智能温度传感器设计.ppt

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1、智能型温度测量仪,1 智能型温度测量仪的原理 2 智能型温度测量仪的电路结构及特点 3 软件结构和程序框图 4 典型智能型温度测量仪实例 思考题与习题,1 智能型温度测量仪的原理,1.1智能型温度测量仪的基本功能1)自动零点调整及满度的校正由于智能化的仪器仪表通常都有自动零点调整和仪表满度的校正，因此可以减小测量误差，同时可实现一表多用。智能型温度测量仪可配不同类型、不同分度号的温度传感器，故又称为温度万用表。2)自动修正各类测量误差智能型温度测量仪能实现对测量传感器（例如热电偶）的冷端自动补偿和非线性补偿，以及对热电阻的引线电阻影响的消除等，还可实现各类测量误差的自动修正。,3)数据的处理和

2、通信智能型温度测量仪可进行各种复杂运算（测量算法和控制算法），对获取的温度信息进行整理和加工；统计分析干扰信号特性，采用适当的数字滤波，达到抑制干扰的目的；实现各种控制规律，满足不同控制系统的需求；与其他仪器和微机进行数据通信，构成各种计算机控制系统等。,4)多种输出形式智能型温度测量仪的输出形式可以有数字显示、打印记录、声光报警，还可以多点巡回检测。它既可输出模拟量，也可输出数字量（开关量）信号。5)自诊断和断电保护智能型温度测量仪对仪表内部各种故障能自动诊断出来，并能进行故障显示或报警。断电时，仪表内的切换电路自动接上备用电池，以保持储存的数据。,1.2智能型温度测量仪的基本结构与工作流程

3、智能型温度测量仪与其他智能化仪器一样，也是由硬件和软件两大部分组成的。1.硬件结构 智能型温度测量仪的硬件部分由单片机主机电路、过程输入输出通道、键盘（人机联系部件）、接口和显示打印部分组成，如图1所示。,图 1 智能型温度测量仪的硬件组成框图,2.系统软件智能型温度测量仪的系统软件主要由监控程序、中断处理程序以及实现各种算法的功能模块等组成。监控程序用于接受和分析各种指令，管理和协调整个系统各程序的执行；中断处理程序是用于人机联系或输入产生中断请求以后转去执行并及时完成实时处理任务的程序；软件的功能模块用来实现仪器的数据处理和各种控制功能。,3.工作流程 智能型温度测量仪的工作流程如图2所示

4、。由温度传感器进入的模拟信号（直流电势或电阻）经过输入信号处理，即经过交换、放大、整形和补偿后，由A/D转换成数字量。此数字信号通过接口送入缓冲寄存器以保存输入数据。微处理器CPU对输入的数据进行加工处理、分析、计算后，将运算结果存入读写存储器中。与此同时，将数据显示和打印出来；也可将输出的开关量经D/A 转换成模拟量输出，或者利用串、并行标准接口实现数据通信。整机工作过程是在系统软件控制下进行的。工作程序编制好后写入只读存储器中，通过键盘可将必要的参数和命令存入读写存储器中。,图 2 智能型温度测量仪的工作流程,2 智能型温度测量仪的电路结构及特点,2.1 主机电路1）MCS-51系列单片机

5、的结构与特点 MCS-51系列单片机是20世纪80年代由美国Intel公司推出的一种高性能8位单片机。它的片内集成了并行I/O、串行I/O和16位定时器/计数器。片内的RAM和ROM空间都比较大，RAM可达256字节，ROM可达48 KB。由于片内ROM空间大，因此BASIC语言等都可固化在单片机内。现在的MCS-51系列单片机已有许多品种，其中较为典型的是8031、8051和8751三种。,8031型单片机片内无ROM，应用时必须外接EPROM才可使用；8051型片内具有4 KB字节的掩膜ROM；而8751型片内则具有4 KB字节的紫外线可擦除电可编程的EPROM。这三种芯片的引脚兼容，从而

6、把开发问题减小到最低限度，并提供最高的灵活性。8751最适用于开发样机，以及小批量生产和需要现场进一步完善的场合；8051适用于低成本，大批量生产的场合；8031则适用于能方便灵活地在现场进行修改和更新程序存储器的场合。,MCS-51系列单片机指令系统提供了七种寻址方式，可寻址64 KB字节的程序存储器空间和64 KB字节的数据存储器空间；共有111条指令，其中包括乘除指令和位操作指令；中断源有5个（8032/8052为6个），分为2个优先级，每个中断源的优先级都是可编程的；在RAM区中还开辟了4个通用工作寄存区，共有32个通用寄存器，可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。在MCS-51系列单

