引言

在單片機(jī)控制的許多應(yīng)用場合，都要使用傳感器來將單片機(jī)不能直接測量的信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的電模擬信號，如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等。早期的傳感器大多為電壓輸出型，即將測量信號轉(zhuǎn)換為0-5v電壓輸出，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供單片機(jī)讀取、控制。但在信號需要遠(yuǎn)距離傳輸或使用環(huán)境中電網(wǎng)干擾較大的場合，電壓輸出型傳感器的使用受到了限制，暴露了抗干擾能力較差等缺點(diǎn)，而電流輸出型傳感器以其具有較高的抗干擾能力得到了廣泛應(yīng)用。
電壓輸出型壓力傳感器抗干擾能力差，有時(shí)輸出的直流電壓上還疊加有交流成分，使單片機(jī)產(chǎn)生誤判斷，控制出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)還會損壞設(shè)備。

電流輸出型傳感器的輸出范圍常用的有0～20ma及4～20ma兩種，傳感器輸出最小電流及最大電流時(shí)，分別代表傳感器所標(biāo)定的最小及最大額定輸出值。

如測壓范圍為以0～35mpa的輸出壓力傳感器為例進(jìn)行敘述。對于輸出0～20ma的傳感器0ma電流對應(yīng)0mpa壓力值，輸出4～20ma的傳感器4ma電流對應(yīng)0mpa壓力值，兩類傳感器的20ma電流都對應(yīng)35mpa壓力值。
對于輸出0～20ma的傳感器，在電路設(shè)計(jì)上我們只需選擇合適的降壓電阻，通過a/d轉(zhuǎn)換器直接將電阻上的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號即可，電路調(diào)試及數(shù)據(jù)處理都比較簡單。 對于輸出4～20ma的傳感器，電路調(diào)試及數(shù)據(jù)處理上都比較煩瑣。但這種傳感器能夠在傳感器線路不通時(shí)，通過是否能檢測到正常范圍內(nèi)的電流，判斷電路是否出現(xiàn)故障，因此使用更為普遍。

4～20ma傳感器的一般處理方法

由于4～20ma傳感器輸出4ma時(shí)，在取樣電阻上的電壓不等于0，直接經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量也不為0，單片機(jī)無法直接利用，通過公式計(jì)算過于復(fù)雜。因此一般的處理方法是通過硬件電路將4ma在取樣電阻上產(chǎn)生的電壓降消除，再進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，工作原理如圖1。

在圖1中，由壓力傳感器產(chǎn)生的4～20ma電流與13vg形成電流回路，從而在取樣電阻上產(chǎn)生一定壓降，并將此電壓值輸入到放大器lm358的3腳。圖1中方框內(nèi)的電阻分壓電路用來在集成電路lm358的2腳產(chǎn)生一個(gè)固定的電壓值，用于抵消在取樣電阻上4ma電流產(chǎn)生的壓降。所以當(dāng)壓力傳感器為最小值4ma時(shí)，lm358的3腳與2腳電壓差基本為0v。圖1中l(wèi)m358與其相連接的電阻構(gòu)成可調(diào)整電壓放大電路，將壓力傳感器電流在取樣電阻上的電壓值進(jìn)行放大并通過lm358的1腳輸出至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，供單片機(jī)cpu讀入，通過查表法或其它的數(shù)據(jù)處理方法將壓力傳感器的4-20ma電流在屏幕上以壓力值的形式顯示出來。 但是這個(gè)電路存在以下問題：

1、4ma不能完全消除，電壓放大器輸出端總會有殘留電壓存在；

2、lm358放大器隨著放大倍數(shù)增加，線性也越發(fā)不好；

3、為了盡量減小放大器放大倍數(shù)非線性所帶來的誤差，不得不通過電阻、穩(wěn)壓管等器件降低模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路原有的基準(zhǔn)電壓，使得基準(zhǔn)電壓變得不穩(wěn)定，電路也復(fù)雜化了。

4～20ma傳感器數(shù)據(jù)處理新途徑

通過上述分析我們了解到，圖1中的電路由于電壓放大器的非線性及基準(zhǔn)電壓的改動，使讀入的數(shù)據(jù)變得穩(wěn)定性較差，同時(shí)電路比較復(fù)雜，調(diào)整起來比較麻煩。由于讀入信號的不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存在一定的誤差，因此，本文采用了一種全新的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理--利用軟件的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

為了提高模-數(shù)轉(zhuǎn)換的精確度，在硬件電路設(shè)計(jì)上，必須保持原有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的基準(zhǔn)電壓不變，并將放大電路取消，將壓力傳感器電流在取樣電阻上的壓降直接加到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的輸入端，見圖2。單片機(jī)讀入數(shù)據(jù)后采用軟件對其進(jìn)行處理。計(jì)算轉(zhuǎn)換后，將0-35mpa的壓力值在屏幕上顯示出來。

圖3中畫有兩條線段ab和cd，線段ab任一點(diǎn)在橫坐標(biāo)上的值為從取樣電阻上的讀入電壓值，簡稱為讀入值；線段cd任一點(diǎn)在橫坐標(biāo)上的值為轉(zhuǎn)換后的電壓值，簡稱為轉(zhuǎn)換值；現(xiàn)在的關(guān)鍵問題是如何找出轉(zhuǎn)換值與讀入值之間存在的關(guān)系。

為了在最大電流值20ma處得到最大的電壓值v20ma ，需要選擇合適的降壓電阻r：

20ma時(shí)所使用的壓力傳感器的壓力為35mpa，可以取最大的電壓值為3.5v，經(jīng)計(jì)算電阻為175 。輸入電流為4ma時(shí)對應(yīng)的輸出電壓v4ma=r 0.004a=0.7v。即當(dāng)電流值為4～20ma時(shí)，從取樣電阻上讀出電壓為0.7v-3.5v。

下面以圖3為例說明這個(gè)關(guān)系的推導(dǎo)過程。

將v4ma=0.2v20ma帶入式中，再經(jīng)變換，可以得到的新的等式：

為了證明上述關(guān)系的正確性，可舉例進(jìn)行證明。設(shè)定v20ma =3.5v，則所選電阻為175 ，v4ma=0.7v。當(dāng)電流為中間值12ma時(shí)，對應(yīng)的讀出值是12ma 175 =2.1v。根據(jù)上述公式可以得到轉(zhuǎn)換值為：

根據(jù)3.5v（20ma時(shí)壓降）表示35mpa的線性關(guān)系，2.1v（12ma時(shí)壓降）表示17.7mpa，與計(jì)算出的真實(shí)壓力值相符。同樣根據(jù)4 ma產(chǎn)生的0.7v壓降計(jì)算出的真實(shí)壓力值為0mpa。

根據(jù)我們具體選定的35mpa壓力傳感器及取樣電阻， v20ma=3.5v，經(jīng)進(jìn)一步簡化該公式，可以得出：

如果選取不同的取樣