第13章 智能仪器设计实例

1、第第1313章章 智能仪器设计实例智能仪器设计实例 本章内容本章内容 13.1 13.1 数据采集系统设计数据采集系统设计 13.2 13.2 简易单回路温度控制器简易单回路温度控制器首页首页13.1 13.1 数据采集系统设计数据采集系统设计 数据采集系统的核心是计算机，它对整个系统进数据采集系统的核心是计算机，它对整个系统进行控制和数据处理。行控制和数据处理。13.1.1 13.1.1 数据采集系统的组成与结构数据采集系统的组成与结构 数据采集系统的一般组成框图如图。前置放大器，数据采集系统的一般组成框图如图。前置放大器，滤波电路，主放大器及相关电路通常合称为信号调滤波电路，主放大器及相关

2、电路通常合称为信号调理电路。理电路。 被测信号一般先送入前置放大器初步放大到后续被测信号一般先送入前置放大器初步放大到后续电路的工作范围内。电路的工作范围内。下 页上 页返 回图图13.1 13.1 数据采集系统的一般组成框图数据采集系统的一般组成框图 对于比较大的被测信号，可通过衰减手段将其调对于比较大的被测信号，可通过衰减手段将其调整到相应的工作范围内。随后送入到滤波电路。整到相应的工作范围内。随后送入到滤波电路。 主放大器可将滤波后的信号进一步放大到合适范主放大器可将滤波后的信号进一步放大到合适范围，送到围，送到A/DA/D转换器将信号变换为数字量。转换器将信号变换为数字量。13.1.2

3、 13.1.2 数据采集系统设计考虑的因素数据采集系统设计考虑的因素 对于放大电路，如果是简单信号，采用一级放大对于放大电路，如果是简单信号，采用一级放大或衰减电路将信号调整到适合后续电路工作的电压或衰减电路将信号调整到适合后续电路工作的电压范围即可。而实际情况会复杂一些，往往要考虑抗范围即可。而实际情况会复杂一些，往往要考虑抗干扰等因素，将其设计成多级放大电路，同时在各干扰等因素，将其设计成多级放大电路，同时在各级放大电路之间加入必要的滤波电路。级放大电路之间加入必要的滤波电路。 如果是比较微弱的信号，还要求运算放大器具有如果是比较微弱的信号，还要求运算放大器具有低噪声、低漂移、低输入偏置电

4、流、非线性度小等低噪声、低漂移、低输入偏置电流、非线性度小等特点，避免在放大过程中引入干扰。特点，避免在放大过程中引入干扰。下 页上 页返 回 A/D A/D转换器将原始的模拟信号转换成为计算机能转换器将原始的模拟信号转换成为计算机能够处理的数字信号。首先需要选择够处理的数字信号。首先需要选择A/DA/D转换器的位转换器的位数，其次是转换速率。如果使用多次采样取平均值数，其次是转换速率。如果使用多次采样取平均值的数据处理算法，则采集系统应有较快采样速度。的数据处理算法，则采集系统应有较快采样速度。 采样采样/ /保持电路主要是配合保持电路主要是配合A/DA/D转换器工作。转换器工作。 经放大电

5、路经放大电路放大的放大的原始信号含有各种噪声、干扰、原始信号含有各种噪声、干扰、耦合信号等等，需要采用信号调理电路进行必要的耦合信号等等，需要采用信号调理电路进行必要的处理，信号调理电路经常采用各类滤波器对这些影处理，信号调理电路经常采用各类滤波器对这些影响因素进行滤除，如低通滤波、高通滤波、带通滤响因素进行滤除，如低通滤波、高通滤波、带通滤波等。波等。下 页上 页返 回13.1.3 13.1.3 心电数据采集系统设计心电数据采集系统设计 心电数据采集系统是心电图检测仪的关键部件。心电数据采集系统是心电图检测仪的关键部件。人体心电信号的主要频率范围为人体心电信号的主要频率范围为0.050.05