7、片机内部，还有1个由直接可寻址位组成的布尔处理机，即位处理机。指令系统中的位处理指令专用于对布尔处理机的各位进行布尔处理，特别适用于位线控制和解决各种逻辑问题。,P0P3：四个8位I/O端口，用来输入输出数据。P3口中还包括了一些控制信号线。MCS-51系列单片机存储容量较小，许多情况下需要外接EPROM。此时，P0、P2口作为地址/数据总线口。关于MCS-51系列单片机的详细内容可查阅有关参考资料。,图 3 MCS-51单片机结构框图与逻辑符号(a)结构框图；(b)逻辑符号,2）主机电路,图 4 用8031单片机等构成的主机电路,2.2 温度检测电路 温度是一个很重要的物理参数，也是一个非电

8、量，自然界中任何物理化学过程都紧密地与温度相联系。在很多产品的生产过程中，温度的测量与控制都直接和产品质量、生产效率、节约能源以及安全生产等重要经济技术指标相联系。因此，温度的测量是一个具有重要意义的技术领域，在国民经济各个领域中都受到相当的重视。常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻温度传感器，热电偶及集成对管温度传感器等。由于各种温度传感器工作原理不同，因此有不同的应用检测电路。,电阻温度传感器的主要优点是：（1）测量精度高，对非温度量不敏感；（2）有较大的测量范围，灵敏度高；（3）线性度好，便于自动测量。,图 5 单电桥测温电路原理图,在进行电路设计时,一般是已知传感器的温度特性,根据测温环

9、境确定电桥平衡方式、激励源选择、电压灵敏度、放大与引线电阻补偿等。现以铂电阻温度传感器为例，说明单电桥电路设计与应用的简单方法。假设已知某铂电阻温度特性如图6所示。t=0时，R(t)=100;t=200时，R(t)=150;则R=0.25/。设通过R(t)的电流小于2 mA，测温距离为100 m，要求U0=100 mV。,图6 单电桥测温电路原理图,1）电桥结构的选择 如图5所示，电桥采用等臂电桥，选择R1=R2=R3=R4，铂电阻R(t)R1。为了调整电桥平衡，采用可变电阻RW，这样RW分为两部分。电桥平衡时，（RW1+R2）R4=R1+R(t)(RW2+R3)，则U0=0。因为R(t)冷电

10、阻为100，所以可选择R110R(t)。设选取R=R1=R2=R3=R4=2 k，则RW可调电阻为200，这时可用RW调整电桥平衡，RW称为调零电位器。在0时调整，使电桥平衡，即调节RW，使得U0=0 V。,2）激励电源电压的估算 单电桥电路中激励电源的主要作用是：在电阻温度传感器R(t)以及固定电阻R1、R2、R3和R4中产生一定的电流，将电阻的变化转变为电压的变化。但R(t)中电流是有限的，不能过大，否则由于本身电流发热而影响温度的测量。对于固定电阻中的电流也不能过大，并要求固定电阻有较大的功率容量，其近似估算是：,先设定一较低电压，例如E选用5 V，则总电流I为,则每臂电流I1、I2分别

11、为,从上面估算可以看到，流过R(t)的电流小于2 mA，故本身的热量变化不会影响环境的变化。同样,流过固定电阻上的电流也小于2 mA。,3）单电桥电路输出信号的放大 由前面所选定铂电阻的R=0.25/，可得电压灵敏度为,图5所示电桥是双端输出的，若采用运算放大器，则要用差动放大电路，如图7所示，其输出电压为B、D点的电位差。如电路选用Rf=R、R1=R2=R，则运算放大器放大的电压为,选择不同的Rf与R，则可得到所放大的信号。,图7 差动放大电路,4）传感器引线电阻的补偿 实际测量中，由于被测温环境离控制室较远，因此传感器要经较长的导线置于测温环境中，这样，引线电阻必然会影响电桥的平衡。例如，

12、50 m长的导线引入1 的引线电阻，会使R(t)测温偏离约5的误差，所以对引线电阻要进行补偿。最常用的引线电阻补偿方法是三线补偿法，如图8所示。图8(a)为二线连接法，由于有引线电阻RL,因此会影响电桥平衡（平衡点仍为B与D点）。图8(b)为用三根导线连接传感器，其中两根引线电阻在桥臂中以相同的方式发生变化并相互补偿，即这两根导线中电流的方向相反，引线电阻正好抵消。,图 8 引线电阻补偿方法示意图(a)二线连接方法；(b)三线连接法,2.3 过程输入输出通道,1.模拟量输入通道模拟量输入通道一般由滤波电路、多路模拟开关、信号转换放大器、采样保持器（S/H）和模/数转换器（A/D）等组成，输入通

