智能電氣轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了智能電氣轉(zhuǎn)換器，該電氣轉(zhuǎn)換器的電路包括電源電路部分、壓力處理電路部分和微處理器電路部分，依電回路方式連接構(gòu)成電氣轉(zhuǎn)換器的電路；本發(fā)明采用溫度補償技術和數(shù)字模擬雙PID控制算法，反應速度快，穩(wěn)定性高，輸出壓力不過沖，具有抗震動和耐沖擊的特點，模擬電路采用低功耗設計，壓力輸入范圍寬，儀表上LCD直觀顯示輸入電流和輸出壓力，可以隨意設置控制量程，方便現(xiàn)場應用。
【專利說明】智能電氣轉(zhuǎn)換器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電氣轉(zhuǎn)換器，具體涉及智能電氣轉(zhuǎn)換器。
【背景技術】
[0002]電氣轉(zhuǎn)換器作為一種工業(yè)過程儀表，應用范圍廣泛，在定型與加工領域尤其突出。傳統(tǒng)的電氣轉(zhuǎn)換器主要分兩大類，一類是機械式，一類是電氣類，兩大類都是實現(xiàn)電流信號轉(zhuǎn)換為相應線性比例的壓力。機械類電氣轉(zhuǎn)換器具有反應速度快，控制精度高和穩(wěn)定性高的特點，但是受控于安裝角度，需要現(xiàn)場二次校準，并且對于震動場合不適宜使用，耐沖擊性較弱。電子類電氣轉(zhuǎn)換器以先導式壓電閥為核心部件，采用模擬PID控制算法，具有反應速度快，使用壽命長，抗震動的特點，但具有壓力過沖和控制精度不高的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于:提供一種智能電氣轉(zhuǎn)換器，采用溫度補償技術和數(shù)字模擬雙PID控制算法，反應速度快，穩(wěn)定性高，輸出壓力不過沖，具有抗震動和耐沖擊的特點，模擬電路采用低功耗設計，壓力輸入范圍寬，儀表上LCD直觀顯示輸入電流和輸出壓力,可以隨意設置控制量程，方便現(xiàn)場應用。
[0004]本發(fā)明的技術解決方案是:該電氣轉(zhuǎn)換器的電路包括電源電路部分、壓力處理電路部分和微處理器電路部分，依電回路方式連接構(gòu)成電氣轉(zhuǎn)換器的電路；
電源電路部分:4-20mA既作為電源輸入，又作為控制信號輸入，采用LM385作為轉(zhuǎn)換器件，4-20mA輸入電流通過LM385的調(diào)控輸出穩(wěn)定的5V電壓，它又相繼轉(zhuǎn)換成壓電閥需要的土 12V直流電壓和微處理器的3.3V直流電壓，壓電閥需要的土 12V是通過MAXl771把5V電壓轉(zhuǎn)換為12V直流電壓，再用ICL7660把12V直流電壓轉(zhuǎn)換為-12V直流電壓，±12V雙電源給四運算放大器LM324，由5V電壓通過CAT6219-3.3轉(zhuǎn)換成微處理器的3.3V直流電壓；壓力處理電路部分:先導式壓電閥的進口和出口分別接進氣端和出口端，進氣端進氣壓力的范圍為0.14-0.8MPa，在氣路部分的出口處安裝壓力傳感器，差分信號輸出測量出口的壓力，四運算放大器LM324分為4部分:1)第一個運放是壓力傳感器差分信號的放大部分；2)電流信號與壓力信號復合部分，電流信號反串在LM385-ADJ電源負端，隨著電流的增加，產(chǎn)生出增加的負電壓，此負電壓與放大后壓力信號一同進入第二個運放，進行比例運算；3)第三個運放是對第二個運放輸出的信號進行比例積分微分運算，一是輸出給壓電閥的負極，二是輸出給第四個運放；4)第四個運放是對第三個運放的極性進行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相反極性的電壓，給壓電閥的正極，壓電閥上的電壓就是電路處理電壓信號的兩倍；
微處理器電路部分:微處理器采用TI公司的16位MSP430F425，它有3路差分信號輸入的16位ADC和128段液晶，電流通過串接在4-20mA回路電阻上取得，電阻兩端的電壓經(jīng)過電位遷移后直接給MSP430F425的ADC進行AD轉(zhuǎn)換，壓力通過壓力傳感器的差分信號再分一路經(jīng)過0PA2349進行儀用放大后的差分信號直接給MSP430F425的ADC對壓力信號進行AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)壓力控制信號和壓力采集信號MSP430F425做出模糊控制PID算法，經(jīng)過DAC6311進行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模擬電壓。
