第十二章 顯示儀表

1、12顯示單元 在控制系統(tǒng)中顯示儀表具有重要的地位，它可將控制過程中的參數(shù)變化、被控對象的過渡過程顯示和記錄下來供操作人員及時了解控制系統(tǒng)的變化情況，掌握被控對象的狀態(tài)，是進(jìn)行系統(tǒng)控制、工況監(jiān)視、性能分析以及事故評判等工作所必不可少的環(huán)節(jié)。 第12章 顯示儀表12.0 概述 用于參數(shù)的指示、記錄、累積計數(shù)的儀表 顯示儀表的分類： 1. 模擬指示儀表;(機(jī)械式, 動圈式, 等) 2. 數(shù)字顯示儀表; 3. 圖象顯示儀12.0.顯示儀表的功能和分類 主要功能參數(shù)顯示，故障報警 基本結(jié)構(gòu)測量電路+信號處理+數(shù)據(jù)顯示 分類： 模擬信號指示表：指針式儀表（電流表，電壓表），磁電結(jié)構(gòu)通電線圈在磁場中受力，產(chǎn)

2、生偏轉(zhuǎn)運動；例：指針式萬用表。 數(shù)字式顯示表：數(shù)碼管顯示LED，數(shù)字液晶顯示LCD，基本組成： A/D轉(zhuǎn)換； 微處理器數(shù)據(jù)處理； 驅(qū)動電路； 顯示器； 虛擬儀表：計算機(jī)顯示器顯示多種數(shù)據(jù)信號，并可模擬圖形顯示；基本組成：1）數(shù)據(jù)采集（信號測量，放大，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理）；2）數(shù)據(jù)傳輸（串行，并行），進(jìn)入計算機(jī)；3）計算機(jī)軟件程序（數(shù)據(jù)處理，參數(shù)顯示，趨勢曲線，圖形變換模擬等）；12.1.0 模擬顯示儀表結(jié)構(gòu)原理 基本結(jié)構(gòu)磁電式儀表 對稱圓形磁場； 提供均勻磁場，使指針在大范圍偏轉(zhuǎn)角度下都有勻強(qiáng)磁場 可動框架線圈； 可動式通電線圈作為帶動指針的轉(zhuǎn)子 張絲扭力平衡機(jī)構(gòu)； 平衡動圈受力，保持指針平

3、穩(wěn)轉(zhuǎn)動 測量電路； 完成信號電流的調(diào)節(jié)，保證儀表的準(zhǔn)確指示12.1.0 模擬顯示儀表結(jié)構(gòu)原理 模擬顯示儀表工作原理： 測量信號輸入E（低電壓毫伏信號）； 調(diào)整測量線路中的Rc串聯(lián)Rb并聯(lián)電阻，可實現(xiàn)量程調(diào)節(jié)； 輸入信號電流通過測量線路進(jìn)入可動線圈G； 通電線圈在磁場中受力偏轉(zhuǎn)，同時帶動指針運動； 張絲扭力反向平衡動圈偏轉(zhuǎn)，最終使指針停留在準(zhǔn)確刻度位值，顯示正確的信號參數(shù)值。 Rt和Rg組成溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，補(bǔ)償動圈銅線電阻受環(huán)境溫度的影響而變化，引起信號電流的改變造成參數(shù)指示誤差。12.2 動圈式顯示儀表 動圈式顯示儀表的實質(zhì)就是指針式電流/電壓表。其核心部件是一個磁電式毫安計。 動圈式顯示儀表通

