（计算机应用技术专业论文）高级电工实验系统（aees）智能数据采集分析与研究.pdf

硕士学位论文 m a s r e r s t i i e s i s 摘要 ：随着互联网及现代科技的发展，当今社会发生了重大的变化，对人才的培 养也提出较高的要求，尤其是实践能力的培养。而高校作为知识传授的场所， 就应将理论与实践紧密相结合，充分利用校园网来提高教学水平，以利于培养 出动手能力强的创新型人才。在计算机网络教育模式下，开放式实验室是其 中一个必不可少的环节。然而当前大多数高校的实验教学环节还比较薄弱，其 中对电类实验来说存在渚多共性问题，比如：实验系统安全性差，仪表保护功 能少导致实验器材损坏严重；仪表性能不稳定，零漂、温漂现象严重，元器 件线性度校正不够，仪表测量精度差：学生做一次实验要花大量时间记录数据、 整理数据、写实验报告，真正用在做实验上的时间并不多，从而使实验效率大 大下降；同时也没有充分利用校园网所带来的便利和信息共享及互动的功能。厂可 本文基于计算机网络教育模式，在开放式实验室这一大课题下主要从事了 高级电工实验系统( a e e s ( 即a d v a n c e de l e c t r i ce x p e r i m e n t s y s t e i v ，) 智能仪表内部结构及其与p c 机通信的设计研究这一子课题，目的 在于有效解决目前在实验环节当中所存在的问题，并充分利用发挥校园网和互 联网在实验中所应起的作用。 本文设计的智能仪表以智能单片机为核心，利用单片机的数据运算处理功 能，对仪表实现数据采集、数据处理、显示及串行通信等功能。陈统采用了中 值滤波和滑动平均滤波相结合的多级数字滤波算法来减小随机误差，并以精密 基准电压作为比较信号的输入，由智能系统通过线性运算，实时地修正、校准 测量数据，减小系统的零漂，实现自动定标并提高测量的精度。同时摸数转换 用v 佰变换器使系统易于实现数字和模拟信号的隔离，又可利用其信号变化平 滑的特性来滤波，配以具有有效抑制噪声干扰的电路来提高单片机系统复位的 可靠性。厂r ， 此外，文中对智能仪表与p c 机的通信作了详细的设计af 其中包括主机与 硕士学位论文 m a s t e r 。st | 1 e s i s i 亏一 各节点的通信规约，详细的软件设计框图，同时为了适应网络教学的发展，对 基于网络教育模式下的开放实验室进行了框架式规划设计。借助于校园网，学 生可以网上预览实验项目、下载、分析实验数据并参预电子白板讨论。最后详 细给出了实验管理系统在v b 基础上的功能设计及关键技术，系统可以对学生 一次实验的报警次数、时间、成绩作出统计，并对采集来的数据提供三维立体 图、曲线走势图和表格三种方式显示。 基于以上的原理和方法，设计了高级电工实验系统( a e e s ) ，该系统可实 现对实验数据精确实时地采集和处理。目前，a e e s 挂入校园网的工作正在实 施之中。 关键词：高级电工实验系统：串行通信：数据采集；单片机 。_-_-_-_。_-_-_-_-_。一一一一 硕士学位论文 m a s t e r st 1 i e s i s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dm o r d e ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ， c u r r e n tv a s ts o c i a lt r a n s f o r m a t i o ng i v e sr i s et on e w r e q u i r e m e n t f o rc u l t i v a t i n g s t u d e n t s ，p a r t i c u l a r l y ，t h e i rp r a c t i c a la b i l i t y h i g h e re d c a t i o n a li n s t i t u t i o n s ， a c t e da s e d u c a t i n g a n dt r a i n i n g i o a c a t i o n ，s h o u l dc l o s e l yb r i n ga c a d e m i c t h e o r i e si n t op r a c t i c e s ，a n df u l l yt a k ea d v a n t a g eo ft h ec a m p u s - n e tt oi m p r o v e t e a c h i n gl e v e l ，w h i c hc o n t r i b u t e t oc r e a t i v et a l e n t e ds t u d e n t s u n d e rt h e p a t t e r no fc y b e r i e d u c a t i o n ，o p e nl a b o r a t o r i e sa r eb e c o m i n gi n s e p a r a b l