[0005]本發(fā)明的優(yōu)點是:1、采用兩線制供電，轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，操作靈活，LCD直觀顯示輸入電流與輸出壓力，控制精度高(絕對誤差不大于0.8KPa，市場上傳統(tǒng)產(chǎn)品控制精度在4KPa，并且過沖達到理論值的15%)，反應速度快，穩(wěn)定性高且輸出壓力不過沖，具有抗震動和耐沖擊的特點；2、使用超低功耗嵌入式微處理器，采用數(shù)字PID控制算法為主和模擬PID控制電路為輔的復合控制模式，使得電氣轉(zhuǎn)換器的性能得到極大的提高，使以先導式壓電閥為控制單元的電氣轉(zhuǎn)換器克服了壓力過沖和控制精度不高的缺點，控制效果好，控制精度高；3、使用段碼式LCD液晶顯示器和鍵盤作為人機輸出輸入接口，電路上采用溫度補償傳感器，消除溫度對信號采樣和過程控制的影響，實現(xiàn)氣體壓力的精確，快速，穩(wěn)定控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1為本發(fā)明的電路原理方框圖。
[0007]圖2為圖1的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0008]如圖1所示，該電氣轉(zhuǎn)換器的電路包括電源電路部分、壓力處理電路部分和微處理器電路部分，依電回路方式連接構(gòu)成電氣轉(zhuǎn)換器的電路；
電源電路部分:4-20mA既作為電源輸入，又作為控制信號輸入，采用LM385作為轉(zhuǎn)換器件，4-20mA輸入電流通過LM385的調(diào)控輸出穩(wěn)定的5V電壓，它又相繼轉(zhuǎn)換成壓電閥需要的土 12V直流電壓和微處理器的3.3V直流電壓，壓電閥需要的± 12V是通過MAXl771把5V電壓轉(zhuǎn)換為12V直流電壓，再用ICL7660把12V直流電壓轉(zhuǎn)換為-12V直流電壓，±12V雙電源給四運算放大器LM324，由5V電壓通過AS 1360-3.3轉(zhuǎn)換成微處理器的3.3V直流電壓；壓力處理電路部分:先導式壓電閥的進口和出口分別接進氣端和出口端，進氣端進氣壓力的范圍為0.14-0.8MPa，在氣路部分的出口處安裝壓力傳感器，差分信號輸出測量出口的壓力，四運算放大器LM324分為4部分:1)第一個運放是壓力傳感器差分信號的放大部分；2)電流信號與壓力信號復合部分，電流信號反串在LM385-ADJ電源負端，隨著電流的增加，產(chǎn)生出增加的負電壓，此負電壓與放大后壓力信號一同進入第二個運放，進行比例運算；3)第三個運放是對第二個運放輸出的信號進行比例積分微分運算，一是輸出給壓電閥的負極，二是輸出給第四個運放；4)第四個運放是對第三個運放的極性進行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相反極性的電壓，給壓電閥的正極，壓電閥上的電壓就是電路處理電壓信號的兩倍；
微處理器電路部分:微處理器采用TI公司的16位MSP430F425，它有3路差分信號輸入的16位ADC和128段液晶，電流通過串接在4-20mA回路電阻上取得，電阻兩端的電壓經(jīng)過電位遷移后直接給MSP430F425的ADC進行AD轉(zhuǎn)換，壓力通過壓力傳感器的差分信號再分一路經(jīng)過0PA2349進行儀用放大后的差分信號直接給MSP430F425的ADC對壓力信號進行AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)壓力控制信號和壓力采集信號MSP430F425做出模糊控制PID算法，經(jīng)過DAC6311進行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模擬電壓。
[0009]如圖2所示，4?20mA電流從Jl接口進入電路，Dl的作用主要是為了防止電流反接，C14和R24是抗干擾的作用；R25與R26的阻值分別是100R，并聯(lián)使用；R17與R18的阻值分別是25R，并聯(lián)使用；r20mA電流信號流經(jīng)兩組并聯(lián)的電阻和D2，在它們上面產(chǎn)生的壓降 為0. 2?1V，0. 05、. 25V和5V ；D2 (LM385)的陽極作為整個電路的基準地信號；疊加后并聯(lián) 的兩組電阻上電壓分別為5. 2?6V，-0. 05?-0. 25V和5V ；5. 2?6V經(jīng)過Rl，R2，R28，R27分壓后 輸出給單片機U7(MSP430F425)的ADC0通道進行轉(zhuǎn)換測出4?20mA的電流值；-0. 05?-0. 25V 負電壓主要是起到控制信號的作用；D2的5V電壓給整個系統(tǒng)供電；
壓電閥的供電范圍-24V、24V，電壓遠超過5V，因此要把5V電壓升至12V，在經(jīng)過負 壓變換后產(chǎn)生-12V電壓，就可以滿足壓電閥的需求；U8(MAX1771)及附屬電路的作用是 把5V電壓升至12V，U2(ICL7660)及附屬電路的作用是把12V轉(zhuǎn)換為-12V ; ± 12V電壓給 U4 (LM324)四運放提供電源；
