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本文描述的是一種支持實(shí)驗(yàn)室溫度濕度進(jìn)行測量、顯示并遠(yuǎn)傳的智能化儀表。本儀表不同于市場上眾多同類產(chǎn)品，他可以很好地滿足現(xiàn)場高精度、高分辨率及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆?br />
1 溫濕度顯示儀的硬件設(shè)計(jì) 本儀表的硬件電路部分主要是有溫、濕度通道獨(dú)立電源電路，溫、濕度采樣電路，信號調(diào)節(jié)電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，光電隔離電路，處理器采用AT89S52單片機(jī)，同時還有LED顯示電路，通訊電路，鍵盤電路等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。以下將對各部分的電路做相應(yīng)的介紹。 1.1 溫度濕度變送器 非電量的溫度濕度信號通過變送器形成4～20 mA電量信號。本方案中采用了奧地利E+E公司的EE10-FT6的高性能溫濕度綜合變送器。 EE10一FT6產(chǎn)品特點(diǎn)： (1)24 V DC供電； (2)溫度量程：O～50℃；濕度量程：0～100％； (3)溫度精度：±0.1℃；濕度精度：1.0％； (4)輸入阻抗：≤500 Ω； (5)接線方式：三線(電源正端、溫度輸出線、濕度輸出線)。 1.2 隔離測量技術(shù) 常規(guī)溫度濕度測量，往往將溫度、濕度信號共地，利用一套測量電路即可。在本方案中，變送器的輸出要先行接入溫濕 度顯示儀(前端)，再串接于DDC(直接數(shù)字控制器)后端構(gòu)成變送器回路，變送器電源由DDC來提供，因此由變送器輸出的兩路共地信號在前端需要進(jìn)行隔離測量，以消除對后端測量的影響。即兩端串聯(lián)并同時測量一對共地信號。對于模擬量隔離測量，筆者曾經(jīng)考慮3套方案： 方案一"虛"隔離，即采用差分測量技術(shù)，將差分一端經(jīng)過一適當(dāng)電阻接地，這種方案成本最低，但是對于運(yùn)放的要求十分苛刻，而且穩(wěn)定性不高。 方案二 采用線性光耦隔離，但線性光耦難以調(diào)試，離散性大，需要周邊元器件多(運(yùn)算放大器)，而且光耦前端仍需隔離電源，后端仍需模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 方案三 采用兩組獨(dú)立測量電路，然后通過普通光耦與處理器接口，需要兩套隔離電源，兩組測量部分，成本稍高，但此種方案最可靠，調(diào)試方便，因而最終被采用，如圖2所示。 1.3 4～20 mA電流測量 采樣電阻采用125 Ω／0.1％精密電阻，這樣，只需測量O.5～2.5 V電壓信號即可。 1.4 放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用 本溫濕度顯示儀模擬信號變換采用TI公司的軌對軌運(yùn)放TLC2252，該放大器最大的特點(diǎn)一是輸出可達(dá)電源滿幅，二是失調(diào)電壓較小，0.5 mV，價格較低，適合本儀表應(yīng)用。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采用TI公司的ADS1286U，此芯片主要性能有： (1)分辨率：12位； (2)最高采樣頻率：20 kHz； (3)INL：±2LSB／max； (4)DNL：±1LSB／max； (5)接口方式：兩線制 (6)參考電壓：外接。 1.5 分辨率及精度 本儀表需要滿足的要求：分辨率方面，溫度顯示到O.01℃，濕度顯示到0.1％；精度方面，要達(dá)到與自控系統(tǒng)的DDC測量值之間的絕對誤差不得大于±0．03℃。這樣的苛刻要求使得本儀表在軟硬件方面都必須做的非常到位。 1.6 數(shù)字濾波技術(shù) 為滿足以上分辨率及精度的要求，除了在硬件上選擇性價比高的元器件以及較高的PCB板技術(shù)外，在軟件上做了較多的工作。因?yàn)闇囟葷穸任锢砹渴菓T性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)較大，量值不會產(chǎn)生突變，故濾波時間可以很長。本儀表中采用多次測量排序取中值然后再進(jìn)行一階慣性濾波的方法，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： 其中Xn-1為上次實(shí)際溫濕度值；Xn-2本次經(jīng)過排序取來的中值；Xn為當(dāng)前的溫濕度值；A為濾波時間常數(shù)，作為系數(shù)。 這樣做的目的是防止某些測量突變，以及滿足慣性物理量的測量，使得測量值不會頻繁跳躍，可以滿足需求。 1.7 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) 本儀表采用RS 485通信，通信規(guī)約為MODBUS-RTU，然后通過MODBUS-PROFIBUS網(wǎng)關(guān)與西門子DDC通信，波特率為38.4 kb／s。總線采用輪詢方式，后臺機(jī)對各個房間溫濕度進(jìn)行采集，作為房間溫度濕度集中監(jiān)控的依據(jù)。 1.8 精度校準(zhǔn)及參數(shù) 本儀表出廠前均已校準(zhǔn)，但考慮到長期運(yùn)行后，元器件老化及環(huán)境溫度的變化，可能會造成儀表出現(xiàn)精度偏差，故儀表上設(shè)有精度校準(zhǔn)功能。校準(zhǔn)時，需要一只標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號表，按照顯示提示，分別將信號源調(diào)至各檔位，然后由儀表自動校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)值存入非易失性存儲器中。 本儀表具有現(xiàn)場手動調(diào)校功能，調(diào)節(jié)電位器旋鈕可使得溫度濕度在某個短量程范圍內(nèi)更加精準(zhǔn)。 所有的參數(shù)設(shè)定都可通過網(wǎng)絡(luò)或儀表按鍵進(jìn)行操作，掉電不丟失。 2 溫濕度顯示儀的軟件設(shè)計(jì) 主要程序包括：溫度測量子程序、濕度測量子程序、鍵盤掃描及實(shí)現(xiàn)子程序、校準(zhǔn)子程序，其中測量子程序內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、形成顯示數(shù)據(jù)等；鍵盤掃描及實(shí)現(xiàn)子程序內(nèi)嵌顯示頁面切換、參數(shù)設(shè)定、校準(zhǔn)確認(rèn)等；校準(zhǔn)子程序內(nèi)嵌雙通道切換校準(zhǔn)及校準(zhǔn)數(shù)值存儲等。中斷服務(wù)程序包括：定時器中斷(用于顯示)子程序、通信中斷子程序。主程序?yàn)橐来窝h(huán)執(zhí)行，綜合外部操作(鍵盤)，實(shí)現(xiàn)儀表多重功能；中斷服務(wù)程序可以隨時中斷主程序的執(zhí)行，兩者互不影響。 本儀表中模數(shù)轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵，除了在硬件上保證信號的較好處理外，軟件上的處理就顯得很重要了，下面給出模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1286的訪問程序，此芯片的DATASHEET 上時序邏輯只是一個基本的過程，具體要得出可靠的數(shù)值，需要在調(diào)試中摸索，這個程序是筆者調(diào)試好的，效果不錯。 說明：本子程序轉(zhuǎn)換后的12位AD值存放于02H／03H中。 說明：本中斷服務(wù)程序?yàn)镸ODBUS從站響應(yīng)程序，本儀表只用到MODBUS功能碼中的03號及06號，即模擬量遙測及參數(shù)設(shè)定。 3 結(jié) 語 本儀表成功應(yīng)用于上海市檢測中心400個實(shí)驗(yàn)室中目前運(yùn)行狀況良好，與DDC間絕對誤差不超過±O.03℃。 |
