《智能化仪器原理及应用》课件第4章.ppt
《《智能化仪器原理及应用》课件第4章.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《《智能化仪器原理及应用》课件第4章.ppt(301页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.1智能型温度测量仪的原理4.2智能型温度测量仪的电路结构及特点4.3软件结构和程序框图4.4典型智能型温度测量仪实例4.5实训项目三智能温控系统调测本章小结思考题与习题第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 智能型温度测量仪是指将温度变换元件变换所得的模拟量转换为数字量,通过单片机等智能芯片进行数据处理、运算等,并以数字形式显示测量结果或控制其他装置的智能化仪表。以单片机为主体的仪表中,软件完成众多的数据处理和存储任务,简化了传统常规仪表的电子线路,使仪表的结构发生了根本的变革;同时,较大幅度地增加
2、了功能,提高了准确性和可靠性,使仪表具有了一部分人脑的智能。4.1智能型温度测量仪的原理智能型温度测量仪的原理第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.1智能型温度测量仪的原理智能型温度测量仪的原理 通常,智能型温度测量仪能实现如下功能。1)自动零点调整及满度的校正由于智能化的仪器仪表通常都有自动零点调整和仪表满度的校正,因此可以减小测量误差,同时可实现一表多用。智能型温度测量仪可配不同类型、不同分度号的温度传感器,故又称为温度万用表。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2)自动修正各类测量误差智能型温度测量仪能实现对测量传感器(例如热电偶)的冷端自动补偿和非线性补偿,以及对热电
3、阻的引线电阻影响的消除等,还可实现各类测量误差的自动修正。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 3)数据的处理和通信智能型温度测量仪可进行各种复杂运算(测量算法和控制算法),对获取的温度信息进行整理和加工;统计分析干扰信号特性,采用适当的数字滤波,达到抑制干扰的目的;实现各种控制规律,满足不同控制系统的需求;与其他仪器和微机进行数据通信,构成各种计算机控制系统等。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4)多种输出形式智能型温度测量仪的输出形式可以有数字显示、打印记录、声光报警,还可以多点巡回检测。它既可输出模拟量,也可输出数字量(开关量)信号。5)自诊断和断电保护智能型温度测量仪对
4、仪表内部各种故障能自动诊断出来,并能进行故障显示或报警。断电时,仪表内的切换电路自动接上备用电池,以保持储存的数据。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.1.2智能型温度测量仪的基本结构与工作流程智能型温度测量仪的基本结构与工作流程智能型温度测量仪与其他智能化仪器一样,也是由硬件和软件两大部分组成的。1.硬件结构 智能型温度测量仪的硬件部分由单片机主机电路、过程输入/输出通道、键盘(人机接口部件)、通信接口和显示打印等部分组成,如图4-1所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-1智能型温度测量仪的硬件组成框图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 主机电路以单片
5、机为核心,用来储存数据和程序,并进行一系列的运算和处理。过程输入/输出通道由模拟量输入/输出电路(A/D转换电路和D/A转换电路等)以及开关量输入/输出电路等构成。模拟量输入/输出电路用来输入或输出模拟量信号;而开关量输入/输出电路则用来输入或输出开关量信号。利用键盘可以实现人与仪表之间的联系,而通信接口则用于使仪表与外界进行数据的交换。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2.系统软件系统软件智能型温度测量仪的系统软件主要由监控程序、中断处理程序以及实现各种算法的功能模块等组成。监控程序用于接受和分析各种指令,管理和协调整个系统各程序的执行;中断处理程序是用于人机联系或输入产生中断请求
6、以后转去执行并及时完成实时处理任务的程序;软件的功能模块用来实现仪器的数据处理和各种控制功能。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 3.工作流程工作流程 智能型温度测量仪的工作流程如图4-2所示。由温度传感器进入的模拟信号(直流电势或电阻)经过输入信号处理,即经过交换、放大、整形和补偿后,由A/D转换成数字量。此数字信号通过接口送入缓冲寄存器以保存输入数据。微处理器CPU对输入的数据进行加工处理、分析、计算后,将运算结果存入读/写存储器中。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 与此同时,将数据显示和打印出来;也可将输出的开关量经D/A 转换成模拟量输出,或者利用串、并行标准接口实现