ep a r t s w h i c hs t i l la r ew e a ki nt h ep r o c e s so ft e a c h i n g a sf o re l e c t r i ce x p e r i m e n t c a t e g e r y , t h e r e a r em a n yp r o b l e m si nc o m m o n ，f o ri n s t a n c e ，l e s ss a f ei n e q u i p m e n ts y s t e m s ，l e s s f u n c t i o n a li ni n s t r u m e n t p r o t e c t i o n ，t h u sf o r c i n g s t u d e n t st os p e n dl a r g eq u a n t i t yo ft i m er e v i e w i n g ，r e c o r d i n g ，a n da n a l y z i n g d a t a ，w h i l es t u d e n t sd oe x p e r i m e n to n l yw i t hl e s st i m e ，w h i c hh a v en e g a t i v e e f f e c to np u r p o s eo f e x p e r i m e n t ，a tt h e s a m et i m e ，t h i sd o e sn o tr e f l e c tb e n e f i t s t h a ti n t e r n e t b r i n g su s t h i s p a p e r d e a l sw i t ht h e d e s i g n s o f i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n ti n t e r n a l s t r u c t u r ea n di t sp cc o m m u n i c a t i o nu n d e rt h eo p e nl a b o r a t o r i e sb a s e do n i n t e r n e t e d u c a t i o n t h ea i mi st oe f f e c t i v l ys o l v et h ee x i s t i n gp r o b l e m so f e x p e r i m e n t s ，f u l l yu s et h e f u n c t i o n so fc a m p u s n e ta n di n t e r n e t t h i s p a p e rp u t s t h e i n t e l l i g e n t s c mi nt h em i d d l ea s i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t sa r ed e s i g n e d ，a n dt h ec a p a c i t yo fs c md a t ao p e r a t i o np r o c e s s i n g i sf u l l yu s e dt od e v e l o p ss u c hf u n c t i o n s d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s ，d i s p l a y a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n a e e se m p l o y st h e m u l t i - s t a g e dd i g i t a l f i l t e r a l g o r i t h m t or e d u c er a n d o me r r o r m e a n w i l e ，t h e s y s t e m c o r r e c tz e r o d e v i a t i o n t h r o u g h l i n e a r o p r e a t i o n t h ei n s t r u m e n t ， f r o mh a r d w a r e a s p e c t , i n c r e a s e s t h ef e a t u r eo fa n t i i n t e r f e r e n c eb yt h ew a yo fr e a s o n a b l e i i l a y o u t ，s e p r a t i o n o f d i g i t a l a n d a n a l o g u e m e a n w i l e ，s o f t w a r e m e t h o d s s o f t w a r