趙靜龍

（保定萊特整流器股份有限公司，河北 保定 071051）

大氣壓強(qiáng)變送器主要由單片機(jī)、運(yùn)算放大器、V/I 轉(zhuǎn)換芯片和傳感器組合而成，其具有補(bǔ)償性好、測(cè)量精確度高、通信簡(jiǎn)單、調(diào)試方便的特點(diǎn)，并且還有數(shù)據(jù)處理和控制的功能。目前其主要應(yīng)用在有氣壓要求的實(shí)驗(yàn)室、氣象天氣預(yù)報(bào)的監(jiān)測(cè)、消防實(shí)驗(yàn)用的室內(nèi)氣壓力測(cè)試等領(lǐng)域。

隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，將變送器的發(fā)展引入了新的領(lǐng)域，目前，國內(nèi)外變送器發(fā)展的特點(diǎn)是集成化、無線化、智能化、小型化。它使用了很多高新技術(shù)，如微電子數(shù)字處理技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、傳感技術(shù)等，相對(duì)于傳統(tǒng)的變送器來說，現(xiàn)代的變送器具有量程比較大、可靠性較高、精度較高、穩(wěn)定性較好、采集區(qū)間較寬等等這些特點(diǎn)。

本文主要介紹基于STM32 的大氣壓強(qiáng)變送器的設(shè)計(jì)，主要包括硬件電路以及單片機(jī)采集大氣壓強(qiáng)傳感器值的程序的設(shè)計(jì)。

圖1 大氣壓強(qiáng)變送器的工作原理圖

1 總體設(shè)計(jì)方案

變送器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過程的重要組成部分。它用來實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)量的測(cè)量和變換處理。隨著容量大，參數(shù)高的設(shè)備的出現(xiàn)以及復(fù)雜工藝的過程。由于越來越依賴自動(dòng)化技術(shù)，以及變送器的使用量在不斷地上升，對(duì)其性能的要求也就不斷的提高。

伴隨著快速發(fā)展的微電子技術(shù)，特別是近年來由于多功能、低功耗單片機(jī)的出現(xiàn)以及高精度的傳感器的出產(chǎn)，為開發(fā)通用型的精確度高的變送器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，大氣壓強(qiáng)變送器是以單片機(jī)處理器為核心的傳送裝置，其工作原理如圖1所示。

大氣壓強(qiáng)變送器采用CPU 后，不僅可以對(duì)溫度、大氣壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量和變送，還能大大提高系統(tǒng)的精確度和可靠性，外部引線減少。本系統(tǒng)采用4～20mA 電流信號(hào)作為輸出，由于電流信號(hào)不容易受干擾且電流源內(nèi)阻是無限大，導(dǎo)線在電路回路中以串聯(lián)的形式并不影響其精度，在普通線上可以傳輸至數(shù)百米。大于20mA 的電流在通斷情況下會(huì)引起電火花，其電火花的能量可以引燃瓦斯，產(chǎn)生爆炸，所以最大設(shè)計(jì)為20mA；為了檢測(cè)線路中是否斷線，所以系統(tǒng)最小沒有取0mA。總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)原理圖

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選擇

本設(shè)計(jì)選擇STM32 單片機(jī)。單片機(jī)原理圖如圖3所示。

圖3 STM32 單片機(jī)原理圖

2.2 放大電路的設(shè)計(jì)

STM32 單片機(jī)接收的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過計(jì)算處理，然后再經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，其輸出電壓信號(hào)范圍為0～3.3V，而0～3.3V 經(jīng)XTR111 轉(zhuǎn)換后的電流范圍為0～16.5mA，由于設(shè)計(jì)要求輸出的電流范圍為4～205mA，而且電壓量與電流量是線性比例關(guān)系，所以需要放大單片機(jī)D/A 轉(zhuǎn)化輸出的電壓信號(hào)來達(dá)到目標(biāo)。在此電路中我們選擇的是LM321 運(yùn)算放大器。

LM321 它是一種單運(yùn)算放大器。LM321 具有低功耗的特點(diǎn)。它還具有很高的單位增益頻率，靜態(tài)電流僅為430μA/amplifier（5V），具有保證0.4V/μs擺率。該器件單、雙電源供電下都可以工作?？偠灾?，LM321 是一款低功耗，供電范圍較寬的運(yùn)算放大器，高性價(jià)比使其被普遍的應(yīng)用，占用電路板的空間小。原理圖如圖4所示。

2.3 V/I 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

輸出4～20mA 電流有兩種方案，一種是使用集成芯片，另一種是使用分立元件搭建電路，而其中最可行的方案為使用XTR111 V/I 轉(zhuǎn)換芯片。

圖4 LM321 原理圖

XTR111 是一款精密電壓-電流轉(zhuǎn)換器，用于輸出0～20mA 或4～20mA 的模擬信號(hào)，最大的源極電流可提升到36mA。輸入電壓與輸出電流之間的轉(zhuǎn)換比率是靠Rset電阻來設(shè)置，一個(gè)外部的P-MOSFET晶體管確保了高輸出阻抗和寬范圍的電壓輸出（2V到電源電壓V-vsp均可輸出）和電壓良好的穩(wěn)定性?？烧{(diào)電壓3～15V 的校準(zhǔn)輸出端可為輔助電路提供電源。原理圖如圖5所示。