壓力傳感器經(jīng)過J3接入電路，壓力傳感器是差分信號，分為兩路信號，其中一路差 分信號經(jīng)過U1(0PA2349)雙運放及附屬電路組成的儀表放大電路放大后，輸出給單片機 U7 (MSP430F425)的ADC1通道進行轉(zhuǎn)換，測出出口的壓力值；R8、C19與R11、C20是ADC的輸 入阻抗變換；另一路差分信號經(jīng)過U4(LM324)四運放的單元1進行放大，放大信號從1腳輸 出，通過一系列阻容變換進入U4 (LM324)的單元3的9腳；3296封裝的R60電位器對5V電 壓分壓后經(jīng)過R61，進入1腳，主要起調(diào)零作用；阻容變換的R38是3296封裝的電位器，與 R23串聯(lián)主要是起到調(diào)節(jié)量程范圍的作用；R37也是3296封裝的電位器，與C7，R39結(jié)合，主 要起到調(diào)節(jié)控制特性的作用；-0. 05^-0. 25V負電壓也在此與上述兩種信號匯合，調(diào)節(jié)壓電 閥的電壓輸出；3296封裝的R43電位器與R33串聯(lián)，起到調(diào)節(jié)整個放大電路放大倍數(shù)的作 用；組合后的信號經(jīng)8腳輸出，進入U4(LM324)的單元4的13腳，在這里進行比例積分微分 運算，14腳為輸出信號，一方面提供壓電閥的負信號，另一方面給U4(LM324)的單兀2的6 腳，這部分電路主要是完成極性轉(zhuǎn)換作用，經(jīng)7腳輸出提供壓電閥的正信號，壓電閥的輸出 接口是J2 ；
U7 (MSP430F425)是TI公司的超低功耗的16位單片機，自帶液晶驅(qū)動和3通道16位 ADC，因此可以大大簡化外圍電路，Y1的32. 768KHZ晶振提供基準時鐘，U7內(nèi)部經(jīng)過倍頻 后給單片機的各個模塊使用，但是倍頻越高，功耗越大，本轉(zhuǎn)換器采用的是2倍頻；單片機 還有4位鍵盤電路，按鍵按下低電平有效，通過按鍵實現(xiàn)輸入指令；U10(DAC6311)是10 位DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器，與U7是SPI接口方式，主要起數(shù)字PID運算作用，運算后模擬信號經(jīng) U10的6腳串聯(lián)R62后輸出到U4(LM324)的13腳，與模擬PID運算混合后驅(qū)動壓電閥； U7 (MSP430F425)是3. 3V供電，D1產(chǎn)生的5V電壓電容濾波后經(jīng)過U6 (AS1360-3. 3)輸出3. 3V 的直流電壓，給U7供電；U9是定制的LCD段碼液晶，顯示電流、壓力等各種使用到的參數(shù)。 [0010] 以上器件均為超低功耗器件，滿足系統(tǒng)要求，3mA供電情況下，本智能電氣轉(zhuǎn)換器 仍然可以穩(wěn)定的工作。
【權利要求】
1.智能電氣轉(zhuǎn)換器，其特征在于:該電氣轉(zhuǎn)換器的電路包括電源電路部分、壓力處理電路部分和微處理器電路部分，依電回路方式連接構(gòu)成電氣轉(zhuǎn)換器的電路； 電源電路部分:4-20mA既作為電源輸入，又作為控制信號輸入，采用LM385作為轉(zhuǎn)換器件，4-20mA輸入電流通過LM385的調(diào)控輸出穩(wěn)定的5V電壓，它又相繼轉(zhuǎn)換成壓電閥需要的土 12V直流電壓和微處理器的3.3V直流電壓，壓電閥需要的± 12V是通過MAXl771把5V電壓轉(zhuǎn)換為12V直流電壓，再用ICL7660把12V直流電壓轉(zhuǎn)換為-12V直流電壓，±12V雙電源給四運算放大器LM324，由5V電壓通過CAT6219-3.3轉(zhuǎn)換成微處理器的3.3V直流電壓；壓力處理電路部分:先導式壓電閥的進口和出口分別接進氣端和出口端，進氣端進氣壓力的范圍為0.14-0.8MPa，在氣路部分的出口處安裝壓力傳感器，差分信號輸出測量出口的壓力，四運算放大器LM324分為4部分:1)第一個運放是壓力傳感器差分信號的放大部分；2)電流信號與壓力信號復合部分，電流信號反串在LM385-ADJ電源負端，隨著電流的增加，產(chǎn)生出增加的負電壓，此負電壓與放大后壓力信號一同進入第二個運放，進行比例運算；3)第三個運放是對第二個運放輸出的信號進行比例積分微分運算，一是輸出給壓電閥的負極，二是輸出給第四個運放；4)第四個運放是對第三個運放的極性進行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相反極性的電壓，給壓電閥的正極，壓電閥上的電壓就是電路處理電壓信號的兩倍； 