第13章智能儀器設(shè)計實例

第13章智能儀器設(shè)計實例本章內(nèi)容

13.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

13.2簡易單回路溫度控制器首頁13.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心是計算機，它對整個系統(tǒng)進行控制和數(shù)據(jù)處理。13.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般組成框圖如圖。前置放大器，濾波電路，主放大器及相關(guān)電路通常合稱為信號調(diào)理電路。被測信號一般先送入前置放大器初步放大到后續(xù)電路的工作范圍內(nèi)。下頁上頁返回圖13.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般組成框圖

對于比較大的被測信號，可通過衰減手段將其調(diào)整到相應的工作范圍內(nèi)。隨后送入到濾波電路。主放大器可將濾波后的信號進一步放大到合適范圍，送到A/D轉(zhuǎn)換器將信號變換為數(shù)字量。13.1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計考慮的因素對于放大電路，如果是簡單信號，采用一級放大或衰減電路將信號調(diào)整到適合后續(xù)電路工作的電壓范圍即可。而實際情況會復雜一些，往往要考慮抗干擾等因素，將其設(shè)計成多級放大電路，同時在各級放大電路之間加入必要的濾波電路。如果是比較微弱的信號，還要求運算放大器具有低噪聲、低漂移、低輸入偏置電流、非線性度小等特點，避免在放大過程中引入干擾。下頁上頁返回A/D轉(zhuǎn)換器將原始的模擬信號轉(zhuǎn)換成為計算機能夠處理的數(shù)字信號。首先需要選擇A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，其次是轉(zhuǎn)換速率。如果使用多次采樣取平均值的數(shù)據(jù)處理算法，則采集系統(tǒng)應有較快采樣速度。采樣/保持電路主要是配合A/D轉(zhuǎn)換器工作。經(jīng)放大電路放大的原始信號含有各種噪聲、干擾、耦合信號等等，需要采用信號調(diào)理電路進行必要的處理，信號調(diào)理電路經(jīng)常采用各類濾波器對這些影響因素進行濾除，如低通濾波、高通濾波、帶通濾波等。下頁上頁返回13.1.3心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢測儀的關(guān)鍵部件。人體心電信號的主要頻率范圍為0.05～100Hz，幅度約為0～4mV。屬于低頻，微弱信號，且干擾較大。另外心電信號中通?；祀s有各種生物電信號，加之體外以50Hz工頻干擾為主的電磁場干擾，使得心電噪聲背景較強，測量條件比較復雜。要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度，高穩(wěn)定性，高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲及強干擾能力等性能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計的系統(tǒng)框圖如下圖。下頁上頁返回圖13.2心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

圖中信號調(diào)理部分專指50Hz及35Hz陷波電路，濾除50Hz的工頻干擾和人體生物電產(chǎn)生的35Hz肌電干擾。心電信號由專用電極（電極放在人體各個部位，比如：心臟、左右手，頭部等部位）拾取后送入前置放大器初步放大，并在對各干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波器，以濾除心電主要頻率范圍以外的干擾信號。而主放大器可將帶通濾波后的信號進一步放大到合適范圍，再經(jīng)50Hz和35Hz陷波器分別濾除工頻和肌電干擾，然后送入ADC，進行高精度A/D轉(zhuǎn)換和最后送入單片機進行數(shù)據(jù)的采集存儲處理。下頁上頁返回1.信號放大電路采用了兩級放大電路，包括前置放大和主放大電路。在兩級放大電路之間又接入了一個帶通濾波電路以使心電信號主頻0.05Hz～100Hz通過后再進一步放大。前置放大約10倍，主放大約100倍。⑴前置放大電路主要是初步放大心電信號，并在對各干擾信號進行抑制后送入帶通濾波電路，以濾除干擾信號。由于人體心電信號十分微弱，噪聲背景強且信號源阻抗較大等，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能，設(shè)計時選用儀用放大器AD620作為前置放大器，采用差分放大電路。下頁上頁返回⑵帶通濾波電路：帶通濾波由雙運放集成電路OP2177構(gòu)成。OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片內(nèi)集成了兩個運放。由于心電信號頻帶主要集中在0.05～100Hz左右，頻帶較寬，為此，采用OP2177的兩個運放分別設(shè)計二階壓控有源高通和低通濾波器并組合成帶通濾波器。

