第十二章 显示仪表

1、12显示单元 在控制系统中显示仪表具有重要的地位，它可将控制过程中的参数变化、被控对象的过渡过程显示和记录下来供操作人员及时了解控制系统的变化情况，掌握被控对象的状态，是进行系统控制、工况监视、性能分析以及事故评判等工作所必不可少的环节。 第12章 显示仪表12.0 概述 用于参数的指示、记录、累积计数的仪表 显示仪表的分类： 1. 模拟指示仪表;(机械式, 动圈式, 等) 2. 数字显示仪表; 3. 图象显示仪12.0.显示仪表的功能和分类 主要功能参数显示，故障报警 基本结构测量电路+信号处理+数据显示 分类： 模拟信号指示表：指针式仪表（电流表，电压表），磁电结构通电线圈在磁场中受力，产

2、生偏转运动；例：指针式万用表。 数字式显示表：数码管显示LED，数字液晶显示LCD，基本组成： A/D转换； 微处理器数据处理； 驱动电路； 显示器； 虚拟仪表：计算机显示器显示多种数据信号，并可模拟图形显示；基本组成：1）数据采集（信号测量，放大，A/D转换，数据处理）；2）数据传输（串行，并行），进入计算机；3）计算机软件程序（数据处理，参数显示，趋势曲线，图形变换模拟等）；12.1.0 模拟显示仪表结构原理 基本结构磁电式仪表 对称圆形磁场； 提供均匀磁场，使指针在大范围偏转角度下都有匀强磁场 可动框架线圈； 可动式通电线圈作为带动指针的转子 张丝扭力平衡机构； 平衡动圈受力，保持指针平

3、稳转动 测量电路； 完成信号电流的调节，保证仪表的准确指示12.1.0 模拟显示仪表结构原理 模拟显示仪表工作原理： 测量信号输入E（低电压毫伏信号）； 调整测量线路中的Rc串联Rb并联电阻，可实现量程调节； 输入信号电流通过测量线路进入可动线圈G； 通电线圈在磁场中受力偏转，同时带动指针运动； 张丝扭力反向平衡动圈偏转，最终使指针停留在准确刻度位值，显示正确的信号参数值。 Rt和Rg组成温度补偿环节，补偿动圈铜线电阻受环境温度的影响而变化，引起信号电流的改变造成参数指示误差。12.2 动圈式显示仪表 动圈式显示仪表的实质就是指针式电流/电压表。其核心部件是一个磁电式毫安计。 动圈式显示仪表通

4、过一定的内置电路可以直接用来作为热电偶、热电阻，以及电流或电压的显示。 部分显示表还附带有模拟量输出，以实现简单的控制功能。一、动圈显示基本原理 磁场中，一个用弹性张丝悬挂的线圈，当线圈有电流通过时，线圈在电磁力的作用下发生偏转；在电磁力矩与张丝的弹性力矩平衡时，线圈达到最大偏转角并稳定下来。 指针与线圈相连，指示电流大小。 部分动圈仪表采用螺旋弹簧（游丝）代替张丝作为弹性体。NS动圈的内部结构温补与调整 温度补偿 采用热敏电阻抵消线圈热效应。 调零 调整张丝或游丝的固定点。 校准 调整内部电阻。 阻尼 采用并联电阻短路感应电动势。RTR1R2R3R4+-四、动圈式显示仪表测温注意事项 型号意

5、义 XCZ：显示、磁电、指示 XCT：显示、磁电、控制 注意配套使用 适当调整外接电阻 运输时，短路保护一、数字式显示仪表的分类数字显示仪表电压型频率型单点式多点式单点式多点式显示仪显示报警仪显示输出仪显示记录仪显示报警输出记录仪二、数字式显示仪表结构原理检测变送模拟信号A/D转换数字信号电子计数器 寄存器电子译码器显示器1. A/D转换 功能： 将电压信号转换为数字脉冲信号； 输入与输出电位隔离。 构成： 低精度时直接用集成芯片转换； 单芯片精度取决于输出位数。 高精度时分段采用集成芯片转换。 对以电流方式输入的信号，先转换成电压信号。2. 电子计数器 功能： 将A/D转换输出或测试仪表的数

