1. 引言

随着大规模集成电路尤其是微型计算机的广泛应用，工业自动化仪表发生了根本性的变革，促使常规仪表向高精度、数字化、智能化、模块化、小型轻量化发展。采用微处理器和先进传感器技术的智能变送器是新型现场变送类仪表，其精度、稳定性、可靠性均比模拟变送器优越。它可输出模拟和数字两种信号，而且通过现场总线通信网络可与上位计算机连接，能满足控制系统的应用要求。

2. 系统总体设计要求

本智能信号变送器应用于工业环境时，工作场所不仅有弱电设备，而且有更多的强电设备;不仅有数字电路，而且有一些模拟电路，形成一个强电与弱电、数字与模拟共存的局面。高速变化的数字信号有可能形成对模拟信号的干扰，此外，在强电设备中往往有电感、电容等储能元件，当电压、电流发生剧烈变化时就会形成瞬变噪声干扰。瞬变噪声频谱宽、能量大，对电子器件，尤其对固体组件的危害性更大，也是导致设备故障停机的主要原因。由于考虑到该装置应用环境会比较恶劣，干扰严重，但整个系统的结构又要求简单轻便，这就要求系统既要有较强的抗干扰能力，且使用的硬件资源又要求尽量少。

3 . 硬件电路详细设计

系统选择AT89C52作为其微处理器。AT89C52是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个8KB的Flash可编程只读存储器(EPROM)。它采用CMOS工艺和ATEMEL公司的高密度非易失存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。因此AT89C52是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。

图1 采用RS-422/RS-485总线PC与单片机串行接口原理图

3.1 串行通信接口设计

本智能信号变送器是利用RS-485实现单片机与PC机远距离通信的一种接口，其接口电路如图1所示。在不使用调制解调器的情况下，使用小于100kbps波特率时，信号可传输1200m,本系统传输速率为9600bps，故传送距离可以更远。在主从式多机通信系统中，只有一台主机，从机可以有多台。主机发射的信息可以传送到从机或指定从机，各从机之间不能直接通信。主机通常采用PC机，也可选用单片机，从机常为单片机。

MCS-51用于多机通信时必须工作在方式2或方式3，作为主机的MCU的SM2应为0，作为从机的MCU的SM2应设定1。多机通信中，主机通常是把从机地址作为8位数据(第9位数据位1)发送。因此，MCS-51构成的多机通信系统最多允许255台从机，地址从00H到FEH , FFH作为一条控制命令由主机发给从机，以便使被寻址的从机的SM2=1。

3.2 电源与温度采集信号调理电路

前向通道中，根据电路配置状况要很好地解决电源供给问题。前向通道与被测对象靠近，而且传感器输出往往是小信号，因此，电源常是前向通道干扰的主要渠道。电源配置时要充分考虑到干扰的隔离与抑制。一般前向通道的电源具有以下特点:小功率;高稳定度、高纯净度;有干扰隔离与抑制措施。本设计自做了电源部分为单片机系统及其外围电路供电，经变压器变压后整流滤波，再经过稳压芯片输出所需电压:±15V和±5V，部分需要精密电源的电路需另外的稳压部件。

本装置采用AD590，它是电流输出型的集成温度传感器。AD590特点是流过器件的电流微安数等于器件所处环境温度的热力学温度数。AD590在出厂前已经较准，精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档。其中M档精度最高，在-55℃~150℃范围内，非线性误差在±0.3℃，故不再进行非线性校正。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此电路应经调整。把AD590放于冰水混合物中，调整电位器，使Vo=273.2mV。虽然本集成温度传感器体积小、寿命长、使用方便、价格低、线性好，但其测量范围窄;而热敏电阻的非线性严重，稳定性差，不可用于精确测量，主要用于温度补偿和保护;常用测温传感器是热电阻和热电偶。

3.3  V/F转换电路与A/D转换电路

按照设计要求本部分设计电路为完成将1~5V的电压信号转化为频率输出，本部分设计的目的:频率信号易于传输，且抗干扰能力强，更可以实现信号的隔离传输，应用范围极广，下面电路实现了这一功能，硬件原理图如图2所示。

本电路采用了VFC32芯片，它是一片电压频率和频率电压转换器，也简称为V/F与F/V转换器。这种芯片在进行V/F转换时，可以对正电压或负电压进行转换，也可以对正输入电流或负输入电流进行转换;而构成这种转换结构只需要少量外部元件。选择不同的A/D转换芯片，与计算机的接口电路要求不同，A/D转换芯片输入的模拟电压都有规定的要求，如0~+5V, 0~+10V, 0~+2V等，因此要考虑到传感器输出信号与之匹配。本装置采集温度变化频率小于6Hz，故本电路综合考虑这些问题，我们最后选用12位的逐次比较式的A/D转换器AD574A。若为了提高输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可增加采样保持器。