e t r a p s ，s o f t w a r ew a t c h d o g s ，d i g i t a l f i l t e r i n t e n s i 母t h e a n t i i n t e r f e r e n c e v fs w i t c hs m o o t h sc h a n g eo fs i g n a l s ，w h i c ha v o i d sd a t a f l u c t u a t i o na n db e n e f i t sa n t i i n t e r f e r e n c e t h ev i s u a lb a s i ci ss e l e c t e da s d e v e l o p e dp l a t f o r m o nt h et e c h n i q u ea n dm e t h o di n t r o d u c e da b o v e ，a e e si ss e tu p a c c u r a t e d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s sc a nb ea c h i e v e db yt h es y s t e m b yn o w ，a e e s 。 c o n n e c t e dw i t ht h ec a m p u s n e ti su n d e rw a y k e y w o r d s ：a e e ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n d a t aa c q u i s i t i o ns c m ， 硕士学位论文 m a s t e r s t i f e s i s 1 课题的来源和意义 前言 a e e s ，即a d v a n c e de l e c t r i ce x p e r i m e n ts y s t e m ( 高级电工实 验系统) ，是近年来发展起来的一种新型综合实验系统主要用于高校的电工 课程实验教学。 多年来电工实验都存在很多弊端，因为电工实验既包含弱电部分，又包含 强电部分。对于弱电部分安全性不存在问题，但学生对仪器仪表的使用不熟练， 经常用错，导致对实验器材造成极大的损失( 有些是不可挽回的) 。大量器材 的损坏延误了实验教学的正常进行，维修也给管理人员带来了极大的麻烦。对 强电部分的实验，安全性是个极大的问题，教师不能放手让学生自己动手，必 须严格监管，工作量比较大。此外，设备繁多，一个实验室不能玎多个实验项 目，学生经常要在多个实验室转换，才能完成所有实验。鉴于上述种种原因 我们学校电子信息工程系从浙江大学方圆公司引进了g d s 2 高级电工综合实 验装置，在一定程度上解决了以前学生做实验比较分散、安全性差等问题，缓 解了因场地的局限、器材仪表的频繁调试给实验管理和教学带来的混乱。另外， 其配有的智能仪表具有过流告警自动切断电源的功能，所有仪表带有串行通信 接口，电源控制屏具有过流保护。该综合装置使得实验项目更换灵活、简单、 维护工作量小、安全性高。 但是我们发现，该装置在使用过程中也存在一定缺陷。例如，其智能仪 表随外界环境温度和仪表内部元器件发热的影响，温漂、零漂现象严重；系统 受电磁干扰影响比较大、经常误码报警：仪表显示的数据尾数所出现的数据抖 动现象比较严重；单片机经常死机等。此外，原有的系统并没有开发出合适的 计算机辅助实验管理系统，学生做一次实验要花大量时间记录数据、整理数据、 写实验报告，真正用在做实验上的时间并不多，从而使学生实验的效果得不到 提高考虑上述因素，对智能仪表从软、硬件上加以改进，并设计出仪表与主 机的通信方案、实验数据分析方案，实现无纸记录、无纸作业，使学生把时间 硕士学位论文 m a s t e r st 1 1 e s ；1 s 充分用在做实验和分析实验上，以充分培养他们的独立设计、独立思考能力和 独立动手能力，使a e e s 更好的服务于广大师生，即为本文所要研究的内容。 作者结合实际经验在电信系杨刚教授及徐祖明高级工程师的建议下，对 a e e s 的智能仪表( 主要针对直流电流表，其它大同小异) 从硬件到软件进行 了详细的设计、评审。对所采用的电子元器件也进行了优选。本文的最后结合 多位任课教授及讲师的提议，用微机将a e e s 智能仪表采集的数掘进行统一分 析和综合处理，动态显示实验效果，自动给学生实验打分，可以查询学生操作 时间、故障记载等。而且本文设计了校园网上的实验教学模式，在本实验管理 系统的基础上，微机可以很方便的连入校园网，任课教师和学生可以方便的从 网上下载实验指导资料、实验数据和数据处理工具，并参预讨论。 a e e s 系统的设计支持网络化，对学生提出了较高的要求，给高校的开放 式实验教学创造了条件。对本文a e e s 设计的智能仪表稍加改装，也可用于工 业中有些方面的测量。 硕士学位论文 ) 1 a s i m si | e s s 第1 章a e e s 简介 a e e s 是新一代高级电工实验装置，整体外形美观，结构紧凑，能完成电 工原理所有实验，具有多重实验保护功能。