一種直流電壓信號變送裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種直流電壓信號變送裝置，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。本實用新型是基于電壓-電流、電流-電壓轉換原理的直流電壓變送裝置，采用單片機作為控制中心，以直流變送芯片作為電流發生器，以單片機自帶的12位AD和DA實現輸入電壓與輸出電壓的線性關系，實現直流電壓信號的遠距離傳輸，傳輸穩定，傳輸距離遠，并且抗干擾能力強。
【專利說明】一種直流電壓信號變送裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種直流電壓信號變送裝置，屬于傳感器的電壓信號傳送領域。
【背景技術】
[0002]電壓在微電子領域中常常作為信息的載體，許多傳感器以電壓信號來表示所測量的物理量。在工業現場，用儀表放大器來完成信號的調理并進行長線傳輸，是非常常見的。但會產生以下問題:第一，由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線會受到外界環境的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會產生電壓降。
[0003]在熱處理行業中，使用K型熱電偶通過電壓實時反映出熱處理點的溫度，然后通過補償導線將K型熱電偶產生的直流電壓信號接入控制系統。補償導線只適用于對熱電偶進行冷端補償，遠距離傳輸電壓信號，會使得信號失真。
[0004]在實際應用中，室外熱處理環境往往非常惡劣，且傳輸距離遠，補償導線需要幾百米的長度才能將K型熱電偶產生的直流電壓信號接入控制系統。然而K型熱電偶產生的電壓信號非常微弱，其典型值為:600攝氏度時，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經過幾百米導線的傳輸，因為傳輸導線電阻的存在，實際工業應用中會有0.4-1.2mV的電壓誤差，反應成溫度將有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，導線在傳輸電壓信號的過程中還非常容易受到外界環境的干擾，會有瞬時高電壓產生，導致控制系統報錯。
[0005]所以必須將電壓信號進行調制，然后經過遠距離傳輸后，再解調為原始的電壓信號。在傳統方案中，主要有以下兩種方式:第一，利用模擬-數字(AD)轉換將模擬電壓信號轉換為數字電壓信號，經遠距離傳輸后，再利用數字-模擬(DA)轉換將數字信號轉換為模擬信號；第二，將電壓信號轉換成光信號進行傳輸，然后再由光信號轉換為原始的電壓信號。前者，傳輸形式還是電壓，抗干擾能力不足，且傳輸距離相對較短，而后者，光電轉換價格昂貴，調制與解調過程復雜。
實用新型內容
[0006]本實用新型所要解決的技術問題是:提供一種基于電壓-電流、電流-電壓轉換原理的直流電壓信號變送裝置。
[0007]本實用新型為解決上述技術問題采用以下技術方案:
[0008]一種直流電壓信號變送裝置，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并將該直流電壓信號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進行線性轉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換為電流，再將電流轉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。
[0009]優選的，所述控制模塊采用MSP430F169單片機。
[0010]優選的，所述電流變送模塊采用XTRl 15芯片。
[0011]優選的，所述第一、第二差分電壓獲取模塊均采用AD620AN芯片。
[0012]優選的,所述顯示模塊為IXD12864液晶顯示器。
[0013]本實用新型采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:
[0014]1、本實用新型直流電壓信號變送裝置，芯片供電電路獨立于電壓信號采集系統與電流-電壓轉換電路，傳輸穩定，傳輸距離遠。
[0015]2、本實用新型直流電壓信號變送裝置，由于空氣中的電流干擾在納安(nA)級別，而且電流傳輸在4-20mA范圍內，兩者相差6-7個數量級，因此抗干擾能力強。
[0016]3、本實用新型直流電壓信號變送裝置，利用價格低廉的芯片來實現直流電壓信號的遠距離傳輸，成本低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型直流電壓信號變送裝置的整體架構圖。
[0018]圖2是本實用新型直流電壓信號變送裝置第一差分電壓獲取模塊的電路圖。
[0019]圖3是本實用新型直流電壓信號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是本實用新型直流電壓信號變送裝置顯示模塊的電路圖。
[0021]圖5是本實用新型直流電壓信號變送裝置按鍵模塊的電路圖。
[0022]圖6是本實用新型直流電壓信號變送裝置控制模塊的電路圖。
[0023]圖7是本實用新型直流電壓信號變送裝置的電源及DA去耦處理的電路圖。
【具體實施方式】
[0024]下面詳細描述本實用新型的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。
[0025]如圖1所示，本實用新型直流電壓信號變送裝置，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，電流變送模塊通過遠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單片機的P6.3腳(430_AD_1)輸入，7腳接+12V，I腳與8腳之間接滑動變阻器Rl。通過調節滑動變阻器Rl控制輸入的直流電壓信號放大倍數。
[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0P07DP芯片、電流變送芯片XTRl 15、差分電壓放大芯片AD620AN和DC-DC5V轉24V芯片05s24。其中的430_DA_1為MSP430F169單片機的P6.6輸出，接入U2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的發射極，1、7、8腳不接，而XTRl 15的4腳電流輸出腳通過遠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負端。
[0028]基于XTRl 15芯片的電流變送模塊采用安時捷DC-DC直流升壓芯片05s24(5V轉24V)供電，05s24的I腳接+5V，2腳接GND，3腳24V電壓輸出負端接精密電阻R5 —端，4腳24V電壓輸出正端接三極管C945的集電極端。4-20mA電流經精密電阻R5實現了電流-電壓(I/V)轉換。
