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支持实验室温度湿度测量的智能化仪表的设计

2020年07月24日 15:42 次阅读

本文描述的是一种支持实验室温度湿度进行测量、显示并远传的智能化仪表。本仪表不同于市场上众多同类产品,他可以很好地满足现场高精度、高分辨率及网络传输的要求。

1、温湿度显示仪的硬件设计

本仪表的硬件电路部分主要是有温、湿度通道独立电源电路,温、湿度采样电路,信号调节电路,模数转换电路,光电隔离电路,处理器采用AT89S52单片机,同时还有LED显示电路,通讯电路,键盘电路等构成,其结构图如图1所示。以下将对各部分的电路做相应的介绍。

支持实验室温度湿度测量的智能化仪表的设计

1.1 温度湿度变送器

非电量的温度湿度信号通过变送器形成4~20 mA电量信号。本方案中采用了奥地利E+E公司的EE10-FT6的高性能温湿度综合变送器。

EE10一FT6产品特点:

(1)24 V DC供电;

(2)温度量程:O~50℃;湿度量程:0~100%;

(3)温度精度:±0.1℃;湿度精度:1.0%;

(4)输入阻抗:≤500 Ω;

(5)接线方式:三线(电源正端、温度输出线、湿度输出线)。

1.2 隔离测量技术

常规温度湿度测量,往往将温度、湿度信号共地,利用一套测量电路即可。在本方案中,变送器的输出要先行接入温湿

度显示仪(前端),再串接于DDC(直接数字控制器)后端构成变送器回路,变送器电源由DDC来提供,因此由变送器输出的两路共地信号在前端需要进行隔离测量,以消除对后端测量的影响。即两端串联并同时测量一对共地信号。对于模拟量隔离测量,笔者曾经考虑3套方案:

方案一“虚”隔离,即采用差分测量技术,将差分一端经过一适当电阻接地,这种方案成本最低,但是对于运放的要求十分苛刻,而且稳定性不高。

方案二 采用线性光耦隔离,但线性光耦难以调试,离散性大,需要周边元器件多(运算放大器),而且光耦前端仍需隔离电源,后端仍需模数转换器

方案三 采用两组独立测量电路,然后通过普通光耦与处理器接口,需要两套隔离电源,两组测量部分,成本稍高,但此种方案最可靠,调试方便,因而最终被采用,如图2所示。

支持实验室温度湿度测量的智能化仪表的设计

l.3 4~20 mA电流测量

采样电阻采用125 Ω/0.1%精密电阻,这样,只需测量O.5~2.5 V电压信号即可。

1.4放大器及模数转换器应用

本温湿度显示仪模拟信号变换采用TI公司的轨对轨运放TLC2252,该放大器最大的特点一是输出可达电源满幅,二是失调电压较小,0.5 mV,价格较低,适合本仪表应用。[page]

支持实验室温度湿度测量的智能化仪表的设计

模数转换器(ADC)采用TI公司的ADS1286U,此芯片主要性能有:

(1)分辨率:12位;

(2)最高采样频率:20 kHz;

(3)INL:±2LSB/max;

(4)DNL:±1LSB/max;

(5)接口方式:两线制

(6)参考电压:外接。

1.5分辨率及精度

本仪表需要满足的要求:分辨率方面,温度显示到O.01℃,湿度显示到0.1%;精度方面,要达到与自控系统的DDC测量值之间的绝对误差不得大于±0.03℃。这样的苛刻要求使得本仪表在软硬件方面都必须做的非常到位。

1.6数字滤波技术

为满足以上分辨率及精度的要求,除了在硬件上选择性价比高的元器件以及较高的PCB板技术外,在软件上做了较多的工作。因为温度湿度物理量是惯性环节,时间常数较大,量值不会产生突变,故滤波时间可以很长。本仪表中采用多次测量排序取中值然后再进行一阶惯性滤波的方法,数学表达式如下:

支持实验室温度湿度测量的智能化仪表的设计

其中Xn-1为上次实际温湿度值;Xn-2本次经过排序取来的中值;Xn为当前的温湿度值;A为滤波时间常数,作为系数。

这样做的目的是防止某些测量突变,以及满足惯性物理量的测量,使得测量值不会频繁跳跃,可以满足需求。

1.7 网络通信技术

本仪表采用RS 485通信,通信规约为MODBUS-RTU,然后通过MODBUS-PROFIBUS网关与西门子DDC通信,波特率为38.4 kb/s。总线采用轮询方式,后台机对各个房间温湿度进行采集,作为房间温度湿度集中监控的依据。

1.8精度校准及参数

本仪表出厂前均已校准,但考虑到长期运行后,元器件老化及环境温度的变化,可能会造成仪表出现精度偏差,故仪表上设有精度校准功能。校准时,需要一只标准4~20 mA信号表,按照显示提示,分别将信号源调至各档位,然后由仪表自动校准,校准系数值存入非易失性存储器中。

本仪表具有现场手动调校功能,调节电位器旋钮可使得温度湿度在某个短量程范围内更加精准。

所有的参数设定都可通过网络或仪表按键进行操作,掉电不丢失。

2、 温湿度显示仪的软件设计

主要程序包括:温度测量子程序、湿度测量子程序、键盘扫描及实现子程序、校准子程序,其中测量子程序内嵌模数转换、数据处理、形成显示数据等;键盘扫描及实现子程序内嵌显示页面切换、参数设定、校准确认等;校准子程序内嵌双通道切换校准及校准数值存储等。中断服务程序包括:定时器中断(用于显示)子程序、通信中断子程序。主程序为依次循环执行,综合外部操作(键盘),实现仪表多重功能;中断服务程序可以随时中断主程序的执行,两者互不影响。

本仪表中模数转换是关键,除了在硬件上保证信号的较好处理外,软件上的处理就显得很重要了,下面给出模数转换器ADS1286的访问程序,此芯片的DATASHEET 上时序逻辑只是一个基本的过程,具体要得出可靠的数值,需要在调试中摸索,这个程序是笔者调试好的,效果不错。

支持实验室温度湿度测量的智能化仪表的设计

说明:本子程序转换后的12位AD值存放于02H/03H中。

支持实验室温度湿度测量的智能化仪表的设计

说明:本中断服务程序为MODBUS从站响应程序,本仪表只用到MODBUS功能码中的03号及06号,即模拟量遥测及参数设定。

3、 结 语

本仪表成功应用于上海市检测中心400个实验室中目前运行状况良好,与DDC间绝对误差不超过±O.03℃。

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