其总体特点如下： ( 1 ) 整体保护系统在隔离变压器原边采用电流型漏电保护，在隔离变 压器副边采用电压型漏电保护。 ( 2 ) 全部工作电源和电网电压隔离。 ( 3 ) 总电源采用断路器分合电源。过电流切除进线电源。 ( 4 ) 钥匙开关控制系统供电，便于实验室管理。 a e e s 的构建模式如图所示。 图1 1a e f _ , s 各模块连接图 1 1 电源控制屏 ( 1 ) 提供单三相可调交流稳压电源，调压范围每相o 2 4 0 v ，三相相电压可 用模拟表监视。 额定输出电流2 a ，具有过流保护功能( 整定电流2 2 a 。过流时切断 硕士学位论文 、1 、【r s 1 1 【i ：s 【s 电源输出，同时发出告警指示复位后方可重新启动。 ( 2 ) 针对实验设备的特殊要求，提供的交流稳压电源具有单相可调和三相 联调的功能。可使三相电压人为平衡和不平衡输出，以方便实验。 ( 3 ) 实验装置具有漏电保护功能，如有漏电现象发生，主控制屏保护电路 工作，切断主电源，同时发出漏电告警信号，漏电电压整定值为5 0 v 。 ( 4 ) 提供照明电源，可同时照明和实验。 ( 5 ) 提供各部件的工作电源：2 2 0 v ( 稳压稳流源、信号i ! ! ；f 、示波嚣等使 用) 、3 6 v ( 仪表、精密负载使用) 。 ( 6 ) 提供其他工作电源( 2 2 0 v 交流电源，供外部设备如汁剪儿等使用) ( 7 ) 提供仪表等设备数据通讯串口。 1 2 稳压稳流源、信号源 一、稳压源 ( 1 ) 输出1 5 v ( i a ) 、5 v ( 1 a ) 。所带负载达1 5 a 以上过载 ：臣漉，故障 消除自动恢复。 ( 2 ) 输出可调稳压电源0 3 0 v ，连续可调，不采用分档调节方式。具有 过载切断输出、并自锁功能。最大输出电流1 5 a 。 ( 3 ) 可调稳压电输出部分具有数显监控输出电压功能。 ( 4 ) 直流电源由l e d 指示。 ( 5 ) 调节采用粗调和细调相结合方式进行。 二、稳流源 ( 1 ) 输出可凋稳流电源0 5 0 0 m a ，连续可调，最大输出电压2 0 、7 ( 2 ) 调节采用粗调和细调相结合方式进行 ( 3 ) 具有稳流指示功能，输出电流数显监控 三、信号源 ( 1 ) 以单片机为核，t 3 ，可输出正弦波、三角波、方波三种波型。频率范 围1 0 h z i m h z 。频率、幅度可调，幅度最大2 0 v ( 2 ) 数显频率，测频范围( 1 l m h z ) ( 3 ) 设置7 个频率段，用上升、下降键以给脉冲形式选择频率段，用l e d 4 硕士学位论文 、f 、s t e r s ”i e s 】s 显示 ( 4 ) 波形选择( 三种波形) 、l e d 显示取消琴键开关和功能选择旋扭 用功能按扭代替。 1 3e x p 模块和精密负载 实验( e x p ) 模块以挂箱形式设计，每个挂箱可以做相近的多个实验，模 块所给出的都是分立的元器件，也可能做某一个实验要用到好几个模块中的元 器件。这种分立元器件的设计使学生可以自己设计措建电路图，从而有助于学 生动手操作能力、独立思考能力的培养。 根据实验内容，a e e s 有常规负载箱、电路有源元件箱、荧光灯可变电容 箱、三相负载箱、继电接触箱。常规负载箱上有两排桥接器，可以自已插接元 器件设计灵活的电路图。继电接触箱上预留有窗口可让学生了解继电接触器 的结构，增强感性认识。 精密负载实际上是智能可调电阻箱，设有两个。每一个可调电阻箱以 8 9 c 5 1 为核心。由上升键、下降键引发i n t 0 、i n t l 中断，通过在中断服务程 序中作处理来设定电阻值，通过p o 、p 2 端口经7 4 l s 3 7 3 锁存器控制选通电 阻网络中的相应电阻，达到选电阻的目的，同日l j7 4 l s 3 7 3 输出到译码器，送数 码管显示。 该精密负载最大的优点是具有过流保护。在输入端有低通滤波措施和信号 调理、过流保护环节。电阻选定值越小，输入电流允许值越大，当输入电流超 过最大限定电流时，过流保护环节动作，切断电源。这样可以防止误操作烧坏 电阻箱内的精密电阻这种容错特点比较适台于开放性实验。 1 4 智能仪表i i 模块 智能仪表( ii 模块) 在这里是一个统称它在a e e s 中所占份量最大，包 含以下四个模块。 直流电压电流表。包括直流电压表( 1 # ) 、直流毫安表( 2 # ) 、直流微 安表( 3 样) 各一块 硕士学位论文 m a s t e r 1 st e s i s 交流电压表。由三个交流数字电压表( 4 # 、5 # 、6 # ) 构成 交流电流表。由三个交流数字电流表( 7 # 、8 # 、9 # ) 构成 单、三相功率表。由两个数字功率表( 1 0 # 、1 1 # ) 和一个数字功率 因数表( 1 2 # ) 构成 所有的智能仪表ii 模块均以直流3 6 v ( 由电源控制屏提供) 为工作电源 具有超量程保护、自锁、告警功能。量程切换采用上升、下降键，取消琴键开 关，所有仪表采用数显方式，信号采集、处理采用单片机技术，具有计算机串 口通信功能。 