图2 V/F转换电路

3.4 译码显示与驱动电路设计

本设计的显示电路采用静态显示方式，在静态显示方式下，LED显示器各显示段的工作电流是恒定的，故不必采取抗干扰措施。设计中采用了MC14499可以简单地实现一个芯片完成数据的输出并驱动4位LED显示。

对驱动电路的设计，主要应解决两个问题:A、弱电(MCU系统)和强电(AC220V)的隔离;B、对强电的控制。设计中采用了功率双向可控硅晶闸管器件，负载为直接输出。当PWM输出为“1”时触发双向晶闸管，负载通路，有电流通过;当PWM输出为“0”时不触发双向晶闸管，负载电路不通，没有电流通过负载。由于被控制对象多为感性元件，故在电路中接了一个4700pF的电容，来校正零相位。

3.5 通用型设计和信号调节

本智能信号变送器也可以设计为通用型，即在模拟量输入通道上设置控制模拟开关，由单片机通过软件编程选通模拟开关，故该装置也可命名为通用变送设备。数据采集电路见下图3。

89C52单片机通过P1口，控制模拟开关CD4051的输入通道的选通端A, B, C,可以按顺序选通8个输入通道，也可以根据需要有选择地接通输入信号。单片机选通模拟开关时，同时给采样保持器LF398的控制端8脚发出高电平.使之进入采样状态。待采样保持器捕获到输入信号后，单片机发出保持命令，给LF398的8脚发低电平，使之进入保持状态，同时启动AD574进行转换，故若作为通用装置使用时，可以在硬件电路板上添加此电路，当然，还有必要添加可调增益的程控放大器，在软件编程时，由单片机的Pl口线同时控制选择模拟开关通道和程控放大器的量程。

前相通道中，信号调节的任务是将传感器或敏感元件输出的初次电信号转换成能满足计算机或A/D输入要求的标准电平信号。在一般测量系统中信号调节的任务较复杂，除了小信号放大、滤波外，还有诸如零点矫正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等信号调节电路。但在计算机控制中，许多原来依靠硬件实现的信号调节任务都可通过软件实现。这样大大简化了计算机系统中的前向通道结构。本装置在实际调试时是采用集成温度传感器，故可以大大简化了信号调节电路，在此不再叙述。

图3     8路数据采集系统

4. 系统软件主程序设计

主程序(MAIN)完成程序的初始化和参数设置;TO=0中断完成系统的绝大部分功能(数据采集、数字滤波、标度变换、线性化处理、越限处理、模糊控制运算、D/A输出、显示输出、串口输出);T1中断完成PWM输出;串口中断完成数据接受。

系统的主程序是整个数据远传系统的控制基础，主要完成对系统的初始化，包括中断、定时器，数据暂存区的规划和定义，工作方式的选择及各分支子程序的跳转。在工业现场环境中，由于存在严重的电磁干扰，远距离通信等不利因素，采用RS-232总线将不能很好地工作。此时可采用RS422/485总线或20mA电源环等以利用长距离通信。

本程序采用中断方式，设信息传送波特率为9600bps，数据格式为:1位停止位，8位数据位，偶校验。在发送和接受信号准确无误后，开始通信，程序为PC机发送一个TEST信号，单片机接受到后，回送PC机，然后在CRT显示。89C52单片机接收来自IBM-PC的握手信号#0ABH，并检查是否正确，接着发回答信号时，89C52处于中断方式。中断服务程序首先检查RB8中接收到的奇偶校验位，如果检查正确，把接收到的数据存入内存单元，直至收到终止码，则停止通信，返回主程序。

在下位机与上位机串行通信的情形下，工作过程是这样的:VB程序发送与单片机的连接信号。本设计这样规定:#0ABH为上位机发送的联络信号，#0BAH为下位机返回的表示联络正确的信号。VB程序发送#0ABH后能够正确接收到#0BAH单片机返回)确认后，上位机发送控制数据，发送格式:控制参数+设定温度+需下位机传送的数据个数，仅在这种情形下才能认为上位机与下位机正常连接。单片机接收后存往相应的数据存储区。

本文创新点: 本文设计的智能信号变送器通过RS-485实现了数据的远传，最重要的是该仪表与其他仪表的不同之处就在于不仅实现数字信号的远传，同时保留了4~20mA直流电流、1~5V直流电压、频率等输出信号，以便于和各种指示仪表连接，而且，可以根据实际工业监控现场需要，实现温度监控。

参考文献

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[2] 徐力,工业智能变送器设计,电子产品世界,2002.12.

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[4] 李学聪,万频,邓庆华,李军. 一种新型温盐深传感器的数据采集与应用[J]. 微计算机信息, 2007, 4-1: 209-210

[5] 于海春,智能压力变送器设计,淮阴师范学院,2003.2.