4～20mA传感器数据处理新途径

文章摘要：4～20mA传感器数据处理新途径 北京长空机械有限责任公司 秦严定 迟文焕 引言在单片机控制的许多应用场合，都要使用传感器来将单片机不能直接测量的信号转换成单片机可以处理的电模拟信号，如压力传感器、温度传感器、流量传感器等。早期的传感器大多为电压输出型，即将测量信号转换为0-5V电压输出，通过模拟数字转换电路转换为数字信号供单片机读取、控制。但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用受到了限制，暴露了抗干扰能力较差等缺点，而电流输出型传感器以其具有较高的抗干扰能力得到了广泛应用。电压输出型压力传感器抗干扰能力差，有时输出的直流电压上还叠加有交流成分，使单

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4～20mA传感器数据处理新途径 北京长空机械有限责任公司 秦严定 迟文焕

引言

在单片机控制的许多应用场合，都要使用传感器来将单片机不能直接测量的信号转换成单片机可以处理的电模拟信号，如压力传感器、温度传感器、流量传感器等。早期的传感器大多为电压输出型，即将测量信号转换为0-5V电压输出，通过模拟数字转换电路转换为数字信号供单片机读取、控制。但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用受到了限制，暴露了抗干扰能力较差等缺点，而电流输出型传感器以其具有较高的抗干扰能力得到了广泛应用。
电压输出型压力传感器抗干扰能力差，有时输出的直流电压上还叠加有交流成分，使单片机产生误判断，控制出现错误，严重时还会损坏设备。

电流输出型传感器的输出范围常用的有0～20mA及4～20mA两种，传感器输出最小电流及最大电流时，分别代表传感器所标定的最小及最大额定输出值。

如测压范围为以0～35Mpa的输出压力传感器为例进行叙述。对于输出0～20mA的传感器0mA电流对应0MPa压力值，输出4～20mA的传感器4mA电流对应0MPa压力值，两类传感器的20mA电流都对应35MPa压力值。
对于输出0～20mA的传感器，在电路设计上我们只需选择合适的降压电阻，通过A/D转换器直接将电阻上的电压转换为数字信号即可，电路调试及数据处理都比较简单。 对于输出4～20mA的传感器，电路调试及数据处理上都比较烦琐。但这种传感器能够在传感器线路不通时，通过是否能检测到正常范围内的电流，判断电路是否出现故障，因此使用更为普遍。

4～20mA传感器的一般处理方法

由于4～20mA传感器输出4mA时，在取样电阻上的电压不等于0，直接经模拟数字转换电路转换后的数字量也不为0，单片机无法直接利用，通过公式计算过于复杂。因此一般的处理方法是通过硬件电路将4mA在取样电阻上产生的电压降消除，再进行A/D转换，工作原理如图1。

在图1中，由压力传感器产生的4～20mA电流与13VG形成电流回路，从而在取样电阻上产生一定压降，并将此电压值输入到放大器LM358的3脚。图1中方框内的电阻分压电路用来在集成电路LM358的2脚产生一个固定的电压值，用于抵消在取样电阻上4mA电流产生的压降。所以当压力传感器为最小值4mA时，LM358的3脚与2脚电压差基本为0V。图1中LM358与其相连接的电阻构成可调整电压放大电路，将压力传感器电流在取样电阻上的电压值进行放大并通过LM358的1脚输出至模拟数字转换电路，供单片机CPU读入，通过查表法或其它的数据处理方法将压力传感器的4-20mA电流在屏幕上以压力值的形式显示出来。 但是这个电路存在以下问题：

1、4mA不能完全消除，电压放大器输出端总会有残留电压存在；

2、LM358放大器随着放大倍数增加，线性也越发不好；

3、为了尽量减小放大器放大倍数非线性所带来的误差，不得不通过电阻、稳压管等器件降低模拟数字转换电路原有的基准电压，使得基准电压变得不稳定，电路也复杂化了。

4～20mA传感器数据处理新途径

通过上述分析我们了解到，图1中的电路由于电压放大器的非线性及基准电压的改动，使读入的数据变得稳定性较差，同时电路比较复杂，调整起来比较麻烦。由于读入信号的不稳定，数据存在一定的误差，因此，本文采用了一种全新的方法进行数据处理--利用软件的方法实现数据转换。

为了提高模-数转换的精确度，在硬件电路设计上，必须保持原有模拟数字转换电路的基准电压不变，并将放大电路取消，将压力传感器电流在取样电阻上的压降直接加到模拟数字转换电路的输入端，见图2。单片机读入数据后采用软件对其进行处理。计算转换后，将0-35Mpa的压力值在屏幕上显示出来。

图3中画有两条线段AB和CD，线段AB任一点在横坐标上的值为从取样电阻上的读入电压值，简称为读入值；线段CD任一点在横坐标上的值为转换后的电压值，简称为转换值；现在的关键问题是如何找出转换值与读入值之间存在的关系。

为了在最大电流值20mA处得到最大的电压值V20mA ，需要选择合适的降压电阻R：

20mA时所使用的压力传感器的压力为35Mpa，可以取最大的电压值为3.5V，经计算电阻为175 。输入电流为4mA时对应的输出电压V4mA=R 0.004A=0.7V。即当电流值为4～20mA时，从取样电阻上读出电压为0.7V-3.5V。

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