智能仪表ii 模块各仪表核心技术类似，本文将以直流电流表为例，详细 的给出改进后仪表的硬件设计和软件设计，并对串行通信觇约作较为钏致的阐 讳。 硕士学位论文 、：、qe r sj i i ：s 】s 第2 章智能仪表ii d l 的硬件设计 2 1 智能仪表i i d l 概述 从前面一章中对a e e s 的简介，我们可以看到a e e s 具有较好的保护环节， 系统的维护工作量也较小。 智能仪表( ii ) 是a e e s 中最重要的模块刖为测量工岁l 门灯m 、，可咀直 接影响实验的进程和效果，原来的智能仪表ii 性能差，一方面容易坏，耽误 实验进程，另一方面误差较大，容易误导学生，不利于正确分析实验结果。在 实际工作中我们发现原来的智能仪表存在很多问题。主要有以下儿点： 随温度和时间的变化，仪表零漂较大。外界环境温度上升，呈诈的零 漂，环境温度下降呈负的零漂。随着时| 日j 的变化，元器件参数发生变化，测量 数据又有变动。由于零漂和时蠕带来了较大的误差，使直流表的正负值不剥称 零输入显示不为零，容易误导学生。 仪表的精度大于l5 级。如果仪表的精度差将会从根人程度t 破坏实 验的效果。 系统受电磁干扰后，工作异常，主要表现在仪我程一：刁；麓i h j 运行， 般表现为死机现象，要么全显示8 ，要么定在某量程上动刁：了，或者系统在 起动时报警，仪表得到了保护，但无法做实验。 系统复位不可靠 改进后的仪表除了解决上述问题，我们还充分利用单片机的“智能”特性 加入了新的功能。 设计的主要目标原则为： 零漂小。通过与标准零输入信号的比较，充分利用单片机的计算功能， 来消除由于温漂和时蠕所带来的零值漂移现象，从而使系统能自动进行调零 干扰脉冲影响小，采用看门狗电路、光耦隔离、多级数字滤波、软件 陷井和数字冗余等容错技术来提高系统的可靠性，特别是数字滤波采用数字滑 动平均滤波和中值滤波相结合无需硬件，只用一个软件算法，可靠性高，不 存在阻抗匹配问题，其运算的速度、平滑的效果、保持原信号的不失真程度等 7 硕士学位论文 、引fr 7j ：铂 方面都具有较理想的特性，可使随机误差减小石倍 复位可靠，采用专门的可以有效抑制噪声干扰信号的电路来提高系统 复位的可靠性 精度达到0 5 级，采用两路精密基准电压作为校币叫的输入信号，由 单片机对基准电压信号、实际输入信号的测量值进行线性运算，以校i f 运放、 v f 变换器等线性元件的线性度，从而实现自副j 定柄、 报警后自动切换量程，并自动记城一一次实验 警总次数 总之微型计算机在仪器仪表系统中的成功应用，使传统电子仪器发，l 了 许多革命性的变化，其中个突出表现就是系统中包含了智能性运作。微机具 有很强的分析和运算能力，智能系统可以完成复杂的数据处理：智能系统采用 软硬件相结合的方法进行随机误差的数字滤波和系统误差的修i f ，可以实时地 修正、校准测量数掘，这些都是传统仪器难以比拟的。 2 2 硬件设计 硬件设计的目标主要是从物理结构上提高系统的可靠性和精度。为了达到 这一目标，本系统在输入端采用低通滤波器和过压保护电路采用高稳定性芯 片i c l 8 0 6 9 作为精密基准电压的稳压器，用v f 变换器l m 3 3 】即易于实现数 字和模拟信号的隔离，又可利用其信号变化平滑来滤波。看门狗m a x 8 13 l 也 为单片机的可靠工作提供了保证条件。下面将依次介绍各模块的具体设训。 2 2 1 面板设计 面板上位于中间的是五位l e d 数码显示器，用来显示输出数据，最左边一 个是号的显示位，l e d 显示器下面是显示 量程的六个发光二极管，发光二极管的两边 是量程选择键。l e d 显示器的左边是一个手 动复位按扭和一个过载指示灯。l e d 显示器 的右边为两个正负接线柱。 整个面板设计比较小巧，适合a e e s 挂 箱的需要( 如右图所示) 。 m 硕士学位论文 1 a s r e r s7 几i e s i s 2 2 2 前向模拟输入通道的设计 前向输入模拟通道包括低通滤波器、输入保护环节和可编程测量电路。 低通滤波器采用双j t 滤波器，能有效的抑制高频干扰和部分电磁干扰。输 入保护环节主要采用两个钳位二极管将测量电路的输入端钳位在8 v 以内。 由于这两部分用的都是典型的电路，本文就不再仔细阐述，下面着重介绍可编 程测量电路。 x iv 1 0+ v f l j 等。士。 ，r l v | - v 1 p 疆 _ 、p 量一 l 、s r 9 i c 二二 - 一 肌 1 | ! b ；f 一 王_ jv e e l 二墓三五 6 r 计 倒2 1 前向输入模拟通道的电路原理幽 硬件设计如图2 1 所示，整个电路实际上是由线性电阻和运算放大器构成 的电流电压变换器，电流i 通过采样电阻r 3 时在电阻r 3 两端产生电压 u = i r ，将电压通过运算放大器n l 以后，按照运算放大器的放大原理h l ，其输 出电压 乩= 去u = 去掣池。， 硕士学位论文 m a s t e r s 1 e s 】s 从式( 2 1 ) 可以看出： ( 1 )输出电压与电流成正比： ( 2 ) 输出电压与电阻凡、r 。