6、100Hz100Hz，幅，幅度约为度约为0 04mV4mV。属于低频，微弱信号，且干扰较大。属于低频，微弱信号，且干扰较大。另外心电信号中通常混杂有各种生物电信号，加。另外心电信号中通常混杂有各种生物电信号，加之体外以之体外以50Hz50Hz工频干扰为主的电磁场干扰，使得心工频干扰为主的电磁场干扰，使得心电噪声背景较强，测量条件比较复杂。要求心电数电噪声背景较强，测量条件比较复杂。要求心电数据采集系统具有高精度，高稳定性，高输入阻抗，据采集系统具有高精度，高稳定性，高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声及强干扰能力等性能。高共模抑制比，低噪声及强干扰能力等性能。 数据采集系统的硬件设计的系统框图如下

7、图数据采集系统的硬件设计的系统框图如下图。下 页上 页返 回图图13.2 13.2 心电数据采集系统硬件设计框图心电数据采集系统硬件设计框图 图中信号调理部分专指图中信号调理部分专指50Hz50Hz及及35Hz35Hz陷波电路，陷波电路，滤除滤除50Hz50Hz的工频干扰和人体生物电产生的的工频干扰和人体生物电产生的35Hz35Hz肌肌电干扰。电干扰。 心电信号由专用电极（电极放在人体各个部位心电信号由专用电极（电极放在人体各个部位，比如：心脏、左右手，头部等部位）拾取后送，比如：心脏、左右手，头部等部位）拾取后送入前置放大器初步放大，并在对各干扰信号进行入前置放大器初步放大，并在对各干扰信号

8、进行一定抑制后送入带通滤波器，以滤除心电主要频一定抑制后送入带通滤波器，以滤除心电主要频率范围以外的干扰信号。率范围以外的干扰信号。 而主放大器可将带通滤波后的信号进一步放大而主放大器可将带通滤波后的信号进一步放大到合适范围，再经到合适范围，再经50Hz50Hz和和35Hz35Hz陷波器分别滤除工陷波器分别滤除工频和肌电干扰，然后送入频和肌电干扰，然后送入ADCADC，进行高精度，进行高精度A/DA/D转转换和最后送入单片机进行数据的采集存储处理。换和最后送入单片机进行数据的采集存储处理。下 页上 页返 回 1. 1.信号放大电路信号放大电路 采用了两级放大电路，包括前置放大和主放大电采用了两

9、级放大电路，包括前置放大和主放大电路。在两级放大电路之间又接入了一个带通滤波电路。在两级放大电路之间又接入了一个带通滤波电路以使心电信号主频路以使心电信号主频0.05Hz0.05Hz100Hz100Hz通过后再进一通过后再进一步放大。前置放大约步放大。前置放大约1010倍，主放大约倍，主放大约100100倍。倍。 前置放大电路前置放大电路 主要是初步放大心电信号，并在对各干扰信号进主要是初步放大心电信号，并在对各干扰信号进行抑制后送入带通滤波电路，以滤除干扰信号行抑制后送入带通滤波电路，以滤除干扰信号 。 由于人体心电信号十分微弱，噪声背景强且信号由于人体心电信号十分微弱，噪声背景强且信号源阻

10、抗较大等，通常要求前置放大器具有高输入阻源阻抗较大等，通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能，设计时选用仪用放合适的频带和动态范围等性能，设计时选用仪用放大器大器AD620AD620作为前置放大器，采用差分放大电路。作为前置放大器，采用差分放大电路。 下 页上 页返 回 带通滤波电路：带通滤波电路： 带通滤波由双运放集成电路带通滤波由双运放集成电路OP2177OP2177构成。构成。OP2177OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片内集成了具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片