7、数据通信。整机工作过程是在系统软件控制下进行的。工作程序编制好后写入只读存储器中,通过键盘可将必要的参数和命令存入读/写存储器中。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-2智能型温度测量仪的工作流程第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 智能型温度测量仪的电路主要由主机电路、温度检测电路、过程输入/输出通道、人机接口部件等电路组成。各部分电路的结构、原理及特点分析如下。4.2智能型温度测量仪的电路结构及特点智能型温度测量仪的电路结构及特点第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.2.1主机电路主机电路智能型温度测量仪通常以单片机为核心。单片机是指在一块芯片中集成了微处理器
8、CPU、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM和各种功能的I/O接口电路的微型计算机。在智能型温度测量仪中,采用的单片机型号以MCS-51系列居多。下面简要介绍该系列单片机及其组成的主机结构。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 1)MCS-51系列单片机的结构与特点 MCS-51系列单片机是20世纪80年代由美国Intel公司推出的一种高性能8位单片机。它的片内集成了并行I/O、串行I/O和16位定时器/计数器。片内的RAM和ROM空间都比较大,RAM可达256 B,ROM可达4 KB8 KB。由于片内ROM空间大,因此BASIC语言等都可固化在单片机内。现在的MCS-51系列单片机已
9、有许多品种,其中较为典型的是8031、8051和8751三种。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 8031型单片机片内无ROM,应用时必须外接EPROM才可使用;8051型片内具有4 KB字节的掩膜ROM;而8751型片内则具有4 KB字节的紫外线可擦除电可编程的EPROM。这三种芯片的引脚兼容,从而把开发问题减小到最低限度,并提供最高的灵活性。8751最适用于开发样机,以及小批量生产和需要现场进一步完善的场合;8051适用于低成本,大批量生产的场合;8031则适用于能方便灵活地在现场进行修改和更新程序存储器的场合。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 MCS-51系列单片机指令
10、系统提供了七种寻址方式,可寻址64 KB字节的程序存储器空间和64 KB字节的数据存储器空间;共有111条指令,其中包括乘除指令和位操作指令;中断源有5个(8032/8052为6个),分为2个优先级,每个中断源的优先级都是可编程的;第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 在RAM区中还开辟了4个通用工作寄存区,共有32个通用寄存器,可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。在MCS-51系列单片机内部,还有1个由直接可寻址位组成的布尔处理机,即位处理机。指令系统中的位处理指令专用于对布尔处理机的各位进行布尔处理,特别适用于位线控制和解决各种逻辑问题。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪
11、MCS-51 简化结构框图与逻辑符号如图4-3所示。图中信号端子的意义如下:XTAL1、XTAL2:内部振荡电路的输入/输出端。RESET:复位信号输入端。:内外程序存储器选择端。当为高电平时,访问内部程序存储器;当 保持低电平时,只访问外部程序存储器,不管是否有内部存储器。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 ALE:地址锁存信号输出端。:外部程序存储器读选通信号输出端。P0P3:四个8位I/O端口,用来输入/输出数据。P3口中还包括了一些控制信号线第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-3 MCS-51单片机结构框图与逻辑符号第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 M
12、CS-51系列单片机存储容量较小,许多情况下需要外接EPROM。此时,P0、P2口作为地址/数据总线口。关于MCS-51系列单片机的详细内容可查阅有关参考资料。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2)主机电路采用8031单片机等构成的主机电路的典型结构如图4-4所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-4用8031单片机等构成的主机电路第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 8031芯片内无ROM,必须外接EPROM。其P0口输出的低位地址信号经74LS373锁存送进存储器 2764、6116的D0D7。选片采用线选译码的方式,其中6116可与E2PROM 2816
13、互换,实现断电保护。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 P2口输出的高位地址信号分别送至2764的A8A12和6116的A8A10。P2.7、P2.3和P2.7、经与非门输出的信号分别作为6116()和6116()的选片信号。8155的AD0AD直接连到8031的口,而和IO分别与P2.7、P2.相连。存储器和8155的控制信号线分别与8031的相应端相接,从而可实现各种器件的读写操作。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.2.2 温度检测电路温度检测电路温度是一个很重要的物理参数,也是一个非电量,自然界中任何物理化学过程都紧密地与温度相联系。在很多产品的生产过程中,温度的测
