第七章自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計

第七章自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計第一節(jié)自動檢測系統(tǒng)及設(shè)計原則第二節(jié)自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計步驟第三節(jié)加熱爐溫度測控系統(tǒng)設(shè)計第四節(jié)在線微量水分測量系統(tǒng)設(shè)計第五節(jié)啤酒瓶殘留清洗液在線檢測系統(tǒng)設(shè)計第六節(jié)空氣壓縮機的曲軸工作應(yīng)力測試第一節(jié)自動檢測系統(tǒng)及設(shè)計原則自動檢測系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)就是獲取原始被測量的傳感器或有關(guān)的敏感元件，實現(xiàn)一次變換?？紤]到它們的敏感、變換原理或特性的限制以及外界影響，一次變換后的信號通常滿足不了測量與控制的要求。因此總要經(jīng)過一些中間環(huán)節(jié)進行處理，實現(xiàn)信號放大、阻抗匹配、干擾抑制、濾波等功能。這樣可以按照一定的規(guī)律或方式構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)檢測系統(tǒng)。一、開環(huán)檢測系統(tǒng)開環(huán)檢測系統(tǒng)又稱直接變換型檢測系統(tǒng)，其特點是信號的流動只沿著從輸入到輸出的一個方向(正向)進行，如圖7—1所示。開環(huán)檢測系統(tǒng)是由一系列環(huán)節(jié)串聯(lián)而成的。

圖7-1開環(huán)檢測系統(tǒng)示意圖圖中，Gl、G2

、G3、…Gn分別為各環(huán)節(jié)的傳送函數(shù),則該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：G＝GlG2G3．．．Gn若各環(huán)節(jié)的靜態(tài)靈敏度分別為K1、K2、…Kn，則該系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度K為各個環(huán)節(jié)的靈敏度的乘積，即