11、内集成了两个运放。由于心电信号频带主要集中在两个运放。由于心电信号频带主要集中在0.050.05100Hz100Hz左右，频带较宽，为此，采用左右，频带较宽，为此，采用OP2177OP2177的两个的两个运放分别设计二阶压控有源高通和低通滤波器并组运放分别设计二阶压控有源高通和低通滤波器并组合成带通滤波器。合成带通滤波器。 2.2.信号调理电路信号调理电路 由于心电信号的极其微弱。信号调理采用由于心电信号的极其微弱。信号调理采用50Hz50Hz及及35Hz35Hz陷波电路，滤除陷波电路，滤除50Hz50Hz和和35Hz35Hz的干扰。的干扰。 工频干扰是心电信号的主要干扰，且有部分工频工频干扰

12、是心电信号的主要干扰，且有部分工频干扰会以差模信号方式进入电路的，且频率处于心干扰会以差模信号方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等下 页上 页返 回因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰。采用开关电容集成滤波器，它无需外接决定干扰。采用开关电容集成滤波器，它无需外接决定频率的电阻或电容，滤波频率仅由外接或片内时钟频率的电阻或电容，滤波频率仅由外接或片内时钟频率决定，且其频率特性对时钟和外围电路的参数频率决定，且其频率特性对时钟和外围电路的参数不敏感，因而性能较稳

13、定。不敏感，因而性能较稳定。 凌特公司的凌特公司的LTC1068-50LTC1068-50集成开关电容滤波器内部集成开关电容滤波器内部集成了四个独立的二阶开关电容滤波器，时钟与中集成了四个独立的二阶开关电容滤波器，时钟与中心频率之比为心频率之比为5050：1 1，误差为，误差为 0.30.3，可采用，可采用5V5V、5V5V供电。因此，配合厂家提供的供电。因此，配合厂家提供的FilterCADFilterCAD滤波器设计软件，可灵活配置成各类滤波器（低通滤波器设计软件，可灵活配置成各类滤波器（低通、高通、带通、全通等）。为较好地滤除工频干扰、高通、带通、全通等）。为较好地滤除工频干扰，设计中利

14、用，设计中利用LTC1068-50LTC1068-50的优点专门设计了一个的优点专门设计了一个8 8阶巴特沃斯阶巴特沃斯50Hz50Hz陷波器，采用的时钟信号频率为陷波器，采用的时钟信号频率为下 页上 页返 回2.5KH2.5KH。经测试，陷波深度可达。经测试，陷波深度可达5050B B，可衰减，可衰减100100倍左右，效果比较理想。倍左右，效果比较理想。 3.3.单片机电路单片机电路 本系统采用本系统采用C8051F206C8051F206单片机。其内部带有单片机。其内部带有A/DA/D转转换和数据存储。图换和数据存储。图11.311.3所示是单片机与信号调理电所示是单片机与信号调理电路连

15、接框图。路连接框图。下 页上 页返 回图图13.3 13.3 单单片机与信号片机与信号调理电路连调理电路连接框图接框图 C8051F206 C8051F206是一种混合信号是一种混合信号ISPFLASHISPFLASH微控制器，微控制器，该芯片内含与该芯片内含与80518051完全兼容的高速微控制器内核、完全兼容的高速微控制器内核、8K Flash8K Flash、4 4字节宽的字节宽的I/OI/O端口、硬件端口、硬件UARTUART和和SPISPI总总线、线、1212位高精度位高精度ADCADC和多达和多达3232通道模拟输入多路选通道模拟输入多路选择器。根据系统需要，可将其端口择器。根据系

16、统需要，可将其端口P1.0P1.0P1.7P1.7，P3.0P3.0P3.3P3.3配置成配置成1212路心电模拟信号的输入端。路心电模拟信号的输入端。 将将1212路来自信号调理部分的信号接入路来自信号调理部分的信号接入C8051F206C8051F206的已经配置成模拟输入端口的的已经配置成模拟输入端口的P1P1口的口的0 07 7和和P3P3口的口的0 03 3引脚。单片机中的逐次逼近式引脚。单片机中的逐次逼近式ADCADC的转换精度的转换精度可达可达1212位。位。A/DA/D转换后的数据被存入数据存储器，转换后的数据被存入数据存储器，C8051F206C8051F206的的SPISP