13、道经过输入接口与主机电路相接。模拟量输入通道有单通道与多通道之分。多通道中，每个通道有各自的A/D转换器等器件（如图9所示），或者共享A/D转换器等器件（如图10所示），这时，就要有多路模拟开关。,图 9 每个通道有各自的A/D转换器等器件的结构,图 10 多通道共享A/D转换器等器件的结构,如果输入信号来自温度变换器，则输入通道就可省略放大器。此外，由于温度是个缓慢变化的物理量，其变化速度比A/D转换速度慢得多，因此可以省略采样保持器（S/H）。由放大器发出的电压信号经过A/D转换器转换成与之对应的数字量，这就必然会产生一个问题：数字显示如何与被测量统一起来。例如，当被测温度为750时，A/

14、D转换器输出1000个脉冲。如果直接显示1000，操作人员还要经过换算才能得到温度值，这是很不方便的，因此必须增加标度变换环节。,标度变换可以在模拟量输入之间进行，也可以在数字部分进行处理。在模拟部分实现标度变换的优点是简单可靠，但缺点是使仪表的通用性大受限制。而在数字部分进行处理却可增强仪表的通用性，但需要使用数字运算器电路或采用软件算法来实现，即经过A/D转换后的数字量先送到数字运算器，乘以或除以一个从0.10.9的任意值（根据需要也可乘、除两位以上的多位数，如0.0010.999中的任意值）。例如，被测温度为750，送出1000个计数脉冲，此时可将此计数值送入数字运算器进行乘以0.75的

15、运算，即数字运算器输入1000个脉冲，输出750个脉冲，再送至单片机进行处理。显然，上述1000个脉冲也可以不经过数字运算器，而是直接送入单片机，由单片机通过一定的软件算法进行标度变换，这样可以大大节省硬件电路的成本。,常用的3位半A/D转换器14433可直接与单片机8031相接。4位半A/D转换器7135与单片机8031的连接要由8155作为接口，如图11所示。8155的定时器为方波发生器，输入时钟频率2 MHz，经16分频后输出125 kHz的方波作为7135的时钟脉冲。7135的选通脉冲线STB接到8031的INT1。A/D转换结束后，STB输出负脉冲向CPU申请中断。,图11 7135

16、与8031的接口电路,2.模拟量输出通道模拟量输出通道也分单通道和多通道。多通道结构通常又分为两种，即每个通道都有各自的D/A转换器等器件（如图12所示），或多路通道共享D/A转换器等器件（如图13 所示）。,图12 每个通道有各自的D/A转换器等器件的结构,图 13 多通道共享D/A转换器等器件的结构,2.4人机接口部件1.键盘接口键盘接口通常包括硬件和软件两部分。硬件是指键盘的结构及其与主机的连接方式;软件是指对按键操作的识别与分析，即键盘管理程序。虽然对不同的键盘结构其键盘管理程序存在着较大的差异，但任务大体可分为以下几项：（1）识键：判断是否有键按下。若有，则进行译码；若无，则等待或转

17、做别的工作。（2）译键：识别出哪一个键被按下，并求出该键的键值。（3）键值分析：根据键值，找出对应处理程序的入口并执行。,键盘一般是一组开关（按键）的集合。常用的按键有三种：机械触点式：利用金属的弹性使按键复位。导电橡胶式：利用橡胶的的弹性使按键复位。柔性按键：外形及面板布局等可按整机要求来设计，在价格、寿命、防潮、防锈等方面显示出较强的优越性。键盘按其工作原理又可分为编码式键盘和非编码式键盘。,编码式键盘：由按键键盘和专用键盘编码器两部分组成。每按一次键，键盘编码器自动提供被按键的编码，同时产生一选通脉冲通知主机。这种键盘的硬件结构较为复杂，而软件相对较简单。非编码式键盘：不含编码器，当有键

18、按下时，键盘只能送出一个简单的闭合信号，而按键代码必须依靠软件来识别。这种键盘的硬件结构相对较简单，而其软件却较为复杂。尽管非编码式键盘的软件比较复杂，但由于非编码式键盘可以任意组合，成本低、使用灵活，所以智能仪器大多采用非编码式键盘。非编码式键盘按照与主机连接方式的不同，可分为独立式键盘（如图14所示）和矩阵式键盘（如图15所示）。,图 14 独立式键盘结构,图15 矩阵式键盘结构,独立式键盘结构的优点是一键一线，按键识别容易；缺点是占用的口线较多，不便于组成大型键盘。而矩阵式键盘结构的优点是，当按键较多时所占用的口线相对较少，键盘规模越大，其优点越明显。所以，当按键数目大于8时，一般都采用