14、量与控制都直接和产品质量、生产效率、节约能源以及安全生产等重要经济技术指标相联系。因此,温度的测量是一个具有重要意义的技术领域,在国民经济各个领域中都受到相当的重视。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻温度传感器和热电偶及集成对管温度传感器等。由于各种温度传感器的工作原理不同,因此有不同的应用检测电路。下面仅以电阻温度传感器为例,介绍温度检测电路的原理。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 电阻温度传感器的主要优点是:(1)测量精度高,对非温度量不敏感;(2)有较大的测量范围,灵敏度高;(3)线性度好,便于自动测量。电阻温度传感器用来测量温度,主
15、要是利用其温度特性。当温度变化时,电阻值发生改变,这样测温就变成了测量电阻值。最基本的测量电阻电路是惠斯登电桥,其单电桥测温电路原理图如图4-5所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-5单电桥测温电路原理图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 在进行电路设计时,一般是已知传感器的温度特性,根据测温环境确定电桥平衡方式、激励源选择、电压灵敏度、放大与引线电阻补偿等。现以铂电阻温度传感器为例,说明单电桥电路设计与应用的简单方法。假设已知某铂电阻温度特性如图4-6所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-6温度特性曲线第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪
16、t=0时,R(t)=100,t=200时,R(t)=150,则R=0.25/。设通过R(t)的电流小于2 mA,测温距离为100 m,要求U0=100 mV。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 1)电桥结构的选择如图4-5所示,电桥采用等臂电桥,选择R1=R2=R3=R4,铂电阻R(t)R1。为了调整电桥平衡,采用可变电阻RW,这样RW分为两部分。电桥平衡时,(RW1+R2)R4=R1+R(t)(RW2+R3),则U0=0。因为R(t)冷电阻为100,所以可选择R110R(t)。设选取R=R1=R2=R3=R4=2 k,则RW可调电阻为200,这时可用RW调整电桥平衡,RW称为调零电位
17、器。在0时调整,使电桥平衡,即调节RW,使得U0=0 V。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2)激励电源电压的估算单电桥电路中激励电源的主要作用是:在电阻温度传感器R(t)以及固定电阻R1、R2、R3和R4中产生一定的电流,将电阻的变化转变为电压的变化。但R(t)中的电流是有限的,不能过大,否则会由于本身电流发热而影响温度的测量。对于固定电阻中的电流也不能过大,并要求固定电阻有较大的功率容量,其近似估算是:先设定一较低电压,例如E选用5 V,则总电流I为 第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 则每臂电流I1、I2分别为 第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 从上面估算可以
18、看到,流过R(t)的电流小于2 mA,故本身的热量变化不会影响环境的变化。同样,流过固定电阻上的电流也小于2 mA。所以,选取E=5 V是可行的。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 3)单电桥电路输出信号的放大由前面所选定铂电阻的R=0.25/,可得电压灵敏度为 第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-5所示电桥是双端输出的,若采用运算放大器,则要用差动放大电路,如图4-7所示,其输出电压为B、D点的电位差。如电路选用Rf=R、R1=R2=R,则运算放大器放大的电压为选择不同的Rf与R,则可得到所放大的信号。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-7差动放大电路第第
19、4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4)传感器引线电阻的补偿实际测量中,由于被测温环境离控制室较远,因此传感器要经较长的导线置于测温环境中,这样,引线电阻必然会影响电桥的平衡。例如,50 m长的导线引入1 的引线电阻,会使R(t)测温偏离约5的误差,所以对引线电阻要进行补偿。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 最常用的引线电阻补偿方法是三线补偿法,如图4-8所示。图4-8(a)为二线连接法,由于有引线电阻RL,因此会影响电桥平衡(平衡点仍为B与D点)。图4-8(b)为用三根导线连接传感器,其中两根引线电阻在桥臂中以相同的方式发生变化并相互补偿,即这两根导线中电流的方向相反,引线电阻
