2019年12月23日 | 在温度变送器中PIC单片机有什么应用？

引言

在智能仪表设计中，经常用到 A/D 转换器。在常用的 A/D 转换中，7135 应用最为广泛， 它具有 41/2 位 A/D 转换精度，抗干扰能力强，价格低廉，主要用于检测参数的测量显示， 在智能仪器仪表中，常利用其 A/D 转换特性，与单片机串行连接，通过简单的人机界面实现对A/D 转换数据的智能控制。本文以 PIC 单片机与 ICL7135 的实际工程应用为例，介绍一款智能温度控制仪表在温度变送器中的应用。

1 PIC 单片机

PIC 系列 8 位 CMOS 单片机具有独特的 RISC 结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于 8 位的数据位数， 这与传统的采用 CISC 结构的 8 位单片机相比，可以达到 2:1 的代码压缩，速度提高 4 倍。

PIC 有优越开发环境、彻底的保密性、PIC 以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝、自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。在本工程项目中选用了 PIC 中档单片机 PIC16F62x，内部含有 2K flash、224 字节 SRAM、128 字节 EEPROM、16 个 I/O 口、1 个 CCP 捕获通道、2 个比较器通道、2 个 8 位 1 个 16 位定时器、具有 UART 功能。

2 7135 A/D 转换原理

7135 采用高阻抗差分输入方式，总失调电压小于 10μV，其 A/D 转换器采用双积分式， 共分 4 个阶段：自动调零，输入信号积分，标准信号反积分，积分器归零。其当个转换过程如图 1 所示。

由图 1 可以看出，7135 在对输入信号进行积分时，其 BUSY 信号线由低向高跳变并一直保持高电平，直到标准信号反积分结束时才跳变到低电平。在此过程中，对输入信号的积分一般保持 10001 个时钟脉冲，而在满量程的情况下，反相标准积分值为 20001（当 Vin=“2Vref” 时），对于不同的模拟量输入，7135 反向标准积分脉冲数不同，BUSY 信号的高电平宽度也不 同，且反向积分脉冲数正比于输入信号幅度，与测量结果有一一对应关系。在转换过程中，7135 提供一输入信号极性判断引脚 POL，当输入（Vin+-Vin-）为正值时，POL 信号为高电 平，（Vin+-Vin-）为负值时，POL 信号为低电平。

3 7135 与 PIC 单片机的串行连接

由7135 的转换原理可知，可以通过脉冲计数的方式获得测量的结果，且只需要 3 条控 制线 CLK，BUSY，POL。Microchip 推出的 PIC 系列单片机具有驱动能力大，抗干扰能力强，价格适中等优点。其推出的 PIC16F6X 系列，有 2~4K FLASH 内存，1 个 16 位定时器，2 个CCP 比较/捕捉模块，多于 22 个 I/O，唯一的遗憾是没有符合 7135 的采样时钟。考虑到仪表需要通信及隔离模拟变送输出，采用 16M 晶振，利用 16 位定时器 T1 作为 7135 的同步计数 脉冲，BUSY 接于 CCP1 引脚，工作于捕捉方式，用于测量脉冲宽度；而 7135 的 CLK 时钟，则利用 CPU 的晶振接于高速反相器，再经分频取出。考虑到采样速度及对 50Hz 电源的抗干扰影响，以及温度变量的惯性大的特点，取 CLK=“250kHz”，采样速度约为 4 次/min。系统硬 件联接如图 2：

在实际应用中，监测的对象为玻璃熔炉的温度，采用热电偶将信号采集到变送器。作为温度变送器还必须要考虑环境温度的影响。其次，还要考虑到器件的温度漂移，必须在后期 得到的数据对这两个干扰量进行处理才能得到真实的温度值。因此在模拟量的输入部分有三个量需要采集，通过多路模拟开关隔离，再将信号送给运算放大器后进行 A/D 转换。在 A/D 转换部分，由于 ICL7135 本身没有自带的参考电压，因此设计中必须配以精确的参考电压源。

实际应用中采用的是 TL431 可调电压基准，应用中达到了生产要求，效果良好。在变送器的输出部分则需加以隔离并且 MAX485 的输出端接以上，下拉电阻。

4 A/D转换结果的计算处理

定时器 T1 的时钟和 7135 的时钟不是同一个输入，T1 的时钟为系统时钟的 1：128 分，而 7135 的 CLK 为 125KHz，为 CPU 引脚输出的方波脉冲。7135 的 BUSY 脚接 CPU 具有电平中断功能的引脚，这样当 BUSY 为高时便开始计入脉冲数，直到一次转换完毕。对热电偶通道所测得的数据根据其电压—温度特性表进行处理后得到其 温度值，对温度飘移则视 POLARITY 的极性而定，若为正则将其用热电偶温度值减去，否则则加。环境温度直接相加。温度数据处理完毕等待上位机发送指令上传即可。

5 软件设计

系统软件的设计中含有以下几个处理模块：初始化及主程序模块，中断处理模块，数据处理及传送控制输出模块。其中中断处理模块包括通讯中断，捕捉中断处理。数据处理及传送控制输出模块则包括温度对象的数据处理，串行通讯的接收与发送控制。以下简要介绍主程序运行流程与 7135 电平中断处理。程序流程如下：

在 A/D 转换过程中，因为 BUSY 脚上升沿时开始脉冲计数，下降沿是计数即完毕，所得结果 存放在 CCP 寄存器中，它是分 CCPR1H 与 CCPR1L 高、低两个字节共 16 位寄存器。将 CCPR1H左移 4 位加上 CCPR1L 再减去 10001，即为 A/D 转换脉冲的计数值。将转换后的数据按前述方法由软件进行进一步处理。对采样数据的处理过程中，可取对每 4 次或 8 次采样值进行脉冲 滤波，或可以结合其他滤波方法一起例如一阶滤波方法对数据进行处理，送显，控制，这样能使测量更准确，显示更稳定。为保证生产的持续稳定进行提供有力保障。

6 结束语

此温度变送器的工作环境相当恶劣，静电干扰非常大，在调试过程中甚至出现了芯片被静电激穿烧坏的现象，在串行通信的前端加光耦隔离并对 MAX485 芯片 A、B 分别上拉到电源和下拉到地起到了良好的保护作用，在长时间的使用期间此变送器无论是在稳定性、精度、 实时性还是安全性上都表现良好，满足了实际生产的需要。