2.信號調(diào)理電路由于心電信號的極其微弱。信號調(diào)理采用50Hz及35Hz陷波電路，濾除50Hz和35Hz的干擾。工頻干擾是心電信號的主要干擾，且有部分工頻干擾會以差模信號方式進入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等下頁上頁返回因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強的工頻干擾。采用開關(guān)電容集成濾波器，它無需外接決定頻率的電阻或電容，濾波頻率僅由外接或片內(nèi)時鐘頻率決定，且其頻率特性對時鐘和外圍電路的參數(shù)不敏感，因而性能較穩(wěn)定。凌特公司的LTC1068-50集成開關(guān)電容濾波器內(nèi)部集成了四個獨立的二階開關(guān)電容濾波器，時鐘與中心頻率之比為50：1，誤差為±0.3％，可采用±5V、5V供電。因此，配合廠家提供的FilterCAD濾波器設(shè)計軟件，可靈活配置成各類濾波器（低通、高通、帶通、全通等）。為較好地濾除工頻干擾，設(shè)計中利用LTC1068-50的優(yōu)點專門設(shè)計了一個8階巴特沃斯50Hz陷波器，采用的時鐘信號頻率為下頁上頁返回2.5KHｚ。經(jīng)測試，陷波深度可達50ｄB，可衰減100倍左右，效果比較理想。

3.單片機電路

本系統(tǒng)采用C8051F206單片機。其內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲。圖11.3所示是單片機與信號調(diào)理電路連接框圖。下頁上頁返回圖13.3單片機與信號調(diào)理電路連接框圖C8051F206是一種混合信號ISPFLASH微控制器，該芯片內(nèi)含與8051完全兼容的高速微控制器內(nèi)核、8KFlash、4字節(jié)寬的I/O端口、硬件UART和SPI總線、12位高精度ADC和多達32通道模擬輸入多路選擇器。根據(jù)系統(tǒng)需要，可將其端口P1.0～P1.7，P3.0～P3.3配置成12路心電模擬信號的輸入端。將12路來自信號調(diào)理部分的信號接入C8051F206的已經(jīng)配置成模擬輸入端口的P1口的0～7和P3口的0～3引腳。單片機中的逐次逼近式ADC的轉(zhuǎn)換精度可達12位。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被存入數(shù)據(jù)存儲器，C8051F206的SPI總線也可將數(shù)據(jù)傳送給其它器件進行數(shù)據(jù)的后續(xù)分析和處理。

4.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中軟件部分的設(shè)計（略）下頁上頁返回13.2簡易單回路溫度控制器設(shè)計13.2.1功能需求和總體思路

1.功能需求

·設(shè)定溫度顯示、實時溫度顯示；

·溫度上、下限報警；

·溫度上、下限報警值設(shè)定；

·放大電路放大倍數(shù)設(shè)定；

·PID控制參數(shù)的設(shè)定；

·手動加熱設(shè)定值；

·手動/自動設(shè)定；

·溫度零點標定；

·參數(shù)保存；

·上位機目標溫度值設(shè)定；

·上位機實時溫度波形曲線圖顯示；下頁上頁返回下頁上頁返回2.總體設(shè)計思路圖13.4單回路溫度控制器組成框圖下頁上頁返回3.操作模式本系統(tǒng)可用3個按鍵實現(xiàn)模式切換和參數(shù)修改操作，這3個鍵分別定義為模式鍵、數(shù)值增加鍵和數(shù)值減少鍵。用8個數(shù)碼管顯示模式和對應的參數(shù)，左邊4個數(shù)碼管顯示模式值，右邊4個數(shù)碼管顯示相應模式對應的參數(shù)值。10種工作模式模式0：溫度設(shè)定值和溫度實時值顯示（前4位數(shù)碼管顯示溫度設(shè)定值，后4位顯示實時溫度值）；模式1：設(shè)置和顯示溫度上限報警值（0～1200）；模式2：設(shè)置和顯示溫度下限報警值（0～1200）；模式3：設(shè)置和顯示溫度設(shè)定值（0～1200）；下頁上頁返回模式4：設(shè)置實時溫度采集放大電路的放大倍數(shù)；模式5：設(shè)置和顯示PID中的比例系數(shù)（0.00～50.00）；模式6：設(shè)置和顯示PID中的積分系數(shù)（0.00～50.00）；模式7：設(shè)置和顯示PID中的微分系數(shù)（0.00～50.00）；模式8：設(shè)置和顯示手動輸出值（0～100）模式9：手動/自動切換（1：手動；0：自動）模式10：標定和顯示實時溫度的零點下頁上頁返回13.2.2溫度測控電路設(shè)計

