二线制变送器的研制与实现

吴德波 黄秋豹 田树龙（中国核电工程有限公司采购部，北京 100840）

二线制变送器的研制与实现

吴德波 黄秋豹 田树龙
（中国核电工程有限公司采购部，北京 100840）

本文结合作者设备采购及现场应用经验，提出一种基于单片机控制技术的二线制变送器的研制方法，并对其实现，对变送器的设计、采购及现场应用均有一定参考意义。

二线制；变送器 ；单片机；C8051F002

作者结合日常设备采购工作中对仪表选型时，发现工业就地测量的各类非电物理量，如温度、压力、流量、转速等，均是采用变送器就地转换成模拟电信号，然后传输到几百米外的控制室或显示设备上。其中最广泛的是用4～20mA电流变送器来传输模拟量，原因是不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA 是因为防爆的要求，下限没有取0mA 而是取4mA是为了能检测断线，而且考虑电流环上器件的耗电。

较为常见的4～20mA变送器分为四线制变送器（两根电源线、两根电流输出线）、三线制变送器（电流输出与电源公用一根线）及两线制。本文主要研制的是两线制，作者认为变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4～20mA 之间根据传感器输出而变化，显示仪表只需要串在电路中即可，这使得二线制成为可能。由于二线制变送器省去两根电源线，由于电源线是远端给就地端供电，往往长达数百米，这无疑降低很大成本，因此工业应用中两线制变送器越来越普遍。结合此背景，本文介绍了基于C8051F002单片机技术的4～20mA变送器的研制与实现。

1 二线制变送器硬件设计

1.1 变送器总体结构。二线制变送器是将就地传感器输出的毫伏级电压信号通过信号调理电路进行调节放大，调节后的信号控制在0～2.5V之间，然后通过C8051F002单片机AN0通道采集进行12位A/D转换，再在C8051F002内经过一定算法实现并线性化处理后，利用C8051F002自带的12位D/A转换器DAC0进行模数转换，输出电压在0.4～2V之间，最后通过V/I转换电路输出4～20mA电流，电流输出线也是变送器的供电电源线（24V，GND），具体结构框图如图1所示。

1.2 变送器主要电路介绍

（1） 调节及放大电路。单片机的信号输入范围为0～2.5V，以阻式差压传感器为例，其检测到的电压信号为毫伏级的弱信号，故必须将其放大。系统选用AD公司的AD620仪用放大器作为系统的信号处理放大器。该放大器的输入端与传感器的输出相连，AD620是一种低功耗、高精度的仪表放大器，具有良好的交直流特性，并且可以方便的改变放大增益，增益公式为K=49.4kΩ/R5+1，其中R5为反馈电阻，其阻值决定AD620的放大增益。经调节放大的信号送单片机ADC0采样。

（2）C8051F002单片机处理电路。信号调节放大电路输出0～2.5V之间的某一直流电压，发送到C8051F002的ADC0进行12位A/D转换，转化后的数字信号通过C8051F002进行线性化处理，再通过单片机自带的DAC0进行12位D/A转化，然后送往V/I电路，DAC0输出电压为0.4V～2V之间的某一值。ADC0及DAC0采用的参考电压+2.5V，由XTR115输出提供。

（3）V/I转换电路。单片机的DAC0输出直流电压经精密电阻后进入XTR115，对应4引脚将输出4～20mA中间某一电流值，通过长双绞线发送到接收端，接收端负载串联到整个环路中。XTR115连接的三级管Q1及稳压二极管D3作用是防止输出电流过大或上电过程中过冲脉冲损坏芯片。

2 二线制变送器软件设计

二线制变送器的软件设计主要是C8051F002单片机程序，主要包括ADC0采用程序、数据处理程序以及DAC0数模转换程序。程序是KEIL编译环境下用C语言实现，图2为主流程图，此为设计思路，限于篇幅，具体程序代码不再体现在本文章中。

结语

本文总结了市场上变送器类型，总结出二线制变送器的特点，并从硬件、软件方面对二线制变送器进行研制与实现。由于传感器输出难免出现非线性等问题，文章采用C8051F002单片机对采样的数据进行运算处理，并配以校验，以达到精准测量。

[1]潘琢金. C8051F000/1/2/5/6/7混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[M]. 2005.

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