19、矩阵式键盘结构。,2.显示器接口 常用的显示器为LED，即发光二极管。显示字符一般用的是七段LED显示器，它是由数个LED组成的一个阵列，并封装于一个标准的外壳中。为了适用于不同的驱动电路，七段LED显示器有共阴极和共阳极两种结构，如图16(a)、(b)所示。其管脚图如图16(c)所示。,图 16 七段LED显示器的两种结构（a）共阴极；（b）共阳极；（c）管脚图,图 17 七段LED显示字符,硬件译码时，显示器与单片机的接口可用译码/驱动集成电路（例如74LS47）BCD-7段译码/驱动器（如图18所示）。它将4位的二十进制数直接转换成相应的七段代码信号，直接驱动LED显示。而软件译码则采用

20、软件查表的方法将字符转换成七段代码，再输出到锁存器，从而节省了硬件，降低了成本，简化了线路。所以，智能仪器中使用较多的是软件译码方式。,图18 硬件译码显示电路,3.打印机接口在智能型温度测量仪中，用微处理器控制的微型点阵式打印机是靠垂直排列的钢针，在电磁铁的驱动下进行打印动作的。目前国内较为流行的TPP-40系列微型打印机是一种由单片机控制的超小型智能点阵式针式串行打印机，可打印240种代码字符，打印命令丰富，并有绘图功能，也可以打印汉字。这种打印机与单片机直接连接的接口电路如图19所示。,图 19 打印机与单片机接口电路,MOV DPTR,7FFFH；选中打印机LOOP:MOVX A,DP

21、TR；查询“BUSY”JB ACC.7,LOOP MOV A,R1；送数据或命令代码 MOVX DPTR,A,2.5 智能仪器的硬件抗干扰电路 为防止工业生产中的恶劣环境及严重的干扰，仪器仪表应采取必要的抗干扰措施。干扰信号窜入微机化仪器的渠道主要有三个：仪器安装空间的电磁干扰、传输通道的干扰和配电系统的干扰。仪器安装空间的电磁干扰主要采用低通滤波、屏蔽和良好接地的方法解决。传输通道的干扰一般采取切断干扰窜入的渠道，即去掉被测对象与过程通道之间的公共地线的方法解决。实现电隔离的器件一般是变压器、继电器和光电耦合器。配电系统的干扰则采用抑制交流电源干扰的计算机系统电源的方法解决，如图20所示。,

22、图 20 计算机系统电源,3 软件结构和程序框图,3.1 监控程序的结构1.监控程序的功能智能型温度测量仪的监控程序一般完成如下功能：（1）进行键盘和显示管理；（2）接收中断请求信号，区分优先级，实现中断嵌套并转入实时测量和控制子程序；（3）对硬件定时器处理和软件定时器管理；（4）实现对仪表的自诊断和掉电保护；（5）完成初始化，手动、自动控制的选择等。,2.监控程序的组成监控程序的组成取决于仪器及测控系统硬件的设备和功能，其基本组成如图21所示。监控程序将各组成模块连接成一个有机的整体，实现对仪器的各种管理功能，协调软、硬件工作，使仪器投入正常运行。,图 21 监控程序的基本组成,3.监控主程

23、序的流程监控主程序的流程如图22所示。智能仪器上电或复位后，首先进行初始化，然后对软、硬件进行诊断，等待来自实时时钟、过程通道或面板按键的中断信号，以便作相应的处理并构成一个除初始化和自诊断外的无限循环。所有功能均在此循环圈中周而复始地或有选择地执行，直至掉电或按复位键为止。,图22 监控主程序的流程图,4.初始化管理（1）可编程器件初始化。这是对可编程硬件接口电路工作模式的初始化。其主要功能是编制一定的子程序模块，适合这些器件格式中不同的初始化参数的随时调用要求。（2）堆栈初始化。堆栈是实时中断处理中的一种数据结构。其初始化的目的是，仪器复位后在RAM中设置一个堆栈区域，供程序使用。（3）参

24、数初始化。参数初始化是对由被控对象特性确定的整定参数，由测量控制算法决定的采样初值、偏差初值以及由过程输出通道输出的数据的初始化。,5.键盘管理1）一键一义 一个按键代表一个确定的命令或一个数字，即为一键一义。键盘管理程序只需根据按键的编码直接分支到处理模块的入口，而不必考虑以前的按键情况。采用非编码式（软件扫描式）的监控程序流程如图23所示。系统初始化以后，周而复始地扫描键盘。当有键按下时，首先判断是数字键还是命令键。若是数字键，将按键读数存入存储器并显示；若是命令键，按照按键读数查阅转移表，获取处理子程序的入口。执行完子程序后继续扫描键盘，等待按键。,图 23 非编码式监控程序流程图,2)