17、I总线也可将数据传送给其它器件进总线也可将数据传送给其它器件进行数据的后续分析和处理。行数据的后续分析和处理。 4.4.数据采集系统中软件部分的设计（略）数据采集系统中软件部分的设计（略）下 页上 页返 回13.2 13.2 简易单回路温度控制器设计简易单回路温度控制器设计13.2.1 13.2.1 功能需求和总体思路功能需求和总体思路 1.1.功能需求功能需求 设定温度显示、实时温度显示；设定温度显示、实时温度显示； 温度上、下限报警；温度上、下限报警； 温度上、下限报警值设定；温度上、下限报警值设定； 放大电路放大倍数设定；放大电路放大倍数设定； PIDPID控制参数的设定；控制参数的设定

18、； 手动加热设定值；手动加热设定值； 手动手动/ /自动设定；自动设定； 温度零点标定；温度零点标定； 参数保存；参数保存； 上位机目标温度值设定；上位机目标温度值设定； 上位机实时温度波形曲线图显示；上位机实时温度波形曲线图显示；下 页上 页返 回下 页上 页返 回2.2.总体设计思路总体设计思路图图13.4 13.4 单回路温度控制器组成框图单回路温度控制器组成框图下 页上 页返 回 3. 3.操作模式操作模式 本系统可用本系统可用3 3个按键实现模式切换和参数修改操个按键实现模式切换和参数修改操作，这作，这3 3个键分别定义为模式键、数值增加键和数个键分别定义为模式键、数值增加键和数值减

19、少键。值减少键。 用用8 8个数码管显示模式和对应的参数，左边个数码管显示模式和对应的参数，左边4 4个数个数码管显示模式值，右边码管显示模式值，右边4 4个数码管显示相应模式对个数码管显示相应模式对应的参数值。应的参数值。1010种工作模式种工作模式模式模式0 0：温度设定值和温度实时值显示（前：温度设定值和温度实时值显示（前4 4位数码位数码管显示温度设定值，后管显示温度设定值，后4 4位显示实时温度值）；位显示实时温度值）；模式模式1 1：设置和显示温度上限报警值（：设置和显示温度上限报警值（0 012001200）；）；模式模式2 2：设置和显示温度下限报警值（：设置和显示温度下限报警

20、值（0 012001200）；）；模式模式3 3：设置和显示温度设定值（：设置和显示温度设定值（0 012001200）；）；下 页上 页返 回模式模式4 4：设置实时温度采集放大电路的放大倍数；：设置实时温度采集放大电路的放大倍数；模式模式5 5：设置和显示：设置和显示PIDPID中的比例系数（中的比例系数（0.000.0050.0050.00）；）；模式模式6 6：设置和显示：设置和显示PIDPID中的积分系数（中的积分系数（0.000.0050.0050.00）；）；模式模式7 7：设置和显示：设置和显示PIDPID中的微分系数（中的微分系数（0.000.0050.0050.00）；）；

21、模式模式8 8：设置和显示手动输出值（：设置和显示手动输出值（0 0100100）模式模式9 9：手动：手动/ /自动切换（自动切换（1 1：手动；：手动；0 0：自动）：自动）模式模式1010：标定和显示实时温度的零点：标定和显示实时温度的零点下 页上 页返 回13.2.2 13.2.2 温度测控电路设计温度测控电路设计 1. 1. 温度检测电路温度检测电路图图13.5 13.5 热电偶温度检测电路热电偶温度检测电路下 页上 页返 回 本系统采用镍铬本系统采用镍铬- -镍硅（镍硅（K K分度）热电偶作为温度分度）热电偶作为温度传感器。冷端处于室温，热端为加热炉温度，单片传感器。冷端处于室温，

