智能仪器课程设计智能露点仪设计.doc

目 录摘要.1前言21、智能仪器的发展及介绍31.1 智能仪器的发展概况31.2 智能仪器发展趋势42、总体方案设计52.1 设计方案的分析及选择52.2 系统工作原理63、系统的组成73.1 传感器73.2 温度测量与跟踪系统83.3 A/D转换电路94、处理器及外围电路104.1 MSP430芯片介绍104.2 显示电路115、软件设计126、结论147、致谢158、参考文献169、附录17附录一：系统原理图17附录二：温度测量原理图18摘要: 本文主要介绍了光电露点仪的组成、工作原理、工作过程、设计体会以及设计时应注意的一些问题。采用PID控制算法，以数字化控制模式取代传统的模拟电路控制模式，设计了以单片机为核心硬件的数字镜面露点仪.该设计可简化硬件电路，降低仪表成本，提高测量精度，在40 20范围内，对标准湿度气源的测量误差<0.2 。关键词:镜面露点仪；半导体制冷；单片机Abstract：The author mainly introduced the experience of the high precision photoelectric dew-point Meter design and its composing and work principle and the problem should be attention when design in this articleA design of digital mirror dew point-instrument is discussed.This instrument makes use of PID control algorithms and digital control mode instead of traditional analog line control mode.The core of hardware is SCM.This design can stmplify hardware electrocircuit，reduce instruments cost，and improve measure precision.The instrument's measure error for normal humidity gas is less than 0.2 between40 to 20.Key words：micorr dew point-instrument; cooling semiconductor;SCM前言人类社会的快速发展，离不开电力系统，而电力系统的生产过程关系着工作人员的安全以及生产的顺利进行，所以对电力系统生产环境和设备的检测十分重要。镜面露点仪主要用于SF6、CO2等气体的检测，其测量精确度对于电力系统安全生产起着重要的作用，同时利用现代智能仪表可以大大减轻工作人员的工作量。国外的露点仪测量精度较高，但价格比较昂贵.目前我国市场上镜面露点仪的测量部分均采用模拟电路实现，但测量所需时间较长，且存在结构复杂、受环境影响大、稳定性差等缺点。鉴于此，本设计以单片机为控制核心，将PID控制算法应用于镜面露点仪，以期简化硬件电路设计，降低仪表成本，提高镜面露点仪的测量精度和稳定性。露点仪是一种测量气体中含水量即湿度的仪器，目前测量湿度的仪器品种繁多，但作为湿度的通用仪器，一种是普通的湿度指示仪既利用湿敏元件作为传感器的湿度仪或利用电解法来进行湿度测量等，另一种就是光电露点仪，前一种方法为相对测量法，光电露点仪则为绝对测量方法，前一种湿度仪测量精度低、稳定性差，主要用于高湿气体湿度或对测量精度要求不太高的场合，但是它们具有结构简单、成本低廉的优点；光电露点仪是一种高精度湿度测量仪器，在国内主要用来作为湿度计量的标准器来使用。材料是当今世界的三大支柱产业之一，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，尤其是近几十年来随着人类科学技术的进步，材料的发展更是日新月异，新材料层出不穷，其中半导体制冷材料就是其中的一个新兴的热门材料，其实半导体制冷技术早在十九世纪三十年代就已经出现了，但其性能一直不尽如人意。目前半导体制冷的露点仪一般用于露点的精确测量或用于对其他湿度测试仪的标定，这种露点仪是用多级半导体对一镜面制冷，镜面下用铂电阻传感器测温，用高精度温控仪精确控温，在气室用桥式灵敏光电检测仪检测待测气体的露点。1、 智能仪器的发展及介绍1.1 智能仪器的发展概况80年代，微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，测量系统常通过IEEE488总线连接。不同于传统独立仪器模式的个人仪器得到了发展等。90年代，仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面：微电子技术的进步更深刻地影响仪器仪表的设计；DSP芯片的问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；VXI总线得到广泛的应用。 