成正比与电阻r + 成反比； r 3 、r 9 为常数，r + 阻值随量程设定而变化，具体值由单片机发出的信号 控制多路开关c d 4 0 5 1 的选通实现切换，故对于选定的量程，输出r 巳压只随电 流变化( 即达到了电流一一电压变换的f ) 。对r 直流f 皂i ，i 农， 程乜括 2 5 m a 、1 0 0 m a 、2 5 0 m a 、1 a 、2 5 a 、5 a 共六档。当用于5 a 量程旷，设如果 测满量程直流5 a 的电流则 = 而r 9r 3 1 = 1 8 ( k _ c 2 ) 0 1 ( q ) 5 ( a ) = 去( 矿) 整定值u o 。= o 5 v - 4 r + = 寿= 8 ( k f ) ) u ) _ _ 5 a 档，r + = 8 k ，即r i i = 7 5 k ，r 1 2 = 5 0 0 当用2 5 a 量程时，设测最大电流25 a ，则 v 0 = 鲁列= 1 8 ( k _ f 2 ) 0 1 ( q ) 2 5 ( 爿) = 去( r ) - r + = ；= 三= 4 ( 艘) u o u 5 r 1 3 = 4 k tr 1 4 = 1 15 依此类推，l a 、2 5 0 m a 、i o o m a 、2 5 m a 档的电阻r + 依次为i 6 k 、4 0 0 、 1 6 0 、4 0 ，而实际在设计的时候为了实现修正测量精度，r + 由一个固定电阻和 一个可调电位器串联组成，以便于整定各量限的精度。阻值设定如图2 1 所示， r 2 l 没有串联可调电位器，因为不通过这里的电阻即可达到整定此最小量限精 度的目的。图中c 8 是滤波电容，可以消除纹波干扰。 为了提高测量精度，运算放大器选用高增益、高输入阻抗、低失调电压、 低漂移、低噪声的运算放大器i c l 7 6 5 0 。采样电阻r l i r 2 l 均选用高稳定度 的电阻如e e 系列1 。 2 2 3 信号调理放大电路的设计 硕士学位论文 1 s r e r s t f ( e s l 5 图2 2 信号蛹理放大电路 如图2 2 所示，双向稳压管的稳定电压为6 v ，一8 v 基准电源通过电阻r 的分压，a 点的电位被钳位在一6 v ，6 v 电源通过电阻r 4 5 、r “的分压，给 b 点提供输入叠加电流，使c 点得到0 5 v 的f u 压。 根据线性运算放大器的特性，当输入为一时，有公式 堡+ 旦： ! ( 2 2 ) 焉r 2 2r 4 5 + 只2 j 当输入为负时有公式 旦：旦+ ! ( 2 3 ) 局r 2 2月4 5 + 月2 4 r 4 5 为3 3 k ，r 2 4 正常情况下调节为3 k ，以便于整定电压l 。 因此当输入v ，= o 5 v 时，由公式( 2 2 ) ，有 丘+ 堕：旦 1 533 6 屹：( ；一娑) x 1 5 则，v 。= 0 v 当输入v i = 一o 5 v 时，由公式( 2 3 ) ，有 硕士学位论文 h l a s t f r st i i e s i s 丘：堕。旦 1 533 6 k ：( ；+ 娑) 1 5 则，v n l 5 v 由上述公式，当输入v i = o v 时，v 。= 2 5 v 本直流电流表共设置六个量程各档位满量程的信号输入，经过测量放大 器和信号调理放大器后，其输出为0 v ( 负的最大量程输人值) 或5 v ( 正的 最大量程输入值) ，此值再送v f 变换单元，然后由单片机按量程设定值进行 数据处理，最后输出与输入相对应的数字值。为了提高系统精度和减小零漂， 运放选用高增益、高输入阻抗、低失调电压、低漂移、低噪声的运算放大器 o p 0 7 。分压电阻r 4 pr 2 4 和比例电阻r i 、r 2 2 均选用高稳定度的r l l 5 t 1 如e e 系列。 2 2 4 信号变换与隔离的设计 信号变换设计的目标是要得到线性度较高的电压频率输出频率与输入电 压有着严格的对应关系。信号隔离是为了将模拟信号与数字信号有效的隔离 开，特别是使输入端串入的较大的电磁干扰被有效的隔离，而不要破坏单片机 的正常功能。本系统选择l m 3 3 1 作为v f 转换器，6 n 1 3 7 作为光电隔离器p “。 l m 3 3l 转换芯片( v f ) 变换将调理放大后的模拟信号转换成相应的频率 信号，不仅线路简单，而且易于采用光电隔离器。 l m 3 3 l 是单片集成芯片，在v 佰转换器中，它是l m x 3 i 系列中的一种， 它作为一种简单廉价的电路很适用于模数转换。它使用了新的温度补偿能隙基 准电路，在整个工作温度范围内和低到4 0 v 电源电压下都有较高的精度，最 大线性度达0 0 1 ，6 个数量级的动态范围，即满量程的频率范倒为l h z 1 0 0 k h z 。其数字脉冲重复率正比于模拟输入电压的幅值。这类器件的高精度 高线性度、低漂移及单调性的组合所提供的性能是其它技术难以实现的。逐次 近似a d 转换器定期进行“抽样”，因此易受噪声尖峰的影响，而电压频 率转换器的输出端一直在进行积分，因此能对噪声或变化的输入信号进行平 硕士学位论文 m a s l t r st | i e s i $ 幽2 3 信号变换与隔离l b 路 滑特别适合于噪声工作环境1 2 4 。 