一種直流電壓信號(hào)變送裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種直流電壓信號(hào)變送裝置，包括第一差分電壓獲取模塊、控制模塊、電流變送模塊、第二差分電壓獲取模塊、顯示模塊、按鍵模塊，所述第一差分電壓獲取模塊與控制模塊相連，所述控制模塊與電流變送模塊相連，所述電流變送模塊與第二差分電壓獲取模塊相連，所述按鍵模塊、顯示模塊分別與控制模塊相連接。本實(shí)用新型是基于電壓-電流、電流-電壓轉(zhuǎn)換原理的直流電壓變送裝置，采用單片機(jī)作為控制中心，以直流變送芯片作為電流發(fā)生器，以單片機(jī)自帶的12位AD和DA實(shí)現(xiàn)輸入電壓與輸出電壓的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)直流電壓信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸穩(wěn)定，傳輸距離遠(yuǎn)，并且抗干擾能力強(qiáng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種直流電壓信號(hào)變送裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種直流電壓信號(hào)變送裝置，屬于傳感器的電壓信號(hào)傳送領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]電壓在微電子領(lǐng)域中常常作為信息的載體，許多傳感器以電壓信號(hào)來(lái)表示所測(cè)量的物理量。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，用儀表放大器來(lái)完成信號(hào)的調(diào)理并進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸，是非常常見(jiàn)的。但會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題:第一，由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)受到外界環(huán)境的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降。
[0003]在熱處理行業(yè)中，使用K型熱電偶通過(guò)電壓實(shí)時(shí)反映出熱處理點(diǎn)的溫度，然后通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線將K型熱電偶產(chǎn)生的直流電壓信號(hào)接入控制系統(tǒng)。補(bǔ)償導(dǎo)線只適用于對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，遠(yuǎn)距離傳輸電壓信號(hào)，會(huì)使得信號(hào)失真。
[0004]在實(shí)際應(yīng)用中，室外熱處理環(huán)境往往非常惡劣，且傳輸距離遠(yuǎn)，補(bǔ)償導(dǎo)線需要幾百米的長(zhǎng)度才能將K型熱電偶產(chǎn)生的直流電壓信號(hào)接入控制系統(tǒng)。然而K型熱電偶產(chǎn)生的電壓信號(hào)非常微弱，其典型值為:600攝氏度時(shí)，電壓為24.905mV，且溫度每升高100攝氏度，電壓升高4mV左右。這樣微弱的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)幾百米導(dǎo)線的傳輸，因?yàn)閭鬏攲?dǎo)線電阻的存在，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中會(huì)有0.4-1.2mV的電壓誤差，反應(yīng)成溫度將有10-30攝氏度的誤差。這在精確溫度控制中是不能忍受的。此外，導(dǎo)線在傳輸電壓信號(hào)的過(guò)程中還非常容易受到外界環(huán)境的干擾，會(huì)有瞬時(shí)高電壓產(chǎn)生，導(dǎo)致控制系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)。
[0005]所以必須將電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸后，再解調(diào)為原始的電壓信號(hào)。在傳統(tǒng)方案中，主要有以下兩種方式:第一，利用模擬-數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸后，再利用數(shù)字-模擬(DA)轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；第二，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)進(jìn)行傳輸，然后再由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為原始的電壓信號(hào)。前者，傳輸形式還是電壓，抗干擾能力不足，且傳輸距離相對(duì)較短，而后者，光電轉(zhuǎn)換價(jià)格昂貴，調(diào)制與解調(diào)過(guò)程復(fù)雜。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種基于電壓-電流、電流-電壓轉(zhuǎn)換原理的直流電壓信號(hào)變送裝置。