6、字输出按10进制进行分段； 构造与工作原理： 一般由多个双稳态触发器串联组成； 通过依次触发，实现进位。3. 寄存器 功能： 暂时储存电子计数器输出结果； 隔断计数器非信号输出； 根据后续请求定时输出数字信号。 结构： 一般直接采用RAM芯片构成。4. 译码器 功能： 将数字信号翻译为十个数字状态； 将每个数字翻译为对应管脚信号。 构造： 通常由与显示器配套的专用芯片实现。5. 显示器 功能： 显示数字 分类 辉光数码管 发光二极管 液晶显示器2 3 1 2 31 23 1温度：560C压力：3.1MPa123数字式显示仪表基本流程 输入信号处理环节测量，放大，滤波； 模拟量/数字量转换A/D

7、，数字量输入进MPU； 数据处理变换输出（微处理器MPU实现）； 输出驱动电路译码，锁存，限流； LED显示，或LCD显示；1231数字式显示仪表各环节功能 A/D转换的实现： 确定模拟量输入范围，与信号处理电路输出连接。若A/D芯片供电5V，则输入信号不能大于5V。可以为0-5V中间的一段电压范围； 根据测量精度要求确定A/D转换器的位数； 如：测量范围：0-300C ，要求最小显示0.1C ， 则：最小刻度单位1/3000，可选12位A/D，其分辨率为：1/4096 ； 参考电压的选取，以决定最大数字量与参考电压上限的等价关系。如：8位A/D转换器选取5V参考电压，最大256代表5V，2.

8、5V时的数字应为128。 与MPU微处理器的有效控制信号连接，注意A/D转换的时序关系：启动，数据输入，转换数据锁存，MPU读数据，结束转换过程。 目前已有内含A/D的MPU，此项任务可由MPU内部程序完成，需要在软件编制时加入该程序内容。1231数字式显示仪表各环节功能 MPU数据处理实现： 由A/D转换的数据范围匹配测量信号的显示范围。如：256 对应 200C温度，确定数字转换系数； 采样速率的确定，数字滤波的实现；（驱除干扰） 十进制信号BCD码变换，输出数据各位分别存储； 确定数字输出顺序，时间间隔，保持时间等； 选择驱动控制方式，静态显示？/动态显示？制定控制端口连接模式； 编制输

9、出显示控制程序； 设定异常数据处理方法，并编制相应的故障监测处理程序；这样可保证正常程序不出现死循环现象。1231数字式显示仪表各环节功能 驱动电路和显示： 根据显示器功率消耗，计算驱动电流，确定限流电阻大小和功率； 依据驱动电流选取合适的驱动芯片； 由驱动芯片的控制要求，连接到MPU的相应端口，并在编制软件程序时充分考虑时序的配合； 硬件电路的空间位置安排，散热要求的考虑，等等； 供电电压和所需最大功率的确认；一般应保持参数一致的电压。 显示器亮度的调整，改变限流电阻，或驱动时间可实现此目标。1232数字式显示仪表的显示驱动 四位LED数字显示： LED数码管显示； 限流电阻取定，正常亮度，

10、可以长期使用； 译码器将4位数据转换位8位驱动线端； 锁存器保证显示数据静态有效； MPU控制数据传递时序，循环周期等功能的实现。1232数字式显示驱动实例简介硬件选型： 供电电压取5VDC； 7段数码管LED，2吋大小； 译码器选取74HC247，BCD码转换4进8出； 锁存器74HC273，输出连接2译码器，锁存MPU输出的数字信号； 限流电阻试验数据测试： 7段数码管LED，每段串联电阻后点亮测试电流，并测量各段电压降；实测：10mA电流点亮合适，电压降2V。 限流电阻计算：R=(5V-2V)/10mA=0.3K , 考虑到译码器低电平输出电压最大0.5V, 可估算R=(5-2-0.5)