25、一键多义 一个按键有多种功能，既作数字键，又作多种命令键。因此，一个命令由一个按键序列组成。它的转移表不是一维的，而是多张转移表。组成命令的前几个按键引导、控制转向某张合适的转移表，根据最后一个按键编码查阅该转移表，从而找到子程序的入口。一键多义通常用在功能复杂的微机化多路温控仪中。一种8路智能温控仪的一键多义键盘管理程序流程如图24所示。,图 24 8路智能温控仪的一键多义键盘管理程序流程图,图中温控仪共有6个按键：C为回路号18，其中8为环境温度补偿；D为参数号，有设定值，实测值，P、I、D参数值，上限与下限报警值等；R为运行键；S为停止运行键；与为加1和减1键。C键对应7个被测回路和一个

26、共同的环境温度实测值；P键对应7个被测回路的各设定参数；与键功能取决于它们前面按过的C与P键；R键功能则取决于当前的C值。因而这些键均为一键多义。,6.显示管理微机化多路温控仪的显示方式主要有模拟式、数字式和数模混合式，其中模拟式无需软件管理。显示管理软件要完成显示更新的数据，多参数点巡检和定点显示，以及指示灯显示的功能。为此，应在用户的RAM区开辟一个参数区域，作为显示管理模块与其他功能模块的数据接口。多点巡检要每隔一定时间更换一个被测点温度显示，用实时时钟来解决。指示灯显示的管理可用与它有关的功能模块直接管理，也可在用户的RAM中开辟指示灯状态映像区，由监控主程序中的显示管理模块来管理改变

27、映像区状态的各功能模块。,3.2 中断管理程序的结构1.中断管理中断功能使仪表具有处理各种可能事件的功能，提高了仪表的实时处理能力。各种微处理器的结构不同，其中断处理的方法就不同，因而中断管理软件也就不同。能够发出中断请求信号的外设或事件被称为中断源。常见的中断源有：过程通道、实时时钟、面板按键、通信接口、系统故障等。当仪表同时出现两个以上中断源时，中断管理软件首先识别中断源，然后比较其优先等级，再按中断的优先次序予以响应。一般将系统掉电设置为最高级中断源。中断管理程序流程如图25所示。,图25 中断管理程序流程图,2.时钟管理时钟作为定时器，用于过程输入通道的采样周期定时、参数修改按键的数字

28、增减速度定时、多点巡检的显示周期定时、动态保持方式输出过程通道的动态刷新周期定时等。虽然上述定时可采用硬件或软件两种方法，但广泛采用的是软、硬件相结合的方法。这可以弥补硬件定时难以实现多种时间间隔定时以及软件定时实时性差、精度低的不足。,在软、硬件结合的定时方法中，首先由定时电路产生一个基本脉冲，硬件定时时间一到，即产生一个中断，监控主程序转入时钟中断管理模块。软件定时器可以是串行的或并行的，当中断一到，软件时钟分别用累加或递减方法计时，来判断溢出或回零。其所用时间短，不影响仪表的实时性，可实现多定时器功能。时钟管理模块的任务是，在监控主程序中，对各定时器预置初值，并在响应时钟中断过程中判断是

29、否到时。一旦时间到，则重新预置初值，建立一个标志，完成定时服务程序。,3.3 测量控制方法1.克服随机误差的软件算法 仪表的随机误差的大小和符号的无规则变化，一般符合统计规律。采用统计方法的软件算法对信号进行必要的平滑处理，即可消除随机干扰的影响。,2.克服系统误差的软件算法 1）模型校正法模型校正法是对系统误差进行理论分析和处理，并建立系统误差数学模型，从而确定校正系统误差的算法和表达式。要对温度传感器作线性特性的校正，应首先建立误差模型。通过测量，获得一组反映被测值的离散数据，利用它建立起一个反映测量值变化的近似数学模型，即校正模型。此外，还要从仪表和系统的实际准确度要求出发，用逼近法来简

30、化数学模型，便于计算机的计算和处理。总之，误差校正模型的建立分两个步骤：由离散被测数据建立模型；将复杂模型转化为简化模型。,2）标准数据校正法 有时，有了离散数据，仍然难以进行理论分析，故而无法建模。此时，采用试验手段求得校正曲线是行之有效的办法。预先将曲线上各校正点的数据以表格形式存入内存，实时测量中，通过查表来求得修正以后的测量结果。这种方法对热电偶的非线性校正能达到较好的效果。为适应微机化仪表的内存容量，可以取若干个校正点，在校正点之间进行线性插值。,3）环境温度误差的校正由于仪表使用的环境温度的变化，会带来温度仪表的示值误差，因此，用测温元件（例如二极管、热敏电阻等）来感受环境温度的变

