ICL7135與PIC 單片機在溫度變送器中的應用

在智能儀表設計中，經(jīng)常用到 A/D 轉換器。在常用的 A/D 轉換中，7135 應用最為廣泛， 它具有 41/2 位 A/D 轉換精度，抗干擾能力強，價(jià)格低廉，主要用于檢測參數的測量顯示， 在智能儀器儀表中，常利用其 A/D 轉換特性，與單片機串行連接，通過(guò)簡(jiǎn)單的人機界面實(shí)現

對A/D 轉換數據的智能控制。本文以 PIC 單片機與 ICL7135 的實(shí)際工程應用為例，介紹一款智能溫度控制儀表在溫度變送器中的應用。

1 PIC 單片機

PIC 系列 8 位 CMOS 單片機具有獨特的 RISC 結構，數據總線(xiàn)和指令總線(xiàn)分離的哈佛總線(xiàn)（Harvard）結構，使指令具有單字長(cháng)的特性，且允許指令碼的位數可多于 8 位的數據位數， 這與傳統的采用 CISC 結構的 8 位單片機相比，可以達到 2:1 的代碼壓縮，速度提高 4 倍。

PIC 有優(yōu)越開(kāi)發(fā)環(huán)境、徹底的保密性、PIC 以保密熔絲來(lái)保護代碼，用戶(hù)在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無(wú)法讀出，除非恢復熔絲、自帶看門(mén)狗定時(shí)器，可以用來(lái)提高程序運行的可靠性。在本工程項目中選用了 PIC 中檔單片機 PIC16F62x，內部含有 2K flash、224 字節 SRAM、

128 字節 EEPROM、16 個(gè) I/O 口、1 個(gè) CCP 捕獲通道、2 個(gè)比較器通道、2 個(gè) 8 位 1 個(gè) 16 位定時(shí)器、具有 UART 功能。

2 7135 A/D 轉換原理

7135 采用高阻抗差分輸入方式，總失調電壓小于 10μV，其 A/D 轉換器采用雙積分式， 共分 4 個(gè)階段：自動(dòng)調零，輸入信號積分，標準信號反積分，積分器歸零。其當個(gè)轉換過(guò)程如圖 1 所示。

由圖 1 可以看出，7135 在對輸入信號進(jìn)行積分時(shí)，其 BUSY 信號線(xiàn)由低向高跳變并一直保持高電平，直到標準信號反積分結束時(shí)才跳變到低電平。在此過(guò)程中，對輸入信號的積分一般保持 10001 個(gè)時(shí)鐘脈沖，而在滿(mǎn)量程的情況下，反相標準積分值為 20001（當 Vin=2Vref 時(shí)），對于不同的模擬量輸入，7135 反向標準積分脈沖數不同，BUSY 信號的高電平寬度也不 同，且反向積分脈沖數正比于輸入信號幅度，與測量結果有一一對應關(guān)系。在轉換過(guò)程中，

7135 提供一輸入信號極性判斷引腳 POL，當輸入（Vin+-Vin-）為正值時(shí)，POL 信號為高電 平，（Vin+-Vin-）為負值時(shí)，POL 信號為低電平。

3 7135 與 PIC 單片機的串行連接

由7135 的轉換原理可知，可以通過(guò)脈沖計數的方式獲得測量的結果，且只需要 3 條控 制線(xiàn) CLK，BUSY，POL。Microchip 推出的 PIC 系列單片機具有驅動(dòng)能力大，抗干擾能力強，價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)。其推出的 PIC16F6X 系列，有 2~4K FLASH 內存，1 個(gè) 16 位定時(shí)器，2 個(gè)

CCP 比較/捕捉模塊，多于 22 個(gè) I/O，唯一的遺憾是沒(méi)有符合 7135 的采樣時(shí)鐘?？紤]到儀表需要通信及隔離模擬變送輸出，采用 16M 晶振，利用 16 位定時(shí)器 T1 作為 7135 的同步計數 脈沖，BUSY 接于 CCP1 引腳，工作于捕捉方式，用于測量脈沖寬度；而 7135 的 CLK 時(shí)鐘，則利用 CPU 的晶振接于高速反相器，再經(jīng)分頻取出?？紤]到采樣速度及對 50Hz 電源的抗干擾影響，以及溫度變量的慣性大的特點(diǎn)，取 CLK=250kHz，采樣速度約為 4 次/min。系統硬 件聯(lián)接如圖 2：