圖5 XTR111 原理圖

2.4 晶振電路和復(fù)位電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是8MHz 和32.768kHz 晶振，8MHz 頻率晶振提供單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，32.768kHz 晶振為單片機(jī)中的時(shí)鐘提供了一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘源。內(nèi)置復(fù)位電路。晶振電路原理圖如圖6所示，復(fù)位電路原理圖如圖7所示。

圖6 晶振電路原理圖

圖7 復(fù)位電路原理圖

2.5 大氣壓強(qiáng)傳感器BMP085 模塊設(shè)計(jì)

BMP085 是以壓阻效應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的大氣壓強(qiáng)傳感器。包含數(shù)模轉(zhuǎn)換器、壓力傳感器以及操控單元，其中操控單元包括IIC 接口和EEPROM，它具有的特點(diǎn)是穩(wěn)定性高、線性失真率低、精確度高以及很好的電磁兼容性。BMP085 傳輸沒有經(jīng)過補(bǔ)償?shù)拇髿鈮簭?qiáng)值，電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器儲(chǔ)存了176bit 的獨(dú)立的數(shù)值，這些獨(dú)立的數(shù)值用來補(bǔ)償依賴的參數(shù)以及別的參數(shù)。

BMP085 是新研發(fā)出來的具有很高的精確度的大氣壓傳感器，它的低電壓、低功耗的電學(xué)特性使它可以很好的適用于GPS 導(dǎo)航器、PDA、手機(jī)以及戶外裝備上。在較低的高度噪聲（merely 0.25）快速轉(zhuǎn)換的運(yùn)行環(huán)境下，大氣壓傳感器運(yùn)行正常。Bosch 公司具有多年開發(fā)氣壓傳感器經(jīng)驗(yàn)，在傳感器這塊，該公司是全球市場(chǎng)上的佼佼者。

傳感器模塊設(shè)計(jì)包括BMP085 大氣壓強(qiáng)傳感器、兩個(gè)10K 電阻。原理圖如圖8所示。

圖8 傳感器模塊原理圖

IIC 總線上拉10kΩ 的電阻接+3.3V 電源。當(dāng)IIC閑置時(shí)，SDA、SCL 都為高電平。連到IIC 線上的任何元件輸出的低電平，IIC 總線信號(hào)都將變?yōu)榈碗娖?，即各元器件的SDA 和SCL 關(guān)系是“與”。

3 系統(tǒng)主程序

本軟件采用的是高級(jí)編程語言C 語言，并采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使其便于程序設(shè)計(jì)和調(diào)試。主要模塊有采集模塊、處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊。

數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要包括BMP085 傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊兩大模塊。單片機(jī)上配置兩個(gè)模擬IIC，PB6 配置為SCL,PB7 配置為SDA。通過單片機(jī)來控制SCL、SDA 的高低電平來傳輸數(shù)據(jù)，BMP085 讀取數(shù)值并通過IIC 傳輸給單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，大氣壓傳感器模塊執(zhí)行單片機(jī)通過IIC 發(fā)送來的讀取大氣壓強(qiáng)指令，并將采集到的信號(hào)傳輸給單片機(jī)。模擬信號(hào)輸出模塊主要是將單片機(jī)內(nèi)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸出。主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖所示

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試準(zhǔn)備工作

1）在給系統(tǒng)供電前，應(yīng)先依據(jù)系統(tǒng)原理圖，用萬用表二極管檔位檢查電路中電源的走線，防止電源與其他引腳產(chǎn)生短路。

2）在單片機(jī)通電后檢查各個(gè)模塊器件的I/O 引腳的電位是否正常，特別是單片機(jī)上各引腳的電位。

4.2 輸出信號(hào)的測(cè)試

調(diào)試方法為在XTR111 的輸入端送入模擬量的值，由數(shù)字萬用表測(cè)量電路的輸出電流，測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

表1 4～20 mA 輸出信號(hào)測(cè)試表

4.3 測(cè)試總結(jié)

經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試后，系統(tǒng)預(yù)期的功能要求達(dá)到了，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理信號(hào)的采集、處理和傳輸，說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可靠的。

5 結(jié)論

本論文詳細(xì)介紹了電流型三線制大氣壓強(qiáng)變送器的設(shè)計(jì)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過STM32 采樣處理后轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后通過XTR111 輸出4～20mA的電流信號(hào)。本設(shè)計(jì)進(jìn)行了硬件、軟件、系統(tǒng)的整體調(diào)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)各模塊達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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