基于STM32的大气压强变送器设计

赵静龙

（保定莱特整流器股份有限公司，河北 保定 071051）

大气压强变送器主要由单片机、运算放大器、V/I 转换芯片和传感器组合而成，其具有补偿性好、测量精确度高、通信简单、调试方便的特点，并且还有数据处理和控制的功能。目前其主要应用在有气压要求的实验室、气象天气预报的监测、消防实验用的室内气压力测试等领域。

随着社会科学技术的不断进步，尤其是电子产业的飞速发展，将变送器的发展引入了新的领域，目前，国内外变送器发展的特点是集成化、无线化、智能化、小型化。它使用了很多高新技术，如微电子数字处理技术、信号处理技术、传感技术等，相对于传统的变送器来说，现代的变送器具有量程比较大、可靠性较高、精度较高、稳定性较好、采集区间较宽等等这些特点。

本文主要介绍基于STM32 的大气压强变送器的设计，主要包括硬件电路以及单片机采集大气压强传感器值的程序的设计。

图1 大气压强变送器的工作原理图

1 总体设计方案

变送器是实现自动化过程的重要组成部分。它用来实现物理信号量的测量和变换处理。随着容量大，参数高的设备的出现以及复杂工艺的过程。由于越来越依赖自动化技术，以及变送器的使用量在不断地上升，对其性能的要求也就不断的提高。

伴随着快速发展的微电子技术，特别是近年来由于多功能、低功耗单片机的出现以及高精度的传感器的出产，为开发通用型的精确度高的变送器奠定了坚实的基础，大气压强变送器是以单片机处理器为核心的传送装置，其工作原理如图1所示。

大气压强变送器采用CPU 后，不仅可以对温度、大气压强进行测量和变送，还能大大提高系统的精确度和可靠性，外部引线减少。本系统采用4～20mA 电流信号作为输出，由于电流信号不容易受干扰且电流源内阻是无限大，导线在电路回路中以串联的形式并不影响其精度，在普通线上可以传输至数百米。大于20mA 的电流在通断情况下会引起电火花，其电火花的能量可以引燃瓦斯，产生爆炸，所以最大设计为20mA；为了检测线路中是否断线，所以系统最小没有取0mA。总体设计设计原理图如图2所示。

图2 总体设计原理图

2 硬件电路的设计

2.1 单片机的选择

本设计选择STM32 单片机。单片机原理图如图3所示。

图3 STM32 单片机原理图

2.2 放大电路的设计

STM32 单片机接收的数字信号经过计算处理，然后再经A/D 转换为模拟电压信号，其输出电压信号范围为0～3.3V，而0～3.3V 经XTR111 转换后的电流范围为0～16.5mA，由于设计要求输出的电流范围为4～205mA，而且电压量与电流量是线性比例关系，所以需要放大单片机D/A 转化输出的电压信号来达到目标。在此电路中我们选择的是LM321 运算放大器。

LM321 它是一种单运算放大器。LM321 具有低功耗的特点。它还具有很高的单位增益频率，静态电流仅为430μA/amplifier（5V），具有保证0.4V/μs摆率。该器件单、双电源供电下都可以工作。总而言之，LM321 是一款低功耗，供电范围较宽的运算放大器，高性价比使其被普遍的应用，占用电路板的空间小。原理图如图4所示。

2.3 V/I 转换器的设计

输出4～20mA 电流有两种方案，一种是使用集成芯片，另一种是使用分立元件搭建电路，而其中最可行的方案为使用XTR111 V/I 转换芯片。

图4 LM321 原理图

XTR111 是一款精密电压-电流转换器，用于输出0～20mA 或4～20mA 的模拟信号，最大的源极电流可提升到36mA。输入电压与输出电流之间的转换比率是靠Rset电阻来设置，一个外部的P-MOSFET晶体管确保了高输出阻抗和宽范围的电压输出（2V到电源电压V-vsp均可输出）和电压良好的稳定性。可调电压3～15V 的校准输出端可为辅助电路提供电源。原理图如图5所示。

图5 XTR111 原理图

2.4 晶振电路和复位电路设计

本设计采用的是8MHz 和32.768kHz 晶振，8MHz 频率晶振提供单片机内部时钟信号，32.768kHz 晶振为单片机中的时钟提供了一个准确的时钟源。内置复位电路。晶振电路原理图如图6所示，复位电路原理图如图7所示。

图6 晶振电路原理图

图7 复位电路原理图

2.5 大气压强传感器BMP085 模块设计

BMP085 是以压阻效应技术为基础设计的大气压强传感器。包含数模转换器、压力传感器以及操控单元，其中操控单元包括IIC 接口和EEPROM，它具有的特点是稳定性高、线性失真率低、精确度高以及很好的电磁兼容性。BMP085 传输没有经过补偿的大气压强值，电可擦可编程只读存储器储存了176bit 的独立的数值，这些独立的数值用来补偿依赖的参数以及别的参数。

BMP085 是新研发出来的具有很高的精确度的大气压传感器，它的低电压、低功耗的电学特性使它可以很好的适用于GPS 导航器、PDA、手机以及户外装备上。在较低的高度噪声（merely 0.25）快速转换的运行环境下，大气压传感器运行正常。Bosch 公司具有多年开发气压传感器经验，在传感器这块，该公司是全球市场上的佼佼者。

传感器模块设计包括BMP085 大气压强传感器、两个10K 电阻。原理图如图8所示。

图8 传感器模块原理图

IIC 总线上拉10kΩ 的电阻接+3.3V 电源。当IIC闲置时，SDA、SCL 都为高电平。连到IIC 线上的任何元件输出的低电平，IIC 总线信号都将变为低电平，即各元器件的SDA 和SCL 关系是“与”。

3 系统主程序

本软件采用的是高级编程语言C 语言，并采用模块化设计方法，使其便于程序设计和调试。主要模块有采集模块、处理模块、数据输出模块。

数据采集与处理模块主要包括BMP085 传感器采集模块、数据处理模块两大模块。单片机上配置两个模拟IIC，PB6 配置为SCL,PB7 配置为SDA。通过单片机来控制SCL、SDA 的高低电平来传输数据，BMP085 读取数值并通过IIC 传输给单片机处理数据，大气压传感器模块执行单片机通过IIC 发送来的读取大气压强指令，并将采集到的信号传输给单片机。模拟信号输出模块主要是将单片机内数字信号转化为模拟信号输出。主程序流程图如图9所示。

图9 主程序流程图所示

4 系统测试

4.1 测试准备工作

1）在给系统供电前，应先依据系统原理图，用万用表二极管档位检查电路中电源的走线，防止电源与其他引脚产生短路。

2）在单片机通电后检查各个模块器件的I/O 引脚的电位是否正常，特别是单片机上各引脚的电位。

4.2 输出信号的测试

调试方法为在XTR111 的输入端送入模拟量的值，由数字万用表测量电路的输出电流，测试的结果如表1所示。

表1 4～20 mA 输出信号测试表

4.3 测试总结

经过系统测试后，系统预期的功能要求达到了，实现了对物理信号的采集、处理和传输，说明系统设计是可靠的。

5 结论

本论文详细介绍了电流型三线制大气压强变送器的设计，数字信号经过STM32 采样处理后转换为模拟信号，然后通过XTR111 输出4～20mA的电流信号。本设计进行了硬件、软件、系统的整体调试，验证了系统各模块达到了预期目标。

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