近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。 国际上智能测量仪表更是品种繁多，例如，美国HONEYWELL公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器，能进行差压值状态的复合测量，可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿，其精度可达到±0.1FS；美国RACA-DANA公司的9303型超高电平表，利用微处理器消除电流流经电阻所产生的热噪声，测量电平可低达-77dB；美国FLUKE公司生产的超级多功能校准器5520A，内部采用了3个微处理器，其短期稳定性达到1ppm，线性度可达到0.5ppm；美国FOXBORO公司生产的数字化自整定调节器，采用了专家系统技术，能够像有经验的控制工程师那样，根据现场参数迅速地整定调节器。这种调节器特别适合于对象变化频繁或非线性的控制系统。1.2 智能仪器发展趋势1 微型化：微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。 2 多功能：多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上（如准确度）比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。 3 人工智能化：人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面 。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉（图形及色彩辨读）、听觉（语音识别及语言领悟）、思维（推理、判断、学习与联想）等方面具有一定的能力。这样，智能仪器可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。 4 网络化：融合ISP和EMIT技术，实现仪器仪表系统的Internet接入。 伴随着网络技术的飞速发展，Internet技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于Internet的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。 5 虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段 传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术控制工程网版权所有，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。2、 总体方案设计2.1 设计方案的分析及选择湿度测量仪器从原理上可分为冷镜式、完全吸收电解式、Al2O3电容式、薄膜电容式、电阻式、干湿球、机械式等。其中完全吸收电解式微水仪、Al2O3电容式露点仪一般用于低湿范围的测量，而电阻式、干湿球、机械式湿度计只能用于相对湿度的测量，冷镜式、薄膜电容式湿度计则不仅能用于低湿的测量，还能用于中高湿，即相对湿度的测量。方案一、重量法：是一种经典的测量方法。让所测样气流经某一干燥剂，其所含水分被干燥剂吸收，精确称取干燥剂吸收的水分含量，与样气体积之比即为样气的湿度。该方法的优点是精度高，最大允许误差可达0.1%；缺点是具体操作比较困难，尤其是必须得到足够量的吸收水质量（一般不小于0.6克），这对于低湿度气体尤其困难，必须加大样气流量，结果会导致测量时间和误差增大（测得的湿度不是瞬时值）。方案二、电解法：就是将干燥剂吸收的水分经电解池电解成氢气和氧气排出，电解电流的大小与水分含量成正比，通过检测该电流即可测得样气的湿度。该方法弥补了重量法的缺点，测量量程可达-80以下，且精度较好，价格便宜；缺点是电解池气路需要在使用前干燥很长时间，且对气体的腐蚀性及清洁性要求较高。方案三、冷镜法：是一种经典的测量方法。让样气流经露点冷镜室的冷凝镜，通过等压制冷，使得样气达到饱和结露状态（冷凝镜上有液滴析出），测量冷凝镜此时的温度即是样气的露点。该方法的主要优点是精度高，尤其在采用半导体制冷和光电检测技术后，不确定度甚至可达0.1；露点的测量方法多种多样，但是冷镜式露点仪是最准确、最可靠、最基本的测量方法，被广泛地用于标准传递，所以本次设计选用方案三。2.2 系统工作原理气体露点温度是一种常用的气体湿度表示方法。采用光电露点仪测试气体露点的基本原理是根据气体露点温度的定义。其定义为：用等压冷却的方法使气体中的水蒸气冷却至凝聚相出现，或通过控制冷面的温度，使气体中的水蒸汽与水的平展表面呈热力学平衡状态，准确测出此时的温度，既为该气体的露点温度。