一种直流电压信号变送装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种直流电压信号变送装置，包括第一差分电压获取模块、控制模块、电流变送模块、第二差分电压获取模块、显示模块、按键模块，所述第一差分电压获取模块与控制模块相连，所述控制模块与电流变送模块相连，所述电流变送模块与第二差分电压获取模块相连，所述按键模块、显示模块分别与控制模块相连接。本实用新型是基于电压-电流、电流-电压转换原理的直流电压变送装置，采用单片机作为控制中心，以直流变送芯片作为电流发生器，以单片机自带的12位AD和DA实现输入电压与输出电压的线性关系，实现直流电压信号的远距离传输，传输稳定，传输距离远，并且抗干扰能力强。
【专利说明】一种直流电压信号变送装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种直流电压信号变送装置，属于传感器的电压信号传送领域。
【背景技术】
[0002]电压在微电子领域中常常作为信息的载体，许多传感器以电压信号来表示所测量的物理量。在工业现场，用仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，是非常常见的。但会产生以下问题:第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到外界环境的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降。
[0003]在热处理行业中，使用K型热电偶通过电压实时反映出热处理点的温度，然后通过补偿导线将K型热电偶产生的直流电压信号接入控制系统。补偿导线只适用于对热电偶进行冷端补偿，远距离传输电压信号，会使得信号失真。
[0004]在实际应用中，室外热处理环境往往非常恶劣，且传输距离远，补偿导线需要几百米的长度才能将K型热电偶产生的直流电压信号接入控制系统。然而K型热电偶产生的电压信号非常微弱，其典型值为:600摄氏度时，电压为24.905mV，且温度每升高100摄氏度，电压升高4mV左右。这样微弱的电压信号经过几百米导线的传输，因为传输导线电阻的存在，实际工业应用中会有0.4-1.2mV的电压误差，反应成温度将有10-30摄氏度的误差。这在精确温度控制中是不能忍受的。此外，导线在传输电压信号的过程中还非常容易受到外界环境的干扰，会有瞬时高电压产生，导致控制系统报错。
[0005]所以必须将电压信号进行调制，然后经过远距离传输后，再解调为原始的电压信号。在传统方案中，主要有以下两种方式:第一，利用模拟-数字(AD)转换将模拟电压信号转换为数字电压信号，经远距离传输后，再利用数字-模拟(DA)转换将数字信号转换为模拟信号；第二，将电压信号转换成光信号进行传输，然后再由光信号转换为原始的电压信号。前者，传输形式还是电压，抗干扰能力不足，且传输距离相对较短，而后者，光电转换价格昂贵，调制与解调过程复杂。
实用新型内容
[0006]本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种基于电压-电流、电流-电压转换原理的直流电压信号变送装置。
[0007]本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0008]一种直流电压信号变送装置，包括控制模块、第二差分电压获取模块、以及分别与所述控制模块连接的第一差分电压获取模块、电流变送模块、显示模块、按键模块，所述第二差分电压获取模块与直流变送模块连接；所述第一差分电压获取模块用于获取所述直流电压信号并将该直流电压信号放大后传送给所述控制模块，控制模块用于将放大后的直流电压信号进行线性转换并传送给所述电流变送模块，电流变送模块将所述控制模块传送的电压转换为电流，再将电流转换为电压后传送给所述第二差分电压获取模块，第二差分电压获取所述电流变送模块传送的电压并输出最终电压信号。
[0009]优选的，所述控制模块采用MSP430F169单片机。
[0010]优选的，所述电流变送模块采用XTRl 15芯片。
[0011]优选的，所述第一、第二差分电压获取模块均采用AD620AN芯片。
[0012]优选的,所述显示模块为IXD12864液晶显示器。
[0013]本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
[0014]1、本实用新型直流电压信号变送装置，芯片供电电路独立于电压信号采集系统与电流-电压转换电路，传输稳定，传输距离远。
[0015]2、本实用新型直流电压信号变送装置，由于空气中的电流干扰在纳安(nA)级别，而且电流传输在4-20mA范围内，两者相差6-7个数量级，因此抗干扰能力强。
[0016]3、本实用新型直流电压信号变送装置，利用价格低廉的芯片来实现直流电压信号的远距离传输，成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本实用新型直流电压信号变送装置的整体架构图。