对v ，f 变换，整个电路都是线性放大。对l m 3 3 1 根据v f 变换的原理 其输出频率与输入电压之间的关系满足下面的公式： l 2 南詈。志 他4 ) 由公式2 4 可以看出f o 。与v 。成正比。 v f 变换，满度频率f 大，闸门周期短，转换快，分辨率高，但同吲线性 度下降。因此在选择参数r l 、r s 、r 【、c 。时格外要注意。本文设定输入v 在 o 5 v 内变化，输出f o 。在0 1 0 k h z 内变化，即可满足转换率又可满足分辨 率的需要。 图2 3 中r 5 8 即r l 为6 2 k ，r t ( r 5 9 ) 为5 1 k ，c t ( c 1 3 ) 为0 0 luf ，r s 为r s 6 十r 5 6 ， 仔细调节r 5 6 即可满足输入为5 v 时，输出f o 。为1 0 k h z 。 l m 3 3 l 由7 脚输入电压，由5 脚输入偏置电流，5 脚最大保持电压为7v s ， 2 脚的参考电压为1 9 v 。流入c 1 4 的i a v e r = i ( 1 1 r t c t ) f o f 输出期间( t - 1 1 r t c t ) ， c 1 4 充电到v x ，此后，i = o ，f 无输出，c 1 4 从v x 放电到v l ，而后比较器工作，开 硕士学位论文 m a s t e r st 】i e s i s 始另一个循环，整个过程始终保持电荷平衡l 。 l m 3 3 l 的输出接光电隔离器6 n 1 3 7 ，6 n 1 3 7 采用射极输出，不改变输出相 位，集电极开路，内部有脉冲整形电路，其输出可直接接单片机的引脚而不 会改变信号的频率输出。 使用光电隔离器，一方面可以抑制较大的随机干扰信号进入单片机， ( 6 n 1 3 7 最大可以抑制3 0 0 0 v 的噪声干扰) 减少进入单片机的干扰信号修改 单片机内部寄存器的数值或发生死机的现象；另方面可以避免数芦i 巳路、模 拟电路的共地因而能有效的抑制由于数字 乜路、模拟i u 路的北地i l ，l 米的地电 位脉冲引起的数据抖动现象。 2 2 5 复位系统及看门狗电路的设计 智能控制单元是整个仪表的控制核心，主要由8 0 c 5 1 组成。8 0 c 5 】技术成 熟，含有4 k 的e p r o m 、2 5 6 b 的r a m ，3 个八位i o 口和一个多功能i o 口， 加之其应用广泛、技术成熟稳定、性能价格比高，可以满足仪器对功能利成本 的要求。由于单片机的设计主要在于软件，本文后面再介绍其软件设计，这里 先主要介绍复位系统的硬件设计。 单片机复位系统参考电路的形式较多，但有些 u 路 ! i ；赴原f 畦1 难于满足 c i i ty r 3 4 v 3 尸 l d 】：i ，心 4 l s 【4 一2 r e s e t 烈 u ii r 5 0 r ?悯毒“：巴 实际的需要。 复位系统是易受峨j ：il 扰的敏感 部位，当复位端串入二r 抗时大多数情 况下不会造成单片机的错误复位，但会 引起c p u 内部的某些寄存器和接口电 路的错误复位。因此，在设计复位电路 时，既要保证整个应用系统的可靠复 位，又要考虑复位电路应具有较好的抗 干扰能力。 如图2 4 所示，电路中二极管d 图2 4 复位电路和看fj 拘电路使单片机能在电源掉电时实现可靠复 位，避免了由于电源瞬间掉电而电容c l 不能迅速放电而引起单片机不能可靠 复位，导致程序运行失控，造成“程序乱飞”和“死循环”的现象 2 3 1 。在靠近 复位电路附近安装电容c 2 ，可提高对电源中高频噪声的抑制。用施密特触发 器7 4 l s l 4 代替非门，可进一步提高系统的抗干扰能力。 手动复位按钮安装在控制面板上，有较长的传输线，容易引起电磁感应干 扰。因此，按钮的传输线采用双绞线，有利于抑制电磁感应干扰。 图中电阻、电容参数按系统晶振采用1 2 m h z 电源上升时问l n l s 来计算， 充电时间t = o 6 r c = o 6 l o 1 03 1 0 x 10 一- 6 0 m s ，这个时叫酣有余量，考虑了 相关接口芯片复位的统一r 主。 看门狗电路主要是靠芯片h t a x 8 1 3 l 柬工作，8 0 c 5 l 的l ，3 7 端口按5 1 a x 8 13 l 的w d i 输入端阻提供清零信号。当 y d i 在j 6 s 内好睽处) ：低i u 、h 蔑高电平时， m a x 8 1 3 l 内部v c c 就低于阀门电平，r e s e l 、端就保持2 0 0 m s 的 和e - - t ：，同r l ；j 内 部时钟清零；当v c c 上升高于阀门电平时，r i n s e 7 【、在2 0 0 m s 延时到后变为低电 平。当单片机由于发生硬件或软件故障而没有及时给w d i 发清零信号时，w d o 就发出2 0 0 m s 的高电平以强制使单片机复位，从而起到了保护有关设备和避免 死机的作用。 