[0007]本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種直流電壓信號(hào)變送裝置，包括控制模塊、第二差分電壓獲取模塊、以及分別與所述控制模塊連接的第一差分電壓獲取模塊、電流變送模塊、顯示模塊、按鍵模塊，所述第二差分電壓獲取模塊與直流變送模塊連接；所述第一差分電壓獲取模塊用于獲取所述直流電壓信號(hào)并將該直流電壓信號(hào)放大后傳送給所述控制模塊，控制模塊用于將放大后的直流電壓信號(hào)進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換并傳送給所述電流變送模塊，電流變送模塊將所述控制模塊傳送的電壓轉(zhuǎn)換為電流，再將電流轉(zhuǎn)換為電壓后傳送給所述第二差分電壓獲取模塊，第二差分電壓獲取所述電流變送模塊傳送的電壓并輸出最終電壓信號(hào)。
[0009]優(yōu)選的，所述控制模塊采用MSP430F169單片機(jī)。
[0010]優(yōu)選的，所述電流變送模塊采用XTRl 15芯片。
[0011]優(yōu)選的，所述第一、第二差分電壓獲取模塊均采用AD620AN芯片。
[0012]優(yōu)選的,所述顯示模塊為IXD12864液晶顯示器。
[0013]本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0014]1、本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置，芯片供電電路獨(dú)立于電壓信號(hào)采集系統(tǒng)與電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，傳輸穩(wěn)定，傳輸距離遠(yuǎn)。
[0015]2、本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置，由于空氣中的電流干擾在納安(nA)級(jí)別，而且電流傳輸在4-20mA范圍內(nèi)，兩者相差6-7個(gè)數(shù)量級(jí)，因此抗干擾能力強(qiáng)。
[0016]3、本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置，利用價(jià)格低廉的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，成本低。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置的整體架構(gòu)圖。
[0018]圖2是本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置第一差分電壓獲取模塊的電路圖。
[0019]圖3是本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置電流變送模塊以及第二的差分電壓獲取模塊的電路圖。
[0020]圖4是本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置顯示模塊的電路圖。
[0021]圖5是本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置按鍵模塊的電路圖。
[0022]圖6是本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置控制模塊的電路圖。
[0023]圖7是本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置的電源及DA去耦處理的電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能解釋為對(duì)本實(shí)用新型的限制。
[0025]如圖1所示，本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置，包括第一差分電壓獲取模塊、控制模塊、電流變送模塊、第二差分電壓獲取模塊、顯示模塊和按鍵模塊。第一差分電壓獲取模塊與控制模塊相連，控制模塊與電流變送模塊相連，電流變送模塊通過(guò)遠(yuǎn)距離傳送與第二差分電壓獲取模塊相連，顯示模塊與按鍵模塊分別與控制模塊相連接。
[0026]如圖2所示，為第一差分電壓獲取模塊的電路，待傳送直流電壓信號(hào)接入AD620AN芯片Ul的2腳與3腳之間。AD620AN的4腳接_12V，5腳接GND，6腳接MSP430F169單片機(jī)的P6.3腳(430_AD_1)輸入，7腳接+12V，I腳與8腳之間接滑動(dòng)變阻器Rl。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rl控制輸入的直流電壓信號(hào)放大倍數(shù)。