11、/10mA=0.25K。 限流电阻功耗计算：P=IxU=10mAx2.5V=25mW , 可选1/6W, 1/8W电阻规格； 查阅技术手册，74HC247译码器最大允许驱动电流为20mA，可以符合10mA的使用条件； 锁存器，译码器和MPU的信号连接均为数据信号，无大电流输出，可直接连接；实验证实： 将数码管，限流电阻，电源，测量仪表连接实验，论证和观察实际使用效果。若有问题，进行分析，改进修正。1233数字显示表位数的确定 问题：应选择几位数字显示器才能满足要求呢？ 一般选取原则： 根据最小显示单位，如：0.1C, 0.5cmH2O, ； 根据测量参数的变化范围，如：0-300C ； 计算公

12、式：N = (Xh Xl) / r ; Xh,Xl为测量参数上限和下限； r最小显示单位； N值代表数字显示的位数； 例：Xh=300C，Xl=0C，r=0.1C, N=(300-0)/0.1=3000，即：4位数字显示； 若Xh=100C，则N=1000，但最高位只显示0或1，故只能算作3位半，即：3 位。12.3.4 数字滤波的方法与实现 问题的提出： 采样数据的瞬时性，能否保证数据的可靠性？ 偶然干扰可能带来数据严重偏差，而干扰总是存在的。 采取的措施数据滤波： 平均值滤波：采集多个数据，取平均值后输出，可消除采样数据波动带来的影响； 中位值滤波多个采样数据大小排队，取中间位的数据值输出

13、，可消除偶然触发的干扰影响； 递推滤波每次取除最早进入的数据，加入最近的数据，平均取值后输出，可延续历史数据，减小数据输出显示的波动； 权衡利弊： 数据滤波的优点可减小干扰影响，增加可靠性； 缺点数据变动迟缓，信号突变时响应不够快。 要根据需要，选取不同的数据滤波方法，采样速率和实施方式。12.3.5 故障报警的实现 故障报警的定义： 超过预定的指示信号范围，给出相应的故障输出信号（声音，灯光信号），以提醒操作人员注意，或输出到故障处理程序中启动相应的故障应急处理程序。 故障报警的分类： 上下限报警：超上限给出高报警，超下限给出低报警； 大小限报警/停机：超小上限报警，超大上限停机； 故障信号

14、锁定：信号超限后，即使返回正常范围，故障信号仍保持记忆状态，表示有过超限纪录。操作人员操作后可消除。 故障报警的延时机制：在一定范围内，检测多次超限后才启动报警，以避免偶然一次干扰引起误动作。 故障报警的实现： 硬件实现采用比较器或检测器，（输入信号超预定值，输出报警）； 软件实现程序中安排数据比较，设定报警值的上下限，若输入数据大于设定上限，输出高报警；若输入数据小于设定下限，输出低报警；12.4 DDZ光柱显示报警器 信号：直流 电压：15V 电流：420mA 电源： 直流：24V 交流：220V上限下限上限设定下限设定DDZ光柱显示报警器工作原理比较比较电源输入信号显示部分报警部分上限设定下限设定12.5 无笔无纸记录仪 无纸、无笔显示记录仪实际上是一台简化的计算机系统。 主要配置： CPU：工业专用微处理器； 主板：专用。包括：ROM，RAM，时钟电路 接口电路： 键盘控制器：接面板膜式键盘； 显示控制器：接液晶显示器； 打印控制器：接微型打印机； 通讯控制器：外接计算机（PC）； A/D转换器：接测试仪表（模拟量）。无笔无纸记录仪主要功能 显示 柱状图显示、数字显示、实时变化趋势曲线 设定极限、报警； 时间、单位 简易编程组态 具有格式化的简易编