1.溫度檢測電路圖13.5熱電偶溫度檢測電路下頁上頁返回

本系統(tǒng)采用鎳鉻-鎳硅（K分度）熱電偶作為溫度傳感器。冷端處于室溫，熱端為加熱爐溫度，單片機的A/D通道可以直接采集熱電偶信號，經(jīng)冷端溫度補償后，再查表K分度則可以得到熱端溫度值。室溫測量采用AD590將室溫變化為電壓信號，經(jīng)放大后直接送給單片機的A/D通道，提供冷端信號。

2.溫度控制電路控制方式：對于加熱爐的溫度控制可以采用移相控制或周波控制方式。移相控制方式：通過改變可控硅的導通角來控制輸出電壓。周波控制方式：通過調(diào)節(jié)一定時間周期內(nèi)的供電時間比例（即交流周波數(shù)）來控制加熱對象在本周期內(nèi)獲得的電能。下頁上頁返回周波控制的輸出電路

圖13.6周波控制的輸出電路單片機的I/0腳輸出低電平時，控制SSR使加熱元件接通220V交流電源，加熱元件獲得電能，溫度升高；I/0腳輸出高電平時，SSR開路，加熱元件兩端無電壓，停止加熱，對象的溫度開始下降。下頁上頁返回

控制的具體方法①設(shè)定一個標準的加溫周期T，以T為周期對溫度進行采樣，獲得溫度測量值；②根據(jù)設(shè)定值和測量值的偏差，進行PID運算；③將PID的輸出轉(zhuǎn)換為SSR的通斷時間。PID的輸出為0％，則SSR接通時間為0，即本周期無輸出；如果PID輸出為100%，則SSR接通時間為T，即本周期為全輸出；如果PID的輸出為MV（百分數(shù)表示），則SSR的接通時間為T×MV/100，斷開時間為T-T×MV/100。例如：T=120秒，PID計算結(jié)果為1分30秒，則本次2分鐘內(nèi)就應加溫90秒，停30秒；又如T=120秒，PID的計算結(jié)果為1分25秒，則本周期就應加溫85秒，停35秒。下頁上頁返回13.2.3PID控制算法的實現(xiàn)位置式PID算法計算公式

Pout(t)=Kp×e(t)+Ki×Sum_e(t)+Kd×(e(t)-e(t-1))

基本偏差為e(t)，表示當前測量值與設(shè)定目標值之間的差值，結(jié)果可以是正或負，設(shè)定目標作為被減數(shù)的話，正數(shù)表示還沒有達到設(shè)定值，負數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值。累計偏差Sum_e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+…+e(1)是每次偏差值的代數(shù)和。相對偏差e(t)-e(t-1)是用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，以考察當前被控量的變化趨勢，有利于快速反應。下頁上頁返回13.2.4控制器和PC之間的數(shù)據(jù)通信表11.1單回路控制器RS-232簡易數(shù)據(jù)通信命令格式命令字節(jié)數(shù)字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)3字節(jié)4傳送方向啟動通信20xaa0x01PC→控制器停止通信20xaa0x02PC→控制器改設(shè)定值40xaa0x03dataLdataHPC→控制器返回數(shù)據(jù)30xaadataLdataHPC←控制器13.2.5溫度控制器軟件流程及參考程序控制器的軟件由主控制模塊、顯示按鍵處理模塊和頭文件三大模塊組成。主控制模塊主要包括PID計算、控制以及溫度采集等部分。