圖 2 系統硬件結構框圖

在實(shí)際應用中，監測的對象為玻璃熔爐的溫度，采用熱電偶將信號采集到變送器。作為溫度變送器還必須要考慮環(huán)境溫度的影響。其次，還要考慮到器件的溫度漂移，必須在后期 得到的數據對這兩個(gè)干擾量進(jìn)行處理才能得到真實(shí)的溫度值。因此在模擬量的輸入部分有三個(gè)量需要采集，通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)隔離，再將信號送給運算放大器后進(jìn)行 A/D 轉換。在 A/D 轉換部分，由于 ICL7135 本身沒(méi)有自帶的參考電壓，因此設計中必須配以精確的參考電壓源。

實(shí)際應用中采用的是 TL431 可調電壓基準，應用中達到了生產(chǎn)要求，效果良好。在變送器的輸出部分則需加以隔離并且 MAX485 的輸出端接以上，下拉電阻。

4

時(shí)器 T1 的時(shí)鐘和 7135 的時(shí)鐘不是同一個(gè)輸入，T1 的時(shí)鐘為系統時(shí)鐘的 1：128 分，而 7135 的 CLK 為 125KHz，為 CPU 引腳輸出的方波脈沖。7135 的 BUSY 腳接 CPU 具有電平中 斷功能的引腳，這樣當 BUSY 為高時(shí)便開(kāi)始計入脈沖數，直到一次轉換完畢。對熱電偶通道所測得的數據根據其電壓—溫度特 性表進(jìn)行處 理后得到其 溫度值，對溫度飄移則視 POLARITY 的極性而定，若為正則將其用熱電偶溫度值減去，否則則加。環(huán)境溫度直接相加。溫度數據處理完畢等待上位機發(fā)送指令上傳即可。

5 軟件設計

系統軟件的設計中含有以下幾個(gè)處理模塊：初始化及主程序模塊，中斷處理模塊，數據處理及傳送控制輸出模塊。其中中斷處理模塊包括通訊中斷，捕捉中斷處理。數據處理及傳送控制輸出模塊則包括溫度對象的數據處理，串行通訊的接收與發(fā)送控制。以下簡(jiǎn)要介紹主程序運行流程與 7135 電平中斷處理。程序流程如下：

圖4 7135 電平中斷轉換流程

在 A/D 轉換過(guò)程中,因為 BUSY 腳上升沿時(shí)開(kāi)始脈沖計數,下降沿是計數即完畢,所得結果 存放在 CCP 寄存器中,它是分 CCPR1H 與 CCPR1L 高、低兩個(gè)字節共 16 位寄存器。將 CCPR1H

左移 4 位加上 CCPR1L 再減去 10001,即為 A/D 轉換脈沖的計數值。將轉換后的數據按前述方

法由軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理。對采樣數據的處理過(guò)程中,可取對每 4 次或 8 次采樣值進(jìn)行脈沖 濾波,或可以結合其他濾波方法一起例如一階濾波方法對數據進(jìn)行處理,送顯,控制,這樣能

使測量更準確,顯示更穩定。為保證生產(chǎn)的持續穩定進(jìn)行提供有力保障。

6 結束語(yǔ)

此溫度變送器的工作環(huán)境相當惡劣,靜電干擾非常大,在調試過(guò)程中甚至出現了芯片被靜電激穿燒壞的現象,在串行通信的前端加光耦隔離并對 MAX485 芯片 A、B 分別上拉到電源和下拉到地起到了良好的保護作用,在長(cháng)時(shí)間的使用期間此變送器無(wú)論是在穩定性、精度、 實(shí)時(shí)性還是安全性上都表現良好,滿(mǎn)足了實(shí)際生產(chǎn)的需要。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)是以PIC單片機與ICL7135的實(shí)際工程應用為例，詳細闡述PIC單片機與

ICL7135將檢測到的溫度進(jìn)行轉換處理后通過(guò)串行口傳送給上位機，應用于高精度的溫度檢測儀表中，介紹了一款智能溫度控制儀表在溫度變送器中的應用。對于實(shí)際生產(chǎn)有重要的借鑒意義。項目經(jīng)濟效大約50萬(wàn)元；數據來(lái)源主要是通過(guò)脈沖計數的方式獲得測量的結果；研究方法：利用含有初始化及主程序模塊、中斷處理模塊、數據處理及傳送控制輸出模塊的設計軟件來(lái)模擬實(shí)驗研究，其中中斷處理模塊包括通訊中斷，捕捉中斷處理。數據處理及傳送

控制輸出模塊則包括溫度對象的數據處理，串行通訊的接收與發(fā)送控制。