4、過一定的內(nèi)置電路可以直接用來作為熱電偶、熱電阻，以及電流或電壓的顯示。 部分顯示表還附帶有模擬量輸出，以實現(xiàn)簡單的控制功能。一、動圈顯示基本原理 磁場中，一個用彈性張絲懸掛的線圈，當(dāng)線圈有電流通過時，線圈在電磁力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)；在電磁力矩與張絲的彈性力矩平衡時，線圈達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角并穩(wěn)定下來。 指針與線圈相連，指示電流大小。 部分動圈儀表采用螺旋彈簧（游絲）代替張絲作為彈性體。NS動圈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫補(bǔ)與調(diào)整 溫度補(bǔ)償 采用熱敏電阻抵消線圈熱效應(yīng)。 調(diào)零 調(diào)整張絲或游絲的固定點。 校準(zhǔn) 調(diào)整內(nèi)部電阻。 阻尼 采用并聯(lián)電阻短路感應(yīng)電動勢。RTR1R2R3R4+-四、動圈式顯示儀表測溫注意事項 型號意

5、義 XCZ：顯示、磁電、指示 XCT：顯示、磁電、控制 注意配套使用 適當(dāng)調(diào)整外接電阻 運輸時，短路保護(hù)一、數(shù)字式顯示儀表的分類數(shù)字顯示儀表電壓型頻率型單點式多點式單點式多點式顯示儀顯示報警儀顯示輸出儀顯示記錄儀顯示報警輸出記錄儀二、數(shù)字式顯示儀表結(jié)構(gòu)原理檢測變送模擬信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號電子計數(shù)器 寄存器電子譯碼器顯示器1. A/D轉(zhuǎn)換 功能： 將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號； 輸入與輸出電位隔離。 構(gòu)成： 低精度時直接用集成芯片轉(zhuǎn)換； 單芯片精度取決于輸出位數(shù)。 高精度時分段采用集成芯片轉(zhuǎn)換。 對以電流方式輸入的信號，先轉(zhuǎn)換成電壓信號。2. 電子計數(shù)器 功能： 將A/D轉(zhuǎn)換輸出或測試儀表的數(shù)

6、字輸出按10進(jìn)制進(jìn)行分段； 構(gòu)造與工作原理： 一般由多個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器串聯(lián)組成； 通過依次觸發(fā)，實現(xiàn)進(jìn)位。3. 寄存器 功能： 暫時儲存電子計數(shù)器輸出結(jié)果； 隔斷計數(shù)器非信號輸出； 根據(jù)后續(xù)請求定時輸出數(shù)字信號。 結(jié)構(gòu)： 一般直接采用RAM芯片構(gòu)成。4. 譯碼器 功能： 將數(shù)字信號翻譯為十個數(shù)字狀態(tài)； 將每個數(shù)字翻譯為對應(yīng)管腳信號。 構(gòu)造： 通常由與顯示器配套的專用芯片實現(xiàn)。5. 顯示器 功能： 顯示數(shù)字 分類 輝光數(shù)碼管 發(fā)光二極管 液晶顯示器2 3 1 2 31 23 1溫度：560C壓力：3.1MPa123數(shù)字式顯示儀表基本流程 輸入信號處理環(huán)節(jié)測量，放大，濾波； 模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換A/D

7、，數(shù)字量輸入進(jìn)MPU； 數(shù)據(jù)處理變換輸出（微處理器MPU實現(xiàn)）； 輸出驅(qū)動電路譯碼，鎖存，限流； LED顯示，或LCD顯示；1231數(shù)字式顯示儀表各環(huán)節(jié)功能 A/D轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)： 確定模擬量輸入范圍，與信號處理電路輸出連接。若A/D芯片供電5V，則輸入信號不能大于5V?？梢詾?-5V中間的一段電壓范圍； 根據(jù)測量精度要求確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)； 如：測量范圍：0-300C ，要求最小顯示0.1C ， 則：最小刻度單位1/3000，可選12位A/D，其分辨率為：1/4096 ； 參考電壓的選取，以決定最大數(shù)字量與參考電壓上限的等價關(guān)系。如：8位A/D轉(zhuǎn)換器選取5V參考電壓，最大256代表5V，2.