[0018]图2是本实用新型直流电压信号变送装置第一差分电压获取模块的电路图。
[0019]图3是本实用新型直流电压信号变送装置电流变送模块以及第二的差分电压获取模块的电路图。
[0020]图4是本实用新型直流电压信号变送装置显示模块的电路图。
[0021]图5是本实用新型直流电压信号变送装置按键模块的电路图。
[0022]图6是本实用新型直流电压信号变送装置控制模块的电路图。
[0023]图7是本实用新型直流电压信号变送装置的电源及DA去耦处理的电路图。
【具体实施方式】
[0024]下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
[0025]如图1所示，本实用新型直流电压信号变送装置，包括第一差分电压获取模块、控制模块、电流变送模块、第二差分电压获取模块、显示模块和按键模块。第一差分电压获取模块与控制模块相连，控制模块与电流变送模块相连，电流变送模块通过远距离传送与第二差分电压获取模块相连，显示模块与按键模块分别与控制模块相连接。
[0026]如图2所示，为第一差分电压获取模块的电路，待传送直流电压信号接入AD620AN芯片Ul的2脚与3脚之间。AD620AN的4脚接_12V，5脚接GND，6脚接MSP430F169单片机的P6.3脚(430_AD_1)输入，7脚接+12V，I脚与8脚之间接滑动变阻器Rl。通过调节滑动变阻器Rl控制输入的直流电压信号放大倍数。
[0027]如图3所示，为电流变送模块以及第二差分电压获取模块的电路，包括2个0P07DP芯片、电流变送芯片XTRl 15、差分电压放大芯片AD620AN和DC-DC5V转24V芯片05s24。其中的430_DA_1为MSP430F169单片机的P6.6输出，接入U2电压跟随器0P07DP输入脚3，0P07DP电压跟随器U2的2脚与其输出脚6脚相连，4、7脚分别接-5V和+5V，1、5、8脚不接，输出脚6脚接电阻R4 —端，电阻R4另一端接电流变送芯片XTRl 15的2脚，XTRl 15芯片的3脚接地，6脚接三极管C945的基极，5脚接三极管C945的发射极，1、7、8脚不接，而XTRl 15的4脚电流输出脚通过远距离传输线接精密电阻R5—端，其精度为1%。(千分之一)，精密电阻R5的另一端接24V负端。
[0028]基于XTRl 15芯片的电流变送模块采用安时捷DC-DC直流升压芯片05s24(5V转24V)供电，05s24的I脚接+5V，2脚接GND，3脚24V电压输出负端接精密电阻R5 —端，4脚24V电压输出正端接三极管C945的集电极端。4-20mA电流经精密电阻R5实现了电流-电压(I/V)转换。
[0029]AD620AN差分运放U5得到R5两端电压值，具体连接为AD620AN的5脚接GND，2脚接输入电阻负端，3脚接输入电阻正端，4脚接-12V电源，7脚接+12V电源，I脚与8脚不接，6脚输出脚接滑动变阻器R2固定电阻端到GND。滑动变阻器R2的可变电阻端接U6电压跟随器0P07DP的输入脚3。U6电压跟随器0P07DP的2脚与输出脚6脚相连，4、7脚分别接-5V和+5V，1、5、8脚不接，6脚为变送电压输出(FINAL_0UTPUT)。通过调节滑动变阻器R2对输出的变送电压进行微调。
[0030]如图4所示，为显示模块的电路图，IXD12864液晶显示模块的I脚Vss接GND，2脚Vdd接+3.3V，3脚接上拉电阻R6，电阻R6另一端接+3.3V，IXD12864液晶显示模块4脚LCD_RS接MSP430F169单片机P4.4 口，5脚LCD_RW接单片机P4.5 口，6脚LCD_E接单片机P4.6 口，7 脚 LCD_DB0 接单片机 P5.0 口，8 脚 LCD_DB1 接单片机 P5.1 口，9 脚 LCD_DB2 接单片机 P5.2 口，10 脚 LCD_DB3 接单片机 P5.3 口，11 脚 LCD_DB4 接单片机 P5.4 口，12 脚 LCD_DB5接单片机P5.5 口，13脚LCD_DB6接单片机P5.6 口，14脚LCD_DB7接单片机P5.7 口，15脚PSB接+3.3V，16及18脚不接，17脚LCD_RST接单片机P4.7 口，19脚接+3.3V，20脚接GND。
[0031]如图5所示，为按键模块的电路图，KEY3、KEY2、KEY1三个按键分别通过R9、R8与R7上拉电阻接+3.3V，而输出分别接MSP430F169单片机的Pl.2,PL UPl.0 Π 0 MSP430F169单片机判断三个独立按键是否有键被按下，如果有键按下，再判断是哪个键按下。KEYl表示选择设定比例系数k或者直流分量b，KEY2表示系数自加，KEY3表示系数自减。比例系数k自加自减量为0.01，直流分量b自加自减量为1mV (电压单位为mV)。
