《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于隔離和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型高精溫濕度測(cè)量?jī)x表
摘要: 本文描述的是一種支持實(shí)驗(yàn)室溫度濕度進(jìn)行測(cè)量,、顯示并遠(yuǎn)傳的智能化儀表。本儀表不同于市場(chǎng)上眾多同類產(chǎn)品,,他可以很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)高精度、高分辨率及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆?
Abstract:
Key words :

  l 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(hào)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(shí)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(duì)各部分的電路做相應(yīng)的介紹,。

結(jié)構(gòu)圖

  1.1 溫度濕度變送器

  非電量的溫度濕度信號(hào)通過(guò)變送器形成4~20 mA電量信號(hào)。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(cè)量技術(shù)

  常規(guī)溫度濕度測(cè)量,,往往將溫度、濕度信號(hào)共地,,利用一套測(cè)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(lái)提供,,因此由變送器輸

 

出的兩路共地信號(hào)在前端需要進(jìn)行隔離測(cè)量,以消除對(duì)后端測(cè)量的影響,。即兩端串聯(lián)并同時(shí)測(cè)量一對(duì)共地信號(hào),。對(duì)于模擬量隔離測(cè)量,筆者曾經(jīng)考慮3套方案:

 

  方案一"虛"隔離,,即采用差分測(cè)量技術(shù),,將差分一端經(jīng)過(guò)一適當(dāng)電阻接地,這種方案成本最低,,但是對(duì)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(cè)量電路,,然后通過(guò)普通光耦與處理器接口,,需要兩套隔離電源,兩組測(cè)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。

方案三

  l.3 4~20 mA電流測(cè)量

  采樣電阻采用125 Ω/0.1%精密電阻,,這樣,,只需測(cè)量O.5~2.5 V電壓信號(hào)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(hào)變換采用TI公司的軌對(duì)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(jià)格較低,,適合本儀表應(yīng)用。

放大器

  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(cè)量值之間的絕對(duì)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(jià)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(shí)間常數(shù)較大,,量值不會(huì)產(chǎn)生突變,故濾波時(shí)間可以很長(zhǎng),。本儀表中采用多次測(cè)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:
數(shù)學(xué)表達(dá)式

  其中Xn-1為上次實(shí)際溫濕度值;Xn-2本次經(jīng)過(guò)排序取來(lái)的中值,;Xn為當(dāng)前的溫濕度值,;A為濾波時(shí)間常數(shù),作為系數(shù),。

  這樣做的目的是防止某些測(cè)量突變,以及滿足慣性物理量的測(cè)量,,使得測(cè)量值不會(huì)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(guò)MODBUS-PROFIBUS網(wǎng)關(guān)與西門子DDC通信,波特率為38.4 kb/s,??偩€采用輪詢方式,后臺(tái)機(jī)對(duì)各個(gè)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(zhǎng)期運(yùn)行后,,元器件老化及環(huán)境溫度的變化,,可能會(huì)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(shí),,需要一只標(biāo)準(zhǔn)4~20 mA信號(hào)表,,按照顯示提示,分別將信號(hào)源調(diào)至各檔位,,然后由儀表自動(dòng)校準(zhǔn),,校準(zhǔn)系數(shù)值存入非易失性存儲(chǔ)器中。

  本儀表具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)校功能,,調(diào)節(jié)電位器旋鈕可使得溫度濕度在某個(gè)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(guò)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(cè)量子程序,、濕度測(cè)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(cè)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(yè)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(chǔ)等。中斷服務(wù) 程序包括:定時(shí)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(shí)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(hào)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(wèn)程序,,此芯片的DATASHEET 上時(shí)序邏輯只是一個(gè)基本的過(guò)程,具體要得出可靠的數(shù)值,,需要在調(diào)試中摸索,,這個(gè)程序是筆者調(diào)試好的,效果不錯(cuò),。
子程序

  說(shuō)明:本子程序轉(zhuǎn)換后的12位AD值存放于02H/03H中,。
中斷服務(wù)程序

  說(shuō)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(hào)及06號(hào),即模擬量遙測(cè)及參數(shù)設(shè)定,。

  3 結(jié) 語(yǔ)

  本儀表成功應(yīng)用于上海市檢測(cè)中心400個(gè)實(shí)驗(yàn)室中目前運(yùn)行狀況良好,,與DDC間絕對(duì)誤差不超過(guò)±O.03℃。

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