8、5V時的數(shù)字應(yīng)為128。 與MPU微處理器的有效控制信號連接，注意A/D轉(zhuǎn)換的時序關(guān)系：啟動，數(shù)據(jù)輸入，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)鎖存，MPU讀數(shù)據(jù)，結(jié)束轉(zhuǎn)換過程。 目前已有內(nèi)含A/D的MPU，此項任務(wù)可由MPU內(nèi)部程序完成，需要在軟件編制時加入該程序內(nèi)容。1231數(shù)字式顯示儀表各環(huán)節(jié)功能 MPU數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)： 由A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)范圍匹配測量信號的顯示范圍。如：256 對應(yīng) 200C溫度，確定數(shù)字轉(zhuǎn)換系數(shù)； 采樣速率的確定，數(shù)字濾波的實現(xiàn)；（驅(qū)除干擾） 十進(jìn)制信號BCD碼變換，輸出數(shù)據(jù)各位分別存儲； 確定數(shù)字輸出順序，時間間隔，保持時間等； 選擇驅(qū)動控制方式，靜態(tài)顯示？/動態(tài)顯示？制定控制端口連接模式； 編制輸

9、出顯示控制程序； 設(shè)定異常數(shù)據(jù)處理方法，并編制相應(yīng)的故障監(jiān)測處理程序；這樣可保證正常程序不出現(xiàn)死循環(huán)現(xiàn)象。1231數(shù)字式顯示儀表各環(huán)節(jié)功能 驅(qū)動電路和顯示： 根據(jù)顯示器功率消耗，計算驅(qū)動電流，確定限流電阻大小和功率； 依據(jù)驅(qū)動電流選取合適的驅(qū)動芯片； 由驅(qū)動芯片的控制要求，連接到MPU的相應(yīng)端口，并在編制軟件程序時充分考慮時序的配合； 硬件電路的空間位置安排，散熱要求的考慮，等等； 供電電壓和所需最大功率的確認(rèn)；一般應(yīng)保持參數(shù)一致的電壓。 顯示器亮度的調(diào)整，改變限流電阻，或驅(qū)動時間可實現(xiàn)此目標(biāo)。1232數(shù)字式顯示儀表的顯示驅(qū)動 四位LED數(shù)字顯示： LED數(shù)碼管顯示； 限流電阻取定，正常亮度，

10、可以長期使用； 譯碼器將4位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位8位驅(qū)動線端； 鎖存器保證顯示數(shù)據(jù)靜態(tài)有效； MPU控制數(shù)據(jù)傳遞時序，循環(huán)周期等功能的實現(xiàn)。1232數(shù)字式顯示驅(qū)動實例簡介硬件選型： 供電電壓取5VDC； 7段數(shù)碼管LED，2吋大??； 譯碼器選取74HC247，BCD碼轉(zhuǎn)換4進(jìn)8出； 鎖存器74HC273，輸出連接2譯碼器，鎖存MPU輸出的數(shù)字信號； 限流電阻試驗數(shù)據(jù)測試： 7段數(shù)碼管LED，每段串聯(lián)電阻后點亮測試電流，并測量各段電壓降；實測：10mA電流點亮合適，電壓降2V。 限流電阻計算：R=(5V-2V)/10mA=0.3K , 考慮到譯碼器低電平輸出電壓最大0.5V, 可估算R=(5-2-0.5)

11、/10mA=0.25K。 限流電阻功耗計算：P=IxU=10mAx2.5V=25mW , 可選1/6W, 1/8W電阻規(guī)格； 查閱技術(shù)手冊，74HC247譯碼器最大允許驅(qū)動電流為20mA，可以符合10mA的使用條件； 鎖存器，譯碼器和MPU的信號連接均為數(shù)據(jù)信號，無大電流輸出，可直接連接；實驗證實： 將數(shù)碼管，限流電阻，電源，測量儀表連接實驗，論證和觀察實際使用效果。若有問題，進(jìn)行分析，改進(jìn)修正。1233數(shù)字顯示表位數(shù)的確定 問題：應(yīng)選擇幾位數(shù)字顯示器才能滿足要求呢？ 一般選取原則： 根據(jù)最小顯示單位，如：0.1C, 0.5cmH2O, ； 根據(jù)測量參數(shù)的變化范圍，如：0-300C ； 計算公