[0032]如图6所示，为单片机MSP430F169的具体连接图。MSP430F169单片机P5.7、P5.6、Ρ5.5、Ρ5.4、Ρ5.3、Ρ5.2、Ρ5.1、Ρ5.0 分别接 LCD 12864 液晶显示模块的 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液晶显示模块LCD_RST、LCD_E、LCD_RW、LCD_RS,以完成对液晶模块的控制。独立按键部分，单片机MSP430F169的PL 2、P1.UPl.0 口分别接独立按键KEY3、KEY2、KEY1。单片机的内部的DAC12_1、ADC12_1通过P6.6、P6.3引脚引出分别接430_DA_1、430_AD_1，如图2与3中所给出的。另外，单片机MSP430F169的电源未给出。
[0033]如图7所示，电源供电使用市电变压后再经过整流、滤波、稳幅得到+12V、-12V、+5V、-5V和3.3V的直流电压，再经由1uF与0.1uF并联电容滤波，分别向MSP430F169、XTRl 15、0P07DP、AD620AN芯片以及外围电路所使用的运放供电。
[0034]这里的模块均为现有商用模块，本领域的技术人员可在市面上获取到，比如，控制模块采用MSP430F169单片机，该单片机拥有超低功耗，且内部自带3路12位AD转换器与2路12位DA转换器；显示模块采用IXD12864液晶显示器；按键模块采用立式4脚轻触开关；电压跟随器采用0P07DP芯片；本实用新型所要保护的是各个模块之间的连接关系。
[0035]电流变送模块采用电压-电流(V/I)转换芯片XTR115。XTR115芯片是一款精密电流变送芯片，该芯片设计巧妙、使用方便，具有超低静态电流的特点。它属于二线制电流变送芯片，内部的2.5V基准电压可作为传感器的激励源。可直接输入电流或者输入电压通过串联电阻输入芯片，能对微弱电流信号放大100倍，获得4-20mA的标准电流输出。当环路电流接近32mA是能自动限流。且环路电源电压的允许范围宽，为7.5-36V。
[0036]第一、第二差分电压获取模块均采用AD620AN芯片。AD620AN是一个低成本，高精度的仪表放大器，使用方便，仅需使用一个外部电阻即可设置增益。AD620AN具有高精度、低噪声、低输入偏置电流、低失调电压和低功耗特性的特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。AD620AN的电压增益公式为:G =49.4 kQ/R G + I。其中RG为增益电阻。
[0037]本实用新型直流电压信号变送装置的工作过程如下:
[0038]待变送直流电压信号经过AD620AN芯片，通过调节滑动变阻器Rl控制输入的直流电压信号放大倍数。然后由MSP430F169单片机的P6.3 口 12位AD获取电压，再由单片机根据用户通过独立按键KEY3、KEY2、KEY1输入的电压线性系数k与b (直流电压信号放大后的电压信号与R5精密电阻两端电压信号成线性)，以MSP430F169单片机的P6.6 口 12位DA产生电压给0P07电压跟随器U2，U2产生电压直接通过电阻R4输入XTR115芯片(U3)，执行4-20mA远距离电流传送，电流经过电阻R5后，实现电流与电压的转换。下面由AD620AN仪表放大器U5取出R5两端电压值，AD620AN输出电压通过滑动变阻器R2固定电阻端接GND，滑动变阻器R2可变电阻端经过0P07DP电压跟随器U6输出电压，U6输出电压即为最终的电压信号输出。通过调节滑动变阻器R2对输出的变送电压进行微调。期间，k、b、放大后的直流电压和理论输出的变送电压都将在IXD12864液晶屏幕上实时显示。
[0039]以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。
【权利要求】
1.一种直流电压信号变送装置，其特征在于:包括控制模块、第二差分电压获取模块、以及分别与所述控制模块连接的第一差分电压获取模块、电流变送模块、显示模块、按键模块，所述第二差分电压获取模块与直流变送模块连接；所述第一差分电压获取模块用于获取所述直流电压信号并将该直流电压信号放大后传送给所述控制模块，控制模块用于将放大后的直流电压信号进行线性转换并传送给所述电流变送模块，电流变送模块将所述控制模块传送的电压转换为电流，再将电流转换为电压后传送给所述第二差分电压获取模块，第二差分电压获取所述电流变送模块传送的电压并输出最终电压信号。
2.如权利要求1所述直流电压信号变送装置，其特征在于:所述控制模块采用MSP430F169 单片机。
3.如权利要求1所述直流电压信号变送装置，其特征在于:所述电流变送模块采用XTRl 15 芯片。
4.如权利要求1所述直流电压信号变送装置，其特征在于:所述第一、第二差分电压获取模块均采用AD620AN芯片。
5.如权利要求1所述直流电压信号变送装置，其特征在于:所述显示模块为IXD12864液晶显示器。
【文档编号】H03M1/66GK204156848SQ201420618004
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】刘恒, 阮玮琪 申请人:南京信息工程大学