31、化，并将其随温度变化的输出量经测温电路、A/D转换电路转换为计算温度误差的补偿量。一般采用的简单温度误差校正模型为,yc=y(1+0)+1,上式中，y为测量值；yc为经温度补偿后的测量值；为工作环境温度与标准温度之差；0和1为温度变化系数。1为补偿零位漂移系数，0为补偿传感器灵敏度变化系数。,3.量程自动切换1）采用程控放大器 在输入被测信号变化幅度很大时，用主机电路控制程控放大器的增益，对幅度值小的信号用大增益；对幅值大的信号用小增益，使A/D转换器信号满量程达到均一化。例如，某温度仪表A/D转换器为位，量程分为0100和01000两种。小量程时，程控放大器增益为8；大量程时，程控放大器增益

32、为1。当温度输入信号为最大值时，A/D转换器输出1999。在此量程内，一旦A/D转换器输出小于200，则经软件判断后，自动转入小量程挡，同时改变程控放大器的增益。同理，在小量程内，A/D转换器输出大于1600时，软件判断后自动转入大量程挡，使程控放大器的增益恢复。,2）采用不同量程的传感器 用主机电路控制多路转换器进行切换，设1传感器的最大测量范围为M1，2传感器的最大测量范围为M2，且M1M2，满量程输出相同。启动时，1传感器先投入使用，2传感器处于过载保护，用软件识别确认量程，再置标志位，选取M1或M2。,4.标度变换把A/D转换后的数字量的数码转换成有量纲的数值的过程称为标度变换。标度变

33、换的形式为,y=1x+0,上式中，y为温度测量值；1为比例系数；0为取决于零位值的常数。例如，某智能型数字测温仪的测量范围是-1001500，当ymin-100时，对应的A/D转换值为Nmin=0；当ymax=1500时，对应的A/D转换值为Nmax=1600。此时，,y=x-100;1=1;0=-100,5.其他控制算法 微机化温度仪表的控制功能主要依靠控制算法来实现，它克服了传统仪表控制规律单一、使用面较窄的不足。而且，在同一仪表中可配制多种控制算法，应用于不同的系统。在微机化温度仪表中的控制算法很多，除数字PID控制算法外，还有前馈、纯滞后、非线性、解耦、自适应、智能控制、模糊控制算法等

34、。,4 典型智能型温度测量仪实例,4.1智能型温度巡检仪,1.概述温度测量仪通常分为两种类型。一种是以工业生产设备或生产过程为检测对象，以状态监视为目的的温度巡检仪。它能进行多点温度巡回检测，一般对精度要求不高。另一种是用于计量、标定或实验研究，在保证一定外部条件的前提下，能对单一测量进行高精度的温度测量的单点温度测量仪。智能温度巡检仪是一种可进行多点温度测量，在-200850测量范围内，测量精度优于0.5的仪表。,2.智能型温度巡检仪的硬件电路结构该温度巡检仪的硬件电路由温度传感器、预处理电路和8031单片机系统等几部分组成，其结构框图如图26所示。1)温度传感器温度传感器采用Pt100铂热

35、电阻，它可以对-200850的温度进行检测。由于硬件电路保证使流过铂热电阻上的电流为一恒定值，因此当温度变化时，热电阻上的电压亦随着变化。根据一定的对应关系即可求得温度值。,图26 温度巡检仪结构框图,2)预处理电路预处理电路是决定测量精确度的关键。铂热电阻温度传感器精度高、性能稳定，但其内阻较低，引线电阻易造成较大的测量误差。为消除引线电阻造成的误差，仪表的预处理电路采用三线制，以恒流源驱动。其电路如图27所示，包括三触点的继电器、可控恒流源、差动放大器、程控放大器等。,图27中，Rth为铂热电阻，r1、r2、r3为引线电阻（当采用完全相同的导线作Rth的引线时，可使r1r2r3=r），A2

36、为增益等于2的同相比例放大器；A3为增益等于1的差动放大器，运放A1和达林顿管Q组成了一个可控的恒流源电路，其电流为I。测量时，继电器每次只接通一个铂热电阻，若继电器Sn吸合，则它的三个触点Sn-1、Sn-2和Sn-3同时导通，铂热电阻Rth接入预处理电路。设引线电阻为r，则比例放大器A2的输入为I(r+R)，输出为2I（r+R）。差动放大器A3同相输入为I（Rth+2rR）,输出为U=I（Rth-R）。,图27 预处理电路原理图,若R=100（在0时，输出电压u=0 V），则,UI（Rth-100）,可见，输出电压u仅与恒流源I和铂热电阻Rth有关，从而消除了引线电阻所带来的误差。由于铂热电