12、式：N = (Xh Xl) / r ; Xh,Xl為測量參數(shù)上限和下限； r最小顯示單位； N值代表數(shù)字顯示的位數(shù)； 例：Xh=300C，Xl=0C，r=0.1C, N=(300-0)/0.1=3000，即：4位數(shù)字顯示； 若Xh=100C，則N=1000，但最高位只顯示0或1，故只能算作3位半，即：3 位。12.3.4 數(shù)字濾波的方法與實現(xiàn) 問題的提出： 采樣數(shù)據(jù)的瞬時性，能否保證數(shù)據(jù)的可靠性？ 偶然干擾可能帶來數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏差，而干擾總是存在的。 采取的措施數(shù)據(jù)濾波： 平均值濾波：采集多個數(shù)據(jù)，取平均值后輸出，可消除采樣數(shù)據(jù)波動帶來的影響； 中位值濾波多個采樣數(shù)據(jù)大小排隊，取中間位的數(shù)據(jù)值輸出

13、，可消除偶然觸發(fā)的干擾影響； 遞推濾波每次取除最早進(jìn)入的數(shù)據(jù)，加入最近的數(shù)據(jù)，平均取值后輸出，可延續(xù)歷史數(shù)據(jù)，減小數(shù)據(jù)輸出顯示的波動； 權(quán)衡利弊： 數(shù)據(jù)濾波的優(yōu)點可減小干擾影響，增加可靠性； 缺點數(shù)據(jù)變動遲緩，信號突變時響應(yīng)不夠快。 要根據(jù)需要，選取不同的數(shù)據(jù)濾波方法，采樣速率和實施方式。12.3.5 故障報警的實現(xiàn) 故障報警的定義： 超過預(yù)定的指示信號范圍，給出相應(yīng)的故障輸出信號（聲音，燈光信號），以提醒操作人員注意，或輸出到故障處理程序中啟動相應(yīng)的故障應(yīng)急處理程序。 故障報警的分類： 上下限報警：超上限給出高報警，超下限給出低報警； 大小限報警/停機(jī)：超小上限報警，超大上限停機(jī)； 故障信號

14、鎖定：信號超限后，即使返回正常范圍，故障信號仍保持記憶狀態(tài)，表示有過超限紀(jì)錄。操作人員操作后可消除。 故障報警的延時機(jī)制：在一定范圍內(nèi)，檢測多次超限后才啟動報警，以避免偶然一次干擾引起誤動作。 故障報警的實現(xiàn)： 硬件實現(xiàn)采用比較器或檢測器，（輸入信號超預(yù)定值，輸出報警）； 軟件實現(xiàn)程序中安排數(shù)據(jù)比較，設(shè)定報警值的上下限，若輸入數(shù)據(jù)大于設(shè)定上限，輸出高報警；若輸入數(shù)據(jù)小于設(shè)定下限，輸出低報警；12.4 DDZ光柱顯示報警器 信號：直流 電壓：15V 電流：420mA 電源： 直流：24V 交流：220V上限下限上限設(shè)定下限設(shè)定DDZ光柱顯示報警器工作原理比較比較電源輸入信號顯示部分報警部分上限設(shè)定下限設(shè)定12.5 無筆無紙記錄儀 無紙、無筆顯示記錄儀實際上是一臺簡化的計算機(jī)系統(tǒng)。 主要配置： CPU：工業(yè)專用微處理器； 主板：專用。包括：ROM，RAM，時鐘電路 接口電路： 鍵盤控制器：接面板膜式鍵盤； 顯示控制器：接液晶顯示器； 打印控制器：接微型打印機(jī)； 通訊控制器：外接計算機(jī)（PC）； A/D轉(zhuǎn)換器：接測試儀表（模擬量）。無筆無紙記錄儀主要功能 顯示 柱狀圖顯示、數(shù)字顯示、實時變化趨勢曲線 設(shè)定極限、報警； 時間、單位 簡易編程組態(tài) 具有格式化的簡易編