20、正好抵消。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-8引线电阻补偿方法示意图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 上面仅仅是对单电桥电路的讨论,另外还有双电桥电路、有源测温电桥电路等,读者若有兴趣可参考有关书籍,这里不再赘述。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.2.3过程输入过程输入/输出通道输出通道过程输入/输出通道是智能仪器的重要组成部分。在测温过程中,温度传感器的信号由输入通道进入检测仪表,而仪表的控制信号则要通过输出通道传递给执行机构。因此,温度的测量与控制的准确程度以及过程通道的质量都有着密切的关系。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 1.模拟量输
21、入通道模拟量输入通道模拟量输入通道一般由滤波电路、多路模拟开关、信号转换放大器、采样保持器(S/H)和模/数转换器(A/D)等组成,输入通道经过输入接口与主机电路相接。模拟量输入通道有单通道与多通道之分。多通道中,每个通道有各自的A/D转换器等器件(如图4-9所示),或者共享A/D转换器等器件(如图4-10所示),这时,就要有多路模拟开关。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-9每个通道有各自的A/D转换器等器件的结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-10多通道共享A/D转换器等器件的结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 如果输入信号来自温度变换器,则
22、输入通道就可省略放大器。此外,由于温度是个缓慢变化的物理量,其变化速度比A/D转换速度慢得多,因此可以省略采样保持器(S/H)。由放大器发出的电压信号经过A/D转换器转换成与之对应的数字量,这就必然会产生一个问题:数字显示如何与被测量统一起来。例如,当被测温度为750时,A/D转换器输出1000个脉冲。如果直接显示1000,操作人员还要经过换算才能得到温度值,这是很不方便的,因此必须增加标度变换环节。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 标度变换可以在模拟量输入之间进行,也可以在数字部分进行处理。在模拟部分实现标度变换的优点是简单可靠,但缺点是使仪表的通用性大受限制。而在数字部分进行处理
23、却可增强仪表的通用性,但需要使用数字运算器电路或采用软件算法来实现,即经过A/D转换后的数字量先送到数字运算器,乘以或除以一个0.10.9中的任意值(根据需要也可乘、除两位以上的多位数,如0.0010.999中的任意值)。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 例如,被测温度为750,送出1000个计数脉冲,此时可将此计数值送入数字运算器进行乘以0.75的运算,即数字运算器输入1000个脉冲,输出750个脉冲,再送至单片机进行处理。显然,上述1000个脉冲也可以不经过数字运算器,而是直接送入单片机,由单片机通过一定的软件算法进行标度变换,这样可以大大节省硬件电路的成本。第第4章智能型温度测
24、量仪章智能型温度测量仪 常用的 位A/D转换器14433可直接与单片机8031相接。位A/D转换器7135与单片机8031的连接要由8155作为接口,如图4-11所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-117135与8031的接口电路第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 8155的定时器为方波发生器,输入时钟频率为2 MHz,经16分频后输出125 kHz的方波作为7135的时钟脉冲。7135的选通脉冲线STB接到8031的。A/D转换结束后,输出负脉冲向CPU申请中断。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2.模拟量输出通道模拟量输出通道模拟量输出通道也分单通道
25、和多通道。多通道结构通常又分为两种,即每个通道都有各自的D/A转换器等器件(如图4-12所示),或多路通道共享D/A转换器等器件(如图4-13 所示)。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-12每个通道有各自的D/A转换器等器件的结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-13多通道共享D/A转换器等器件的结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 在实际应用中,模拟量输出通道采用的器件按照仪表性能的要求来选择。对于多通道共用A/D转换器的形式,通常是用于输出通道数不太多,对速度要求不太高的场合。多路开关轮流接通各个保持器予以刷新,而且每个通道要有足够的接通时间,以
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 智能化仪器原理及应用 智能化 仪器 原理 应用 课件