2 2 6 自调零定标电路的设计 对于精密仪器来说，由于运算放大器、电子模拟开关、v f 转换等元器件 在不同条件下其性能将会受到影响，尤其是电源的浮动和外界* 矗度f | 变化，常 会使前向输入通道模拟信号受到影响，因此在设计数据采集前的放大电路时， 不但要考虑放大电路的零漂问题( 即自动零漂校f 问题) ，刷时还要考虑放大 电路的增益的变化和不精确带来的影响( 即自动定标问题) 。如果不用单片机 而纯用逻辑电路来解决上述两个问题将是比较困难的，即使能够实现放大功能 也会造成电路复杂。现在利用单片机的控制运算功能，能使解决零漂和增益影 响的问题变得简单起来，实现也比较容易。 。 如图2 5 所示，在自调零定标电路中，开关s l 、s 2 、s 3 在任何时候都只 有一个闭合，s l 闭合，s 2 、s 3 断开，接输入，s 1 、s 3 断开，s 2 闭合，接o 5 v 标准电压，s 1 、s 2 断开，s 3 闭合，接地，输入为零。 篡篡篙； 图2 5 自动阔零平引定标l d 路 i c l 8 0 6 9 是带温度补 偿、低噪声、高稳定度、低 功耗的2 s o t 芯片。其最大 温度变化为1 0 l p m ，偏置 电流最小为j 0u ，稳定电 压为12 v 。电阻i i i 提供偏 置电流， l j 、k n 史现分压，仔细 删节胁，叫川雀 引输山为 0 ，5 v 的电压。 由于放大器和、i ：转换 器在同一条件( m l 。间、温度) 、下可认为是线性的，此时若 测得2 个参考r 巳压所对应的 频率值就 | 】定了频率值 与电压的线性对应关系。如果输入电路的零点和增益发生了变化，则某一电 压值对应的频率值必然发生变化，但只要参考电压不变，就可以通过重新测定 参考电压的频率值，并进行相应的变换，以保持原有f l 9 i j 应关系，返可以使系 统保持统一的度量标准。 假定系统原来频率与电压的线性关系为f ，= k v + f 。变化以后的关系为 f = kv + f 显然f ，与f 。之间也是线性关系：f ，= ( k k ) ( f 一l ) 十厶。 设对于2 个参考点原来频率为f 。与r ，变化后为f 与f 2 ，参考点电压为v 与v ：。通过化简最终可以得到f 。= ( l f ，) ( f ：一f ，) ( f ，一f ) + f ， 这样，只要每一定时间对2 个参考点频率进行测量，利用上面公式对有效信号 的频率进行变换，就可以保持内部的统一标准，实现自动校准和自动调零，使 仪表精度不受外界的影响。 2 2 7 选量程及报警系统的设计 如图2 , 6 所示，选量程由两个按钮实现，个按钮朝增量程方向切换，另 1 6 硕士学位论文 m a s t e r st i i e s i s 一个朝减量程方向切换。按钮按下后将低电平送至单片机的i n t 0 ( i n t i ) 脚， 引发外中断，在中服务程序中实现测量切换，包括量程指示和增益控制。这里 并没有采用自动切换量程，主要考虑学生做实验，需要培养动手操作能力。 图2 6 选取量样及报警系统电路圈 如图2 6 所示，报警信号从前向模拟输入通道i c l 7 6 5 0 的输出端采集信号。 第一个l m 3 5 8 将初次采集到的报警信号放大1 0 倍第二个l m 3 5 8 对负的报 警信号起倒向作用，二极管v 2 则供正的报警信号通过，使得流入l m 3 l l 的报 警信号都是正信号。比较器l m 3 1 l 将报警信号与参考电压比较，如果超过参 考电压就翻转，发出一低电平信号，此低电平信号一方面通过与非门送到 8 0 c 5 1 的矾t l ，另一方面送到8 0 c 5 l 的p 1 6 端口。报警信号以外中断方式进 入单片机后，在中断服务程序中首先读p 1 6 端口的值，若其为负值则认为是 报警信号，延时3 m s ，赐除干扰报警信号，再读p 1 6 端口值，若其还是为负值 则认为是真正的报警信号，然后由单片机的p 3 6 口发出低电平信号驱动过流 发光二极管和报警蜂鸣器，并由保护装置自动切断操作电源，从而起到保护仪 1 7 硕士学位论文 1 a s r e r lst l | e s i s 表的作用。 一旦发生报警按下相应的复位按钮可以解除报警，系统在报警后自动将 量程选择切换到最大量程。复位按钮采用常丌常闭联动按钮s 4 ， 闭连报警 电路，常开连单片机的复位端这样在仪表面板上就只有一个复位按钮。 调节比较器l m 3 1 1 的输入参考电压( 调节可变电阻r 2 7 ) 可阱改变超量 限的容错程度。般超量限报警太灵敏了并不是一件好事。 这里报警信号由前向模拟输入通道取信号比直接用单片机判断是否超量 限要好。因为信号由三运放电路至单片机比由v f 变换通道要快最多只有3 4 m s 的延时，可以有效的保护运放和l m 3 3 1 ，并且文中l 1 3 3 1 的输入宵i 对输入为负值的超量限有限制，用硬件电路提供单独的报警信号通道，育到于 实现e 常的报警。 2 2 8 显示模块 显示模块主要由四个七段译码驱动器s n 7 4 4 7 ( 共例啦) 列k 个刊7 小数点 的数码显示器组成。由单片机的p o 0 p o 7 、【，20 一p 27 共1 6 个端：蜥州j ! 北示 值( b e d 码) 给译码器，由译码器点亮数码管相应的码