智能仪器课程设计智能露点仪设计.doc
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1、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
2、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
3、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 im
4、prove measure precision.The instruments 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
5、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
6、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,
7、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
8、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
9、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
10、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)
11、、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
12、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
13、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
14、;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
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