微處理器電路部分:微處理器采用TI公司的16位MSP430F425，它有3路差分信號輸入的16位ADC和128段液晶，電流通過串接在4-20mA回路電阻上取得，電阻兩端的電壓經(jīng)過電位遷移后直接給MSP430F425的ADC進行AD轉(zhuǎn)換，壓力通過壓力傳感器的差分信號再分一路經(jīng)過OPA2349進行儀用放大后的差分信號直接給MSP430F425的ADC對壓力信號進行AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)壓力控制信號和壓力采集信號MSP430F425做出模糊控制PID算法，經(jīng)過DAC6311進行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模擬電壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的智能電氣轉(zhuǎn)換器，其特征在于:1~20πιΑ電流從Jl接口進入電路，R25與R26的阻值分別是100R，并聯(lián)；R17與R18的阻值分別是25R，并聯(lián)；4~20mA電流信號流經(jīng)兩組并聯(lián)的電阻和D2，在它們上面產(chǎn)生的壓降為0.2^1V,0.05、.25V和5V；D2(LM385)的陽極作為整個電路的基準地信號；疊加后并聯(lián)的兩組電阻上電壓分別為5.2~6V，-0.05~-0.25V和5V ；5.2~6V經(jīng)過Rl，R2，R28, R27分壓后輸出給單片機U7 (MSP430F425)的ADCO通道進行轉(zhuǎn)換，測出4~20mA的電流值；-0.05~-0.25V負電壓起控制信號的作用；D2的5V電壓給整個系統(tǒng)供電； 壓電閥的供電范圍-24V、24V，U8 (MAX1771)及附屬電路把5V電壓升至12V，U2(ICL7660)及附屬電路把12V轉(zhuǎn)換為-12V ;±12V電壓給U4(LM324)四運放提供電源；壓力傳感器經(jīng)過J3接入電路，壓力傳感器是差分信號，分為兩路信號，其中一路差分信號經(jīng)過Ul(OPA2349)雙運放及附屬電路組成的儀表放大電路放大后，輸出給單片機U7 (MSP430F425)的ADCl通道進行轉(zhuǎn)換，測出出口的壓力值；R8、C19與Rll、C20是ADC的輸入阻抗變換；另一路差分信號經(jīng)過U4(LM324)四運放的單元I進行放大，放大信號從I腳輸出，通過一系列阻容變換進入U4(LM324)的單元3的9腳；3296封裝的R60電位器對5V電壓分壓后經(jīng)過R61，進入I腳調(diào)零；阻容變換的R38是3296封裝的電位器，與R23串聯(lián)調(diào)節(jié)量程；R37也是3296封裝的電位器，與C7、R39結(jié)合調(diào)節(jié)控制；-0.05'0.25V負電壓也在此與上述兩種信號匯合，調(diào)節(jié)壓電閥的電壓輸出；3296封裝的R43電位器與R33串聯(lián)調(diào)節(jié)整個放大電路放大倍數(shù)；組合后的信號經(jīng)8腳輸出，進入U4(LM324)的單元4的13腳，在這里進行比例積分微分運算，14腳為輸出信號，一方面提供壓電閥的負信號，另一方面給U4(LM324)的單元2的6腳完成極性轉(zhuǎn)換，經(jīng)7腳輸出提供壓電閥的正信號，壓電閥的輸出接口是J2 ； U7 (MSP430F425)是TI公司的超低功耗的16位單片機，自帶液晶驅(qū)動和3通道16位ADC, Yl的32.768KHZ晶振提供基準時鐘，U7內(nèi)部經(jīng)過倍頻后給單片機的各個模塊使用；單片機還有4位鍵盤電路，按鍵按下低電平有效，通過按鍵實現(xiàn)輸入指令；U10(DAC6311)是10位DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器，與U7是SPI接口方式，起數(shù)字PID運算作用，運算后模擬信號經(jīng)UlO的6腳串聯(lián)R62后輸出到U4(LM324)的13腳，與模擬PID運算混合后驅(qū)動壓電閥；U7 (MSP430F425)是3.3V供電，Dl產(chǎn)生的5V電壓電容濾波后經(jīng)過U6 (AS1360-3.3)輸出3.3V的直流電壓，給U7供電； U9是定制的LCD段碼液晶，顯示電流、壓力的參數(shù)。
【文檔編號】G05D16/20GK103777655SQ201410054378
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月18日 優(yōu)先權日:2014年2月18日
【發(fā)明者】袁斌, 陳云, 劉亮, 崔善超, 張生華 申請人:江蘇紅光儀表廠有限公司