22、热端为加热炉温度，单片机的机的A/DA/D通道可以直接采集热电偶信号，经冷端温通道可以直接采集热电偶信号，经冷端温度补偿后，再查表度补偿后，再查表K K分度则可以得到热端温度值。分度则可以得到热端温度值。 室温测量采用室温测量采用AD590AD590将室温变化为电压信号，经将室温变化为电压信号，经放大后直接送给单片机的放大后直接送给单片机的A/DA/D通道，提供冷端信号。通道，提供冷端信号。 2.2.温度控制电路温度控制电路 控制方式：对于加热炉的温度控制可以采用移相控制方式：对于加热炉的温度控制可以采用移相控制或周波控制方式。控制或周波控制方式。 移相控制方式：通过改变可控硅的导通角来控制移

23、相控制方式：通过改变可控硅的导通角来控制输出电压。输出电压。 周波控制方式：通过调节一定时间周期内的供电周波控制方式：通过调节一定时间周期内的供电时间比例（即交流周波数）来控制加热对象在本周时间比例（即交流周波数）来控制加热对象在本周期内获得的电能。期内获得的电能。 下 页上 页返 回周波控制的输出电路周波控制的输出电路 图图13.6 13.6 周波控制的输出电路周波控制的输出电路 单片机的单片机的I/0I/0脚输出低电平时，控制脚输出低电平时，控制SSRSSR使加热元使加热元件接通件接通220V220V交流电源，加热元件获得电能，温度升交流电源，加热元件获得电能，温度升高；高；I/0I/0脚

24、输出高电平时，脚输出高电平时，SSRSSR开路，加热元件两端开路，加热元件两端无电压，停止加热，对象的温度开始下降。无电压，停止加热，对象的温度开始下降。下 页上 页返 回 控制的具体方法控制的具体方法 设定一个标准的加温周期设定一个标准的加温周期T T，以，以T T为周期对温度为周期对温度进行采样，获得温度测量值；进行采样，获得温度测量值； 根据设定值和测量值的偏差，进行根据设定值和测量值的偏差，进行PIDPID运算；运算； 将将PIDPID的输出转换为的输出转换为SSRSSR的通断时间。的通断时间。PIDPID的输出的输出为为0 0，则，则SSRSSR接通时间为接通时间为0 0，即本周期无

25、输出；如果，即本周期无输出；如果PIDPID输出为输出为100%100%，则，则SSRSSR接通时间为接通时间为T T，即本周期为全，即本周期为全输出；如果输出；如果PIDPID的输出为的输出为MVMV（百分数表示），则（百分数表示），则SSRSSR的接通时间为的接通时间为T TMV/100MV/100，断开时间为，断开时间为T-TT-TMV/100MV/100。 例如：例如：T=120T=120秒，秒，PIDPID计算结果为计算结果为1 1分分3030秒，则本次秒，则本次2 2分钟内就应加温分钟内就应加温9090秒，停秒，停3030秒；又如秒；又如T=120T=120秒，秒，PIDPID的计

26、算结果为的计算结果为1 1分分2525秒，则本周期就应加温秒，则本周期就应加温8585秒，停秒，停3535秒。秒。下 页上 页返 回13.2.3 PID13.2.3 PID控制算法的实现控制算法的实现 位置式位置式PIDPID算法计算公式算法计算公式 Pout(t)=KpPout(t)=Kpe(t)+Kie(t)+KiSum_e(t)+KdSum_e(t)+Kd(e(t)-e(t-1)(e(t)-e(t-1) 基本偏差为基本偏差为e(t) e(t) ，表示当前测量值与设定目标值，表示当前测量值与设定目标值之间的差值，结果可以是正或负，设定目标作为被之间的差值，结果可以是正或负，设定目标作为被减数的话，正数表示还没有达到设定值，负数表示减数的话，正数表示还没有达到设定值，负数表示已经超过了设定值。已经超过了设定值。 累计偏差累计偏差Sum_e