本露点仪是采用热电制冷技术光电检测镜面冷凝式露点仪，其组成原理框图如下图所示：图3.1 系统原理框图当气体以一定的流速进入露点室并掠过镜面时，由于镜面温度高于被测气体的露点温度(镜面上是干燥的，此时，二极管发出的光照在镜面上，几乎为全反射，由光敏三极管感应并输出光电信号给控制回路，控制回路驱动热电制冷器对镜面制冷；当镜面温度降至被测气体的露点温度时，镜面上开始结露，此时光照在镜面上后会出现漫反射，光敏三极管感应到反射光信号减弱，经过控制回路调节热电制冷器的电源，减小其制冷功率，最后使镜面温度平衡在被测气体露点温度上。3、 系统的组成冷镜式露点仪主要由传感器、温度测量电路、光电转换电路、数据采集、半导体制冷器驱动电路、A/D转换电路、单片机控制电路、显示电路等部分组成，其组成框图如下图所示：光电转换电路自助平衡器温度变送器（1）A/D温度变送器（2）A/D中央数据处理器功率放大器数字显示器发光管半导体制冷器光电管图3.1 系统结构框图3.1 传感器传感器是冷镜式露点仪的重要部件，它主要由气室、镜面、制冷半导体、冷却装置、过热保护电路、温度传感器、光桥电路等组成。其工作原理是当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端(也称参考端)或冷端，则回路中就有电流产生，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向)，称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向)，称为汤姆逊效应。3.2 温度测量与跟踪系统镜面温度测量是整个系统的重要组成部分，其测量精度直接影响着整个露点仪的露点测量精度，要求测温电路具有较高的可靠性、稳定性和抗干扰能力，测温不确定度小于0.1。传感器的接入非常简单，从系统的 5V 供电端仅仅通过一支 3K92 的电阻就连接到 PT100 了。这种接法通常会引起严重的非线性问题，但是，由于有了单片机的软件校正作为dddtt后盾，因此www.8 t tt8. com就简化了传感器的接入方式。图3.2 温度测量与跟踪系统3.3 A/D转换电路A/D转换电路主要将温度电压信号和光桥电压转换成数字信号，考虑到精度和速度的要求，A/D转换器选用ICL7109，它是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分12位二进制A/D转换器，并有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连，但是若其外围器件选择不当，将会产生较大的测量误差，因此为了取得良好的转换效果，选择好晶振、积分电阻、积分电容、自动调零电容、参考电容、信号输入电阻、参考电压等是设计好此电路的关键。图3.3 ICL7109的引脚分布4、 处理器及外围电路4.1 MSP430芯片介绍MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在 1996 年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。图4.1 MSP430的引脚分布MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问总是以字的形式取得代码，而对数据可以用字或字节方式访问。其中MSP430各系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。经过MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。MSP430不同系列产品所包含外围模块的种类及数目可能不同。它们分别是以下一些外围模块的组合：时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0、1、硬件乘法器、液晶驱动器、模数转换、数模转换、端口、基本定时器、DMA控制器等。4.2 显示电路uPD16682是NEC公司2001年初推出的液晶显示驱动器，该产品内置大容量显示RAM内存，并能够提供132×65点阵的全点显示，特别适合用于16×16或12×12点阵中、日文字符显示。该产品采用+3V单电源供电，内置升压电路并具3倍压和4倍压两种工作模式，支持8位串行或并行数据的输入，内置时钟发生电路和程序可编程控制的偏压电路。图4.2 uPD16682A与MSP430F149的硬件接口示意图图4.2是系统uPD16682A与MSP430F149的硬件接口示意图。图中系统采用4MHz晶振，并由系统时钟分频得到其它内外设所用的时钟。MSP430F149和uPD16682A相连接的I/O口被定义为输出，MSP430F149利用片内12位A/D采集传感器变换后的电压信号。