[0027]如圖3所示，為電流變送模塊以及第二差分電壓獲取模塊的電路，包括2個(gè)0P07DP芯片、電流變送芯片XTRl 15、差分電壓放大芯片AD620AN和DC-DC5V轉(zhuǎn)24V芯片05s24。其中的430_DA_1為MSP430F169單片機(jī)的P6.6輸出，接入U(xiǎn)2電壓跟隨器0P07DP輸入腳3，0P07DP電壓跟隨器U2的2腳與其輸出腳6腳相連，4、7腳分別接-5V和+5V，1、5、8腳不接，輸出腳6腳接電阻R4 —端，電阻R4另一端接電流變送芯片XTRl 15的2腳，XTRl 15芯片的3腳接地，6腳接三極管C945的基極，5腳接三極管C945的發(fā)射極，1、7、8腳不接，而XTRl 15的4腳電流輸出腳通過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸線接精密電阻R5—端，其精度為1%。(千分之一)，精密電阻R5的另一端接24V負(fù)端。
[0028]基于XTRl 15芯片的電流變送模塊采用安時(shí)捷DC-DC直流升壓芯片05s24(5V轉(zhuǎn)24V)供電，05s24的I腳接+5V，2腳接GND，3腳24V電壓輸出負(fù)端接精密電阻R5 —端，4腳24V電壓輸出正端接三極管C945的集電極端。4-20mA電流經(jīng)精密電阻R5實(shí)現(xiàn)了電流-電壓(I/V)轉(zhuǎn)換。
[0029]AD620AN差分運(yùn)放U5得到R5兩端電壓值，具體連接為AD620AN的5腳接GND，2腳接輸入電阻負(fù)端，3腳接輸入電阻正端，4腳接-12V電源，7腳接+12V電源，I腳與8腳不接，6腳輸出腳接滑動(dòng)變阻器R2固定電阻端到GND?；瑒?dòng)變阻器R2的可變電阻端接U6電壓跟隨器0P07DP的輸入腳3。U6電壓跟隨器0P07DP的2腳與輸出腳6腳相連，4、7腳分別接-5V和+5V，1、5、8腳不接，6腳為變送電壓輸出(FINAL_0UTPUT)。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R2對(duì)輸出的變送電壓進(jìn)行微調(diào)。
[0030]如圖4所示，為顯示模塊的電路圖，IXD12864液晶顯示模塊的I腳Vss接GND，2腳Vdd接+3.3V，3腳接上拉電阻R6，電阻R6另一端接+3.3V，IXD12864液晶顯示模塊4腳LCD_RS接MSP430F169單片機(jī)P4.4 口，5腳LCD_RW接單片機(jī)P4.5 口，6腳LCD_E接單片機(jī)P4.6 口，7 腳 LCD_DB0 接單片機(jī) P5.0 口，8 腳 LCD_DB1 接單片機(jī) P5.1 口，9 腳 LCD_DB2 接單片機(jī) P5.2 口，10 腳 LCD_DB3 接單片機(jī) P5.3 口，11 腳 LCD_DB4 接單片機(jī) P5.4 口，12 腳 LCD_DB5接單片機(jī)P5.5 口，13腳LCD_DB6接單片機(jī)P5.6 口，14腳LCD_DB7接單片機(jī)P5.7 口，15腳PSB接+3.3V，16及18腳不接，17腳LCD_RST接單片機(jī)P4.7 口，19腳接+3.3V，20腳接GND。
[0031]如圖5所示，為按鍵模塊的電路圖，KEY3、KEY2、KEY1三個(gè)按鍵分別通過(guò)R9、R8與R7上拉電阻接+3.3V，而輸出分別接MSP430F169單片機(jī)的Pl.2,PL UPl.0 Π 0 MSP430F169單片機(jī)判斷三個(gè)獨(dú)立按鍵是否有鍵被按下，如果有鍵按下，再判斷是哪個(gè)鍵按下。KEYl表示選擇設(shè)定比例系數(shù)k或者直流分量b，KEY2表示系數(shù)自加，KEY3表示系數(shù)自減。比例系數(shù)k自加自減量為0.01，直流分量b自加自減量為1mV (電壓?jiǎn)挝粸閙V)。
[0032]如圖6所示，為單片機(jī)MSP430F169的具體連接圖。MSP430F169單片機(jī)P5.7、P5.6、Ρ5.5、Ρ5.4、Ρ5.3、Ρ5.2、Ρ5.1、Ρ5.0 分別接 LCD 12864 液晶顯示模塊的 LCD_DB7、LCD_DB6、LCD_DB5、LCD_DB4、LCD_DB3、LCD_DB2、LCD_DB 1、LCD_DB0，而 P4.7、P4.6、P4.5、P4.4 接LCD12864液晶顯示模塊LCD_RST、LCD_E、LCD_RW、LCD_RS,以完成對(duì)液晶模塊的控制。獨(dú)立按鍵部分，單片機(jī)MSP430F169的PL 2、P1.UPl.0 口分別接獨(dú)立按鍵KEY3、KEY2、KEY1。單片機(jī)的內(nèi)部的DAC12_1、ADC12_1通過(guò)P6.6、P6.3引腳引出分別接430_DA_1、430_AD_1，如圖2與3中所給出的。另外，單片機(jī)MSP430F169的電源未給出。
[0033]如圖7所示，電源供電使用市電變壓后再經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)幅得到+12V、-12V、+5V、-5V和3.3V的直流電壓，再經(jīng)由1uF與0.1uF并聯(lián)電容濾波，分別向MSP430F169、XTRl 15、0P07DP、AD620AN芯片以及外圍電路所使用的運(yùn)放供電。
[0034]這里的模塊均為現(xiàn)有商用模塊，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可在市面上獲取到，比如，控制模塊采用MSP430F169單片機(jī)，該單片機(jī)擁有超低功耗，且內(nèi)部自帶3路12位AD轉(zhuǎn)換器與2路12位DA轉(zhuǎn)換器；顯示模塊采用IXD12864液晶顯示器；按鍵模塊采用立式4腳輕觸開(kāi)關(guān)；電壓跟隨器采用0P07DP芯片；本實(shí)用新型所要保護(hù)的是各個(gè)模塊之間的連接關(guān)系。
