电阻式水温变送显示器1论文

张衍波

水温变送显示器分为变送器和显示器两大部分。本系统采用可变电阻模拟电
阻式温度传感器，经0.5m 同轴电缆连接后，由TI公司的高精度两线制集成变送
器芯片XTR105、RCV420和XTR111进行信号调理和信号变送，构成水温变送
器模块。变送后经16位高精度CMOS 模数转换器芯片ADS8505B 作为单片机外
设对变送器输出信号采样，由TI公司的MSP430F1611 作主控制器，控制LCD
数字显示温度，构成水温显示器模块。水温显示模块既可以采集变送器输出的电
压信号，也可以采集电流信号，采集的电压信号（1~5V）和电流信号（4~20mA）
符合工业测量与控制中常用的变送标准。
关键词：水温、变换、传送、显示
．水温变送器的方案论证与选择
方案一：用稳压器件 TL431（或恒流源芯片）和晶体三极管（或运放）搭
建的恒流源电路，TL431 稳定2.5V 电压，则恒定电流为I=2.5/RA，由于在发挥
部分的的二线传输时对信号调理与变送部分的电流消耗不能大于4mA,所以恒流
源的电流取1mA。恒流源在可变电阻上的电压在0.1V~0.2V，信号调理部分使用
差动放大器放大40 倍电压值是4~8V,再用运放搭建减法器减去3V 既可以得到
1~5V的输出电压。电流传输时再使用电压转电流的集成芯片XTR111即可。
方案二：利用非平衡电桥原理设计的数字温度计是市场上各类数字温度计
的雏形，当可变电阻较小时，测量精度较高。
方案三:信号调理部分采用XTR105，XTR105与电阻的连接方式有两线、三
线两种方式，由于XTR105内部已经将方案一都实现在芯片内部了，而且消耗的
电流2mA以下，所以也满足发挥部分的要求。XTR105将输入电阻变送为4~20mA
电流，然后经电流环接收器RCV420将电流信号转换为1~5V电压信号，当变送
器部分需要输出电流信号时用电压/电流变送器XTR111将电压信号变为4~20mA
电流信号，通过使用集成芯片XTR105、RCV420和XTR111 可以对测量的非线
性进行很好的校正。
方案选择：信号变送是水温变送器部分的重要组成部分，其变送精度和变
换线性度应非常高，方案一，二虽然可行，但都存在缺陷，方案一对恒流源的要
求非常高，实际制作中我们发现恒流源的误差有1%，虽然我们在信号采集处理
部分可以采用单片机做软件线性补偿来达到，但是数据采集量太大，故没有采用
该方案。方案二中当随着传感器电阻的相对变化量的增大，非线性误差越来越大，
因而极大地影响电桥的测量准确度。另外，电桥输出电压与电桥供电电源的电压
成正比关系，当供电电压波动时也影响精度。由于电桥消耗的电流必须在2mA
左右，这样小的电流使电桥的精度下降，虽然同样可以采用线性补偿来实现但是
也存在方案一的问题。综合以上方案，方案三采用TI公司的XTR105做为信号调
理部分的芯片，针对方案一中恒流源精度不够的问题，XTR105中恒流源的精度
高达0.05%，该芯片集高精度恒流源以及差放，电流输出，为RTD 温度传感器提
供了高精度的解决方案。综合以上分析采用方案三。
2．水温显示器的方案论证、选择以及理论计算
采集部分由于需要把模拟量变为数字量，所以模数转换器是必不可少的。
由于题目要求有0.1%的精度，而且需要有0.01%的显示精度，我们依照题目的
要求计算如下：100~200Ω对应于1~5V，即25Ω/V；要达到0.01Ω分辨率则需
要能够分辨：0.01V/25=0.4mV；
方案一：采用MSP430内部的12 位ADC，片内ADC 参考源一共有6种可
编程选择。当它使用2.5V的片内参考源时分辨率是：2.5V/4096=0.61035mV。
方案二：采用片外 ADC，由TI 公司生产的ADS8505B 就是一款性能优异
的16位高精度模数转换芯片。当采用片内2.5V参考源时,由于ADC是对正负10V
进行量化所以它的分辨率是20V/65536=0.3051mV。
方案选择：方案一并不能达到 0.4mV 的分辨率，虽然可以采用过采样提高
分辨率，达到题目的分辨率要求。但是由于有0.1℃的精度要求，而且由于输入
电压是1~5V，所以采用片内ADC 还必须做电平转换，这无疑不利于精度的提高，
还增加了电路的复杂性。方案二完全可以达到题目的要求，最重要的是它可以正
负10V 的信号输入，这样简化了前级电路设计，鉴于ADS8505B 的优异性能，
而且在使用中达到了很好的精度，所以选择方案二。