37、阻的灵敏度（欧姆/度）随着温度的升高而逐渐下降，从而造成了输出电压u的非线性。为了补偿这个非线性，在硬件电路中采取了将输出电压u经电阻R1反馈到放大器A1同相输入端，以便能适当调节恒流源地电流I，从而使输出电压u得到线性补偿，提高测量精度。此外，还可以采取下列措施提高仪表的测量精度。,（1）减小零漂的硬件措施。零漂（零位漂移）是温漂和时漂的总和。正常情况下，当输入信号为零时，经过传感器、放大器和单片机接口电路在内的整个测量部分的输出应为零。但由于零漂的存在，零输入信号时，输出不为零，此时的输出值实际上就是系统测量部分的零位漂移值。若采用传统的硬件方法克服零漂，则线路复杂，对元器件要求严格且成本

38、高，尤其在环境恶劣的场合，其效果不能尽如人意。但采用单片机控制后，就可以利用单片机强大的软件功能，只需用最少的硬件配以相应的处理软件，就可使上述问题迎刃而解。图28为实现自动校零部分的原理框图。图中S1、S2为电子开关，由单片机接口的P1.0、P1.1控制。正常工作时，P1.0输出为“1”电平，S1闭合；P1.1输出为“0”电平，S2打开。,图 28 自动校零原理框图,零位补偿原理就是每次测量前，先将输入短路（P1.1输出为“1”电平，P1.0输出为“0”电平），测出零漂值，将其存放在单片机的某一存储单元内保存起来，然后再测量检测电路的输出（置P1.1为“0”，P1.0为“1”），此测量值减去

39、零漂值就得到了真实的输出量。程控放大器把差动放大器A3输出的电压信号放大至适当值，以便于A/D转换器进行数据采集。,（2）选择适当的A/D转换器与采取分段补偿。通常，在条件许可的情况下可选择分辨率和转换速度较高的器件，这是提高测量精度的一个重要措施。就A/D转换器的分辨率而言，不同的A/D器件在供电电压为5 V时，其差别见表1。,表1 不同的A/D器件的分辨率,由上表可见，当A/D转换器位数增加时，其分辨率提高了，因而测量精度也提高了。此外，A/D转换器在理想情况下对应输入电压值的转换值应在同一直线上。实际上，有些转换点偏离直线，即存在着相对误差。以A/D转换器0809为例，在23.5 V时线

40、性较好，而在02 V、3.55 V时，相对误差分别为1和-1。根据它与理想直线的偏差，可在软件上采取分段补偿的措施，以提高A/D转换器的相对精度。,3)8031单片机系统8031单片机系统可实现对仪表的监控管理，多路温度的测量、储存、打印及与PC机的通信等。由此可见，这是本仪表的核心部件，其结构如图29所示。,图 29 8031单片机系统结构框图,3.智能型温度巡检仪的软件设计 智能型温度巡检仪的软件设计包括监控管理程序、A/D转换程序、数据处理程序、打印程序以及与PC机通信的串行口中断服务子程序，这些程序均采用模块化结构。为了便于该仪表与PC机组成分布式的测温系统，仪表的串行口中断设置为优先

41、级最高的中断，具有实时性，其主程序流程如图30所示。,图 30 主程序流程图,中断服务子程序及其他程序框图略。为了提高仪表的测量精度，特别是在对输入量的处理上，除了在硬件上给予考虑外，在智能仪表中的软件设计也非常重要。我们知道，被测对象的温度是一个随时间t连续变化的模拟量，而这个非电物理量又必须通过传感器变换成电信号，再通过输入通道送给单片机进行分析、处理。在这一过程中，我们总是希望信号的传递是不失真的，但是实际上不可能完全做到，也就是说总是存在一些非线性的误差，因而设计中要加以考虑。具体方法如下：,图31 热电阻的阻值温度转换关系图,(2)采取软件滤波法，消除干扰影响。由于仪表使用的现场环境

42、条件往往不甚理想，因而输入到A/D转换器的信号常常会窜入各种各样的干扰信号。这些干扰信号主要有三种类型：工频及其谐波、白噪声和脉冲干扰。这些干扰信号将造成很大的测量误差，必须加以滤除。通常，硬件措施是在采样输入回路中采用滤波电路以滤除干扰信号。如果采用双T滤波电路，则可以有效地抑制工频干扰，但是会使硬件结构复杂；而如果采用软件滤波的方法，则可以较好地解决这一问题，而且大多数智能仪表都采用软件滤波的技术。,软件滤波的方法有很多，对于白噪声，可用数字滤波技术加以去除；而脉冲干扰可通过多次采样中去除最大值和最小值后，再求取平均值去掉，即去极值平均滤波法；对于工频产生的干扰亦应加以重视，因为有时它会成