经程序处理后，通过上述I/O口传送到uPD16682A进行信息显示。由于驱动液晶显示的电压需要十几V，如果系统板采用+3V单供电，则液晶显示驱动器必须采用片内升压电路。图中uPD16682A采用内部4倍压连接方式。5、 软件设计系统软件是整个仪器的灵魂，主要由界面接口程序、系统自检程序、校准程序、初始化程序、温度测量程序、清污程序、加热与制冷程序、PID子程序、数据采集子程序、系统误差修正程序等组成。程序流程图如下图所示：开始初始化校准镜面清污子程序主露点温度子程序数据采集子程序光路信号和设定露层厚度信号比较PID制冷器驱动子程序显示子程序超出范围YN图5.1 程序流程图准备工作完毕后，程序进入清污子程序，并寻找主露点温度，找到主露点温度后，程序首先通过制冷器驱动程序调节镜面温度，使其保持在主露点温度范围内，经过一段时间后测量镜面反射量，如镜面露层是否在设定值附近，这时调用PID子程序对镜面温度进行微调，使镜面露层厚度稳定在设定值范围内。如果在测量过程中样气受到干扰或者更换露点温度不同的样气，镜面露层厚度超出了设定的范围，此时露点仪重新寻找主露点温度。系统程序采用C语言编写，把光电管电阻电压输人MSP430进行A/D转换，换算成相应的电流值，得出e和ec，再通过e和ec在小偏差范围内算出参数Kp，K1，KD 代人PID进行运算。PID控制算法程序如下：float PIDCalc(float NextPoint,)float dError ,Error,DA;Error =NextPoint-sPID.SetPoint;sPID .SumError + = Error;dError = sP ID . LastError-sPID.PrevErorr;sPID .PrevErorr = sPID.LastErorr;sPID .LastError =Erorr;DA = sPID. Proportion * Error;DA + = (s PID. Integral*sPID.SumErorr)/14;DA + = sPID .Derivative * dError;return ( DA ) ;6、 结论本文通过对目前市场上已有的镜面露点仪进行研究，根据其模拟电路的原理和整体的设计思路，然后以16位单片机MSP430进行数字化设计，通过编程束实现以往模拟电路的功能。利用软件的控制算法代替硬件的控制算法，这样思路更清晰，问题更明了，调试也更加方便。在加上单片机的设计，使控制更加快速稳定，操作界面更加方便完备。将数字控制算法应用于镜面露点仪，不仅可简化系统硬件电路设计，而且通过数字控制，也可有效缩短系统的过渡时间，使控制效果得到明显改善。因此，PID控制算法镜面露点仪既具有模糊控制灵活、响应快和适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点、使系统能有效抑止纯滞后的影响，即使在恶劣的环境下，也能快速准确地测得稳定的结果。在-4020测量范围内，对标准湿度气源的测量误差0.2。在本次冷镜式露点仪的设计中，在元器件的选择上我们充分考虑了实用性、可靠性和经济性之间的关系，使各种测量、控制和显示设备采用一个低功耗的MCU就能实现。设计方案中采用灵活、可视的输出方式，在提供全自动测量的同时，还为用户提供各种人为控制和测量的功能。7、 致谢本次关于冷镜式露点仪的设计是在靳兵老师的悉心指导下完成的。他在学业上给了我精心的指导，而且他渊博的知识也让我深深敬佩。靳老师严谨的治学态度、实事求是的进取精神和认真勤勉的工作作风对我起到了表率的作用，这些言传身教必定会对我今后的工作和学习产生深远的影响。谨在此向靳老师表示由衷的感谢!另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课程设计，并在这个过程当中，为我们提供大量资料，给予我们各种方便，使我们在这学期快要结课的时候，能够将学到的知识应用到实践中，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。最后，感谢在这次设计过程中给予我帮助的老师和同学，正是有了他们的帮助，我才能顺利完成此次设计，在此向他们表示我由衷的谢意！8、 参考文献 1 沈建华，杨艳琴，崔晓曙MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M 北京：清华大学出版社，2004 2 余永权单片机在控制系统中的应用M 北京：电子工业出版社，2003 3 陶永华，尹怡欣，葛芦生新型PID控制及其应用M 北京：机械工业出版社，1998 4 徐德胜半导体制冷与应用技术上海：上海交通大学出版社，1991 5 秦龙，MSP430单片机应用系统开发典型实例中国电力出版社2005 6 胡大可，MSP430系列单片机C语言程序设计与开发北京航空行天大学出版社，20039、附录附录一：系统原理图附录二：温度测量原理图