[0029]AD620AN差分運放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腳輸出腳接滑動變阻器R2固定電阻端到GND。滑動變阻器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)。通過調節滑動變阻器R2對輸出的變送電壓進行微調。
[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P4.4 口，5腳LCD_RW接單片機P4.5 口，6腳LCD_E接單片機P4.6 口，7 腳 LCD_DB0 接單片機 P5.0 口，8 腳 LCD_DB1 接單片機 P5.1 口，9 腳 LCD_DB2 接單片機 P5.2 口，10 腳 LCD_DB3 接單片機 P5.3 口，11 腳 LCD_DB4 接單片機 P5.4 口，12 腳 LCD_DB5接單片機P5.5 口，13腳LCD_DB6接單片機P5.6 口，14腳LCD_DB7接單片機P5.7 口，15腳PSB接+3.3V，16及18腳不接，17腳LCD_RST接單片機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、KEY1三個按鍵分別通過R9、R8與R7上拉電阻接+3.3V，而輸出分別接MSP430F169單片機的Pl.2,PL UPl.0 Π 0 MSP430F169單片機判斷三個獨立按鍵是否有鍵被按下，如果有鍵按下，再判斷是哪個鍵按下。KEYl表示選擇設定比例系數k或者直流分量b，KEY2表示系數自加，KEY3表示系數自減。比例系數k自加自減量為0.01，直流分量b自加自減量為1mV (電壓單位為mV)。
[0032]如圖6所示，為單片機MSP430F169的具體連接圖。MSP430F169單片機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,以完成對液晶模塊的控制。獨立按鍵部分，單片機MSP430F169的PL 2、P1.UPl.0 口分別接獨立按鍵KEY3、KEY2、KEY1。單片機的內部的DAC12_1、ADC12_1通過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過整流、濾波、穩幅得到+12V、-12V、+5V、-5V和3.3V的直流電壓，再經由1uF與0.1uF并聯電容濾波，分別向MSP430F169、XTRl 15、0P07DP、AD620AN芯片以及外圍電路所使用的運放供電。
[0034]這里的模塊均為現有商用模塊，本領域的技術人員可在市面上獲取到，比如，控制模塊采用MSP430F169單片機，該單片機擁有超低功耗，且內部自帶3路12位AD轉換器與2路12位DA轉換器；顯示模塊采用IXD12864液晶顯示器；按鍵模塊采用立式4腳輕觸開關；電壓跟隨器采用0P07DP芯片；本實用新型所要保護的是各個模塊之間的連接關系。
[0035]電流變送模塊采用電壓-電流(V/I)轉換芯片XTR115。XTR115芯片是一款精密電流變送芯片，該芯片設計巧妙、使用方便，具有超低靜態電流的特點。它屬于二線制電流變送芯片，內部的2.5V基準電壓可作為傳感器的激勵源。可直接輸入電流或者輸入電壓通過串聯電阻輸入芯片，能對微弱電流信號放大100倍，獲得4-20mA的標準電流輸出。當環路電流接近32mA是能自動限流。且環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是一個低成本，高精度的儀表放大器，使用方便，僅需使用一個外部電阻即可設置增益。AD620AN具有高精度、低噪聲、低輸入偏置電流、低失調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據采集系統的理想之選。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]本實用新型直流電壓信號變送裝置的工作過程如下:
[0038]待變送直流電壓信號經過AD620AN芯片，通過調節滑動變阻器Rl控制輸入的直流電壓信號放大倍數。然后由MSP430F169單片機的P6.3 口 12位AD獲取電壓，再由單片機根據用戶通過獨立按鍵KEY3、KEY2、KEY1輸入的電壓線性系數k與b (直流電壓信號放大后的電壓信號與R5精密電阻兩端電壓信號成線性)，以MSP430F169單片機的P6.6 口 12位DA產生電壓給0P07電壓跟隨器U2，U2產生電壓直接通過電阻R4輸入XTR115芯片(U3)，執行4-20mA遠距離電流傳送，電流經過電阻R5后，實現電流與電壓的轉換。下面由AD620AN儀表放大器U5取出R5兩端電壓值，AD620AN輸出電壓通過滑動變阻器R2固定電阻端接GND，滑動變阻器R2可變電阻端經過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輸出。通過調節滑動變阻器R2對輸出的變送電壓進行微調。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液晶屏幕上實時顯示。
[0039]以上實施例僅為說明本實用新型的技術思想，不能以此限定本實用新型的保護范圍，凡是按照本實用新型提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本實用新型保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種直流電壓信號變送裝置，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并將該直流電壓信號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進行線性轉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換為電流，再將電流轉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。
2.如權利要求1所述直流電壓信號變送裝置，其特征在于:所述控制模塊采用MSP430F169 單片機。
3.如權利要求1所述直流電壓信號變送裝置，其特征在于:所述電流變送模塊采用XTRl 15 芯片。
4.如權利要求1所述直流電壓信號變送裝置，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.如權利要求1所述直流電壓信號變送裝置，其特征在于:所述顯示模塊為IXD12864液晶顯示器。
【文檔編號】H03M1/66GK204156848SQ201420618004
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】劉恒, 阮瑋琪 申請人:南京信息工程大學