43、为主要干扰因素。实践证明，要有效地抑制工频干扰，必须满足两个条件：每组采集数据必须进行两次，然后作算术平均处理；保证两次采集间隔时间为T/2（T为工频周期）。假设有用信号比工频变化慢得多，如图32所示。,图32 工频干扰示意图,由此可见，满足上述两个条件后就可滤除工频影响，获得有用的信号。另外，如前所述的A/D转换器的非线性补偿亦是用软件的方法实现的。总之，智能仪表设计中要采用软、硬件结合的方式来提高仪表的性能，这样才能达到性能价格比，使设计最优。,4.仪表的应用情况采取上述软、硬件设计方法后，可以有效地提高仪表的测量精度。本仪表经过测试，其测量精度优于0.5。当然，在实际设计过程中，还要考虑

44、许多其他的因素，如信号输入端的良好接地问题、印刷电路板的合理布线问题以及系统运行的可靠性问题等。综上所述，我们可以看出：在智能仪表的设计中，由于采用了单片机技术，使得硬件电路大大简化，而其软件的强大功能又使仪表的性能得到了明显提高，功能的扩展也变得十分方便。加上通信功能后，其检测、控制方式也十分灵活、便捷。因此，仪器、仪表的智能化、可通信化是一个发展方向。,4.2 温度测量仪使用、维护后的检定,1.标准仪器 温度测量仪的检定是利用标准仪器实现的。检定所选用的标准仪器依据微小误差取舍准则，即标准仪器的基本误差相对于被检仪表基本可视为微小误差。具体地讲，标准仪器的基本误差一般为被检仪表的基本误差的

45、1/31/10。用于配热电偶温度测量仪检定的标准仪器如表2所示。,表2用于配热电偶温度测量仪检定的标准仪器,表3 用于配热电阻温度测量仪检定的标准仪器,2.检定条件各类温度测量仪的检定要求为：环境温度为20t（数显仪表t为2，其他仪表t为5）；相对湿度不大于85%，其中动圈仪表和数显仪表不大于75%。电源电压变化不超过额定电压的10%；频率不超过额定频率的1%。除地磁场外，周围不存在影响仪表正常检定的磁场。,3.检定方法 示值检定前，对各类温度测量仪均应作外观检查。仪表外观应符合检定规程的要求。虽然各类温度测量仪的构造原理不同，但示值检定的基本方法类似。一般步骤是：（1）先进行外观检查，然后按

46、要求正确接线。（2）在接线正确的情况下接通仪表电源，按生产厂家规定的时间预热。如果没有明确规定，一般预热15分钟。具有参考端温度自动补偿的仪表可预热30分钟。（3）对具有“调零”及“调满度”的仪表，允许在预热后进行预调，但在检定过程中不允许再调。,（4）检定点的选择不应少于5个点，一般应选择包括上、下限在内的原则上均匀的整十摄氏度点或整百摄氏度点。（5）在调零位后，由标准仪器发出检定点的信号值，读取仪表示值，按正行程检完各点，然后再反行程检定各点。计算各点误差，与仪表的准确度等级和量程所确定的允差相比较，得出仪表示值是否合格的结论。,4.绝缘电阻的测定温度测量仪的绝缘电阻是使仪表安全可靠地工作

47、的保证。绝缘电阻采用额定直流电压为500 V的兆欧表测定。绝缘电阻测量包括三部分，即（1）测量线路与地之间；（2）电气线路与测量线路之间；（3）仪表电气线路与地之间。温度测量仪对各部分绝缘电阻的要求见表4。,表4 温度测量仪对绝缘电阻的要求,5.其他注意事项温度测量仪检定的其他注意事项：（1）温度测量仪在外观检查符合技术要求的条件下，才能进行各项检定。（2）检定项目除基本误差之外，温度测量仪还要对外观、显示能力、稳定度、分辨率、绝缘电阻等方面进行检定。具体检定时，请参照国家有关智能型温度测量仪器仪表的检定规程。,思考题与习题,1.智能型温度测量仪通常应具有哪些功能？2.智能型温度测量仪一般由哪几部分组成？各部分的作用是什么？3.模拟量输入通道包括哪些部分？4.模拟量输出通道包括哪些部分？5.标度变换的目的是什么？有哪几种方法？6.为什么要进行非线性补偿？非线性补偿有哪三种方式？7.编码式键盘与非编码式键盘有何区别？键盘管理程序的任务是什么？8.如何抑制工频干扰？9.在温度检测电路中，为什么要对引线电阻进行补偿？如何进行补偿？10.智能型温度测量仪的检定要注意哪些事项？,