[0035]電流變送模塊采用電壓-電流(V/I)轉(zhuǎn)換芯片XTR115。XTR115芯片是一款精密電流變送芯片，該芯片設(shè)計(jì)巧妙、使用方便，具有超低靜態(tài)電流的特點(diǎn)。它屬于二線制電流變送芯片，內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓可作為傳感器的激勵(lì)源?？芍苯虞斎腚娏骰蛘咻斎腚妷和ㄟ^(guò)串聯(lián)電阻輸入芯片，能對(duì)微弱電流信號(hào)放大100倍，獲得4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出。當(dāng)環(huán)路電流接近32mA是能自動(dòng)限流。且環(huán)路電源電壓的允許范圍寬，為7.5-36V。
[0036]第一、第二差分電壓獲取模塊均采用AD620AN芯片。AD620AN是一個(gè)低成本，高精度的儀表放大器，使用方便，僅需使用一個(gè)外部電阻即可設(shè)置增益。AD620AN具有高精度、低噪聲、低輸入偏置電流、低失調(diào)電壓和低功耗特性的特性，是電子秤和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。AD620AN的電壓增益公式為:G =49.4 kQ/R G + I。其中RG為增益電阻。
[0037]本實(shí)用新型直流電壓信號(hào)變送裝置的工作過(guò)程如下:
[0038]待變送直流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD620AN芯片，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rl控制輸入的直流電壓信號(hào)放大倍數(shù)。然后由MSP430F169單片機(jī)的P6.3 口 12位AD獲取電壓，再由單片機(jī)根據(jù)用戶(hù)通過(guò)獨(dú)立按鍵KEY3、KEY2、KEY1輸入的電壓線性系數(shù)k與b (直流電壓信號(hào)放大后的電壓信號(hào)與R5精密電阻兩端電壓信號(hào)成線性)，以MSP430F169單片機(jī)的P6.6 口 12位DA產(chǎn)生電壓給0P07電壓跟隨器U2，U2產(chǎn)生電壓直接通過(guò)電阻R4輸入XTR115芯片(U3)，執(zhí)行4-20mA遠(yuǎn)距離電流傳送，電流經(jīng)過(guò)電阻R5后，實(shí)現(xiàn)電流與電壓的轉(zhuǎn)換。下面由AD620AN儀表放大器U5取出R5兩端電壓值，AD620AN輸出電壓通過(guò)滑動(dòng)變阻器R2固定電阻端接GND，滑動(dòng)變阻器R2可變電阻端經(jīng)過(guò)0P07DP電壓跟隨器U6輸出電壓，U6輸出電壓即為最終的電壓信號(hào)輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R2對(duì)輸出的變送電壓進(jìn)行微調(diào)。期間，k、b、放大后的直流電壓和理論輸出的變送電壓都將在IXD12864液晶屏幕上實(shí)時(shí)顯示。
[0039]以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種直流電壓信號(hào)變送裝置，其特征在于:包括控制模塊、第二差分電壓獲取模塊、以及分別與所述控制模塊連接的第一差分電壓獲取模塊、電流變送模塊、顯示模塊、按鍵模塊，所述第二差分電壓獲取模塊與直流變送模塊連接；所述第一差分電壓獲取模塊用于獲取所述直流電壓信號(hào)并將該直流電壓信號(hào)放大后傳送給所述控制模塊，控制模塊用于將放大后的直流電壓信號(hào)進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換并傳送給所述電流變送模塊，電流變送模塊將所述控制模塊傳送的電壓轉(zhuǎn)換為電流，再將電流轉(zhuǎn)換為電壓后傳送給所述第二差分電壓獲取模塊，第二差分電壓獲取所述電流變送模塊傳送的電壓并輸出最終電壓信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述直流電壓信號(hào)變送裝置，其特征在于:所述控制模塊采用MSP430F169 單片機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述直流電壓信號(hào)變送裝置，其特征在于:所述電流變送模塊采用XTRl 15 芯片。
4.如權(quán)利要求1所述直流電壓信號(hào)變送裝置，其特征在于:所述第一、第二差分電壓獲取模塊均采用AD620AN芯片。
5.如權(quán)利要求1所述直流電壓信號(hào)變送裝置，其特征在于:所述顯示模塊為IXD12864液晶顯示器。
【文檔編號(hào)】H03M1/66GK204156848SQ201420618004
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】劉恒, 阮瑋琪 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)