用 MSP430 的 P4、P5 口作为 16 位数据口，使用二个 I/O 口作控制口，分别是 CS/BUSY。 (2) 线性键盘，这次设计使用 MSP430 的 P1口的五个 I/O口作为键盘接口， 由于 P1、P2口都具有单个 I/O口的中断功能，由于我们采用中断方式所以硬件 比较简单。 (3) 液晶 FYD128640402B,设计使用 P3口作为液晶的数据/命令/状态口，使 用三个 I/O口作液晶的控制口。 (4) 声光报警，设计使用 P2口的三个 I/O口作温度过高过低声光报警。 硬件设计需要注意的事项硬件设计需要注意的事项硬件设计需要注意的事项硬件设计需要注意的事项：：：： (1) 使用 ADS8505 时由于该芯片的 90%的功耗是在内部模拟部分上，所以 给它供电的数字电和模拟电最好分开，如果用一个电源那最好接合适的电容给电 源去耦，这样可以保证 ADC 的芯片的性能。 (2) 该芯片的 pin4 是内部参考源的缓冲输出，所以一个 2.2uF 的电容是需要 的，在使用中最好用钽电容，这样参考源受温度的影响系数会下有利于精度的提 高。 (3) 由于 MSP430 的 I/O 口的灌电流还是拉电流都限制在 6mA 左右，所以 一般不要直接用它驱动 LED 或蜂鸣器等，最通常的做法是外接三极管驱动。 2. 丰富内部电路的应用技巧丰富内部电路的应用技巧丰富内部电路的应用技巧丰富内部电路的应用技巧 (1) 硬件乘法器 内部有硬件乘法器，它通过内部总线与 CPU 相连，所以大大加强了 MSP430 的功能，提高了数据处理能力。由于第二个操作数写入完毕乘法就开始，所以在 取结果之前一般插入 1~2条指令，以保证运算时间的需要；如果多处使用硬件乘 法器的情况，必须在确定每一次使用完成后再进行下一次 使用。 (2) ADC 采用内部参考源，在软件中校正；如果对分辨率要求比较高，建议在软件 中通过过采样的方式提高采样分辨率，并且噪声也下降，这样既达到要求也避免 使用昂贵的片外 ADC。 (3) FLASH 存储模块 在对 FLASH操作期间避免读 FLASH 内容，不然会引发 ACCVFIG状态位 的设置；由于对 FLASH操作需要较长的时间，建议操作前先停掉看门狗定时器； 对 FLASH 的所有操作建议在 FLASH 空的区域进行，不要在程序存储区进行操 作，并且操作期间不要允许中断的发生。 3. 低功耗实现低功耗实现低功耗实现低功耗实现 MSP430 的最大特色就是它的超低功耗，待机电流小于 1uA，活动模式耗电 250uA/MIPS,I/O 输 入 端 口 漏 电 流 最 大 为 50nA, 共 有 五 种 省 电 模 式 （LPM0~LPM4）。 (1) 如果对处理速度要求不高那建议使用低频时钟，关闭不需要的功能模 块。 (2) 用中断控制程序的运行，比如使用 ADC 采样模块，通过定时器溢出中 断唤醒 CPU，然后进行 ADC 采样，完毕后进入低功耗模式。 (3) 在冗长的软件计算中使用单周期的 CPU 寄存器，乘法运算可以使用硬 件乘法器做，加快处理速度，减小 CPU 处于活动模式的时间。 (4) 液晶显示通过定时器刷新显示，在不刷新的时候 CPU 进入低功耗模式。 (5) 在次设计使用的是线性键盘，由于连接在 P1端口，由于 P1端口具有单 个 I/O 口的中断能力，所以在无按键的时候 CPU 处在低功耗，当有按键时触发 中断唤醒 CPU 然后获取键值。 4. 编程感想及软件设计注意事项编程感想及软件设计注意事项编程感想及软件设计注意事项编程感想及软件设计注意事项。。。。 这次比赛是使用 MSP430 作核心控制芯片，使用 IAR编译环境用 C语言编 程。IAR C430 对 MSP430支持的非常好，可以充分发挥 MSP430 单片机的功能。 用 C 语言可提高软件开发、执行效率以及程序的可读性、可靠性和可移植性。 当然为了避免使用低效的语言结构，理解MSP430 的结构限制是非常重要的，下 面是我的一点感想： (1) 因为在 MSP430 上位域类型上执行缓慢，所以仅在保存数据存储空间时 才使用它。使用 unsigned char 或 unsigned int 的位屏蔽来代替位域。 (2) 建议使用 unsigned 类型，特别是除法和求模运算，对 16 位数据类型， MSP430 的工作效率更高，通常 8 位数据类型的使用可以节省数据空间，但不可 以减少代码大小。由于 MSP430结构不直接支持 32 位数据类型，所以效率较低。 (3) 复制结构（Sruct）和联合（Union）是耗费较大的操作。应该避免运行 结构/联合的赋值等。建议采用指向结构/联合的指针操作。 (4) 在其他模块之外不使用的变量应当被声明为静态，这样将改善把他们暂 时保存在寄存器中的可能性。 而对于软件设计需要注意的部分如下： (1) 从上到下分层结构设计，再向下细化每个层面的工作以及接口。 (2) 将工程分为几个独立模块，这样可以发挥团体合作的优势，可以分工合 作，但是必须约定好各个模块的接口以及局部变量类型。 (3) 尽量统一每个队员的编程风格，这样有利于各个模块高效衔接。 (4) 设计采用高效的算法，实现软件流程。 (5) 尽量应该将用到的宏定义，函数原型声明等建立单独的头文件，使用条 件编译等。 五五五五、、、、作品达到的作品达到的作品达到的作品达到的性能指标性能指标性能指标性能指标。。。。 1．．．．系统测试方法系统测试方法系统测试方法系统测试方法 测量设备：GDM——8145台式数字万用表、变阻箱(最小阻值为 0.1Ω)。 对于三种工作模式，分别进行了 10Ω步进的测试。并记录下测试电压（电 流）和显示温度，与理论电压（电流）和理论显示温度进行比较。 测试方法： (1) 变阻箱模拟温度传感器，电压表接在 RCV420 输出端，测变送输出电压。 (2) 电流表串接在 XTR111 输出端，测变送输出电流。 (3) 电流表串接在 24V 电源输出端，测电源电流。 2．．．．测试性能概览测试性能概览测试性能概览测试性能概览 项目 项目项目 项目 题目要求的指标 题目要求的指标题目要求的指标 题目要求的指标/ // /功能 功能功能 功能 实现的指标 实现的指标实现的指标 实现的指标/ // /功能 功能功能 功能 电压型线性度 0.1% 0.1% 达到 电压型显示精度 0.1℃ 0.09℃达到 24V 电源 24V±0.12V 50mA 24.00V 达到 55mA 达到 三线制线性度 0.1% 0.05%达到 三线制显示精度 0.1℃ 0.09℃达到 两线制线性度 1% 0.03125%远远超过 远远超过远远超过 远远超过 两线制显示精度 0.1℃ 0.08℃达到 三线制 负载 100～300Ω时的恒流要 求 达到 附加功能 声光报警功能 3．．．．误差分析误差分析误差分析误差分析 (1) 线性度： 从两线制单单使用 XTR105 时实际测试结果来看，XTR105 的线性度和精度 都相当高，因而可以达到 0.03125%的线性度。 但在电压型中，可以看到，误差相对来说比较大，通过分析，我们认为： 在电压型中，一方面是由于采用的是 XTR105+RCV420 级联的方式，使得 误差累积；另一方面，在实际制作中，我们发现，RCV420 的精度与线性度相对 XTR105 来说要低，分别为 0.1%和 0.0002%。理论分析上线性度是可以提高的（因 为芯片线性度为 0.0002%），但我们发现，虽然计算得出 1 脚和 2 脚，2 脚和 3 脚间的电阻因为 300Ω，但必须要使用 PDF 上标称的 301Ω才能把线性度提高到 题目要求之内。我们认为，这两个电阻很大的影响了这部分的线性度（由于没有 301Ω的精密电阻，我们采用电位器微调的方式）。 在三线制中，由于级联了 XTR111，也引入了累计误差。 (2) 精度： 我们发现，虽然在 ADS8505前端电压相当准确的时候，液晶显示的温度值 有一定的误差，我们认为，这是 ADC 模块的误差引起的，包括 ADS8505 的外围 电路（主要）和芯片本身的误差。但误差并不大，通过软件整体或分段修正即可 达到题目要求。 4．．．．进一步改进进一步改进进一步改进进一步改进 如果不按题设的要求，必须使用 XTR111 和 RCV420，我们发现单使用 XTR105 可以使线性度有很大的提高。 此外，如果能在精确调整之后，将整体电路利用 PCB开出电路板，减少连 线引起的干扰，也可以提高精度与线性度。