K＝KlK2K3…Kn

如果各個環(huán)節(jié)本身的相對誤差為δ1、δ2、δ3、…δn，則該系統(tǒng)輸出端的相對誤差δ為各個環(huán)節(jié)的相對誤差之和，即δ＝δ1+δ2+δ3+…δn=因此，為了減小開環(huán)測量系統(tǒng)的誤差，必須減小各個環(huán)節(jié)的誤差?？梢?，開環(huán)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。易于實現(xiàn)、可靠性較高。但開環(huán)檢測系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的誤差以及由它們引入的干擾都將直接影響檢測結(jié)果，因此對每一個環(huán)節(jié)的準確度和抗干擾能力都要求較高。為此，發(fā)展了閉環(huán)檢測系統(tǒng)。二、閉環(huán)檢測系統(tǒng)圖7-2閉環(huán)檢測系統(tǒng)示意圖如圖7-2所示，正向通路各組成環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為Kl、K2…Kn，反饋回路各組成環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為β1、β2、…βm．若分別考慮正向通路的傳遞函數(shù)K和反饋回路的傳遞函數(shù)β，則可分別寫作K=K1K2…Kn=β＝β1β2…βm＝閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Kf為：當Kβ〉〉1時，由上式可得：由此可知，正向通道各環(huán)節(jié)的誤差對測量系統(tǒng)的輸出基本沒有什么影響，系統(tǒng)輸出端的誤差主要由反饋回路的誤差所決定。因此，只要反饋回路具有較高的精度，即可保證整個系統(tǒng)具有較高的精度。結(jié)論：對于閉環(huán)式檢測系統(tǒng)，由于反饋回路內(nèi)的各環(huán)節(jié)特性不全或很少造成測量誤差，因此采用大回路閉環(huán)，使更多的電路置于閉環(huán)中會更有利。對于開環(huán)檢測系統(tǒng)，容易造成誤差的部分應(yīng)考慮采用閉環(huán)方法。因此，對檢測精度要求較高的檢測系統(tǒng)，應(yīng)將開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)巧妙地組合在一起加以應(yīng)用，才能提高自動檢測系統(tǒng)的精度。三、自動檢測系統(tǒng)設(shè)計原則1、設(shè)計要求：（1）性能穩(wěn)定：即系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)具有時間穩(wěn)定性。（2）精度符合要求：精度主要取決于傳感器、信號調(diào)節(jié)采集器等模擬變換部件。（3）有足夠的動態(tài)響應(yīng)：現(xiàn)代檢測中，高頻信號成分迅速增加，要求系統(tǒng)必須具有足夠的動態(tài)響應(yīng)能力。（4）具有實時和事后數(shù)據(jù)處理能力：能在實驗過程中處理數(shù)據(jù)，便于現(xiàn)場實時觀察分析，及時判斷實驗對象的狀態(tài)和性能。實時數(shù)據(jù)處理的目的是確保實驗安全、加速實驗進程和縮短實驗周期。系統(tǒng)還必須有事后處理能力，待試驗結(jié)束后能對全部數(shù)據(jù)做完整、詳盡的分析。（5）具有開放性和兼容性：主要表現(xiàn)為檢測設(shè)備的標準化。計算機和操作系統(tǒng)具有良好的開放性和兼容性?？梢愿鶕?jù)需要擴展系統(tǒng)硬件和軟件，便于使用和維護。2、設(shè)計原則：（1）環(huán)節(jié)最少原則：組成自動檢測系統(tǒng)的各個元件或單元通常稱為環(huán)節(jié)。（2）精度匹配原則：在對檢測系統(tǒng)進行精度分析的基礎(chǔ)上．根據(jù)各環(huán)節(jié)對系統(tǒng)精度影響程度的不同和實際可能，分別對各環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當?shù)木确峙洌龅角〉胶锰?，這就是精度匹配原則。(3)阻抗匹配原則：如前所述，測量信息的傳輸是靠能量流進行的。因此，設(shè)計檢測系統(tǒng)時的一條重要原則是要保證信息能流最有效的傳遞。這個原則是由四端網(wǎng)絡(luò)理論導出的，亦即檢測系統(tǒng)中兩個環(huán)節(jié)之間的輸入阻抗與輸出阻抗相匹配的原則。

(4)經(jīng)濟原則：在設(shè)計過程中，要處理好所要求的精度與儀表制造成本之間的矛盾。要盡量采用合理的結(jié)構(gòu)型式與合理的工藝要求，恰當?shù)剡M行各環(huán)節(jié)的靈敏度分配和誤差分配，盡量以最少的環(huán)節(jié)、最低的成本建立起高精度的檢測系統(tǒng)。(5)標準化與通用性原則：為縮短研制周期．便于大批量生產(chǎn)和使用過程中的維修，在設(shè)計中應(yīng)盡量采用已有的標準零部件，對新設(shè)計的零部件也要考慮到今后在其他方面可能使用的通用性問題。第二節(jié)自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計步驟自動檢測系統(tǒng)的分析自動檢測系統(tǒng)總體方案的設(shè)計自動檢測系統(tǒng)硬件的設(shè)計自動檢測系統(tǒng)軟件的設(shè)計系統(tǒng)集成一、自動檢測系統(tǒng)的分析檢測系統(tǒng)的分析是確定系統(tǒng)的功能、技術(shù)指標及設(shè)計任務(wù)，是設(shè)計檢測系統(tǒng)總方向的重要階段，主要是對要設(shè)計的系統(tǒng)運用系統(tǒng)論的觀點和方法進行全面的分析和研究，以便明確對本設(shè)計課題提出了哪些要求和限制，了解被測對象的特點、所要求的技術(shù)指標和使用條件等等。(1)首先明確檢測系統(tǒng)必須實現(xiàn)的功能和需要完成的測量任務(wù)。包括被測參數(shù)的定義和性質(zhì)、被測量的數(shù)量、輸入信號的通道數(shù)、測量結(jié)果的輸出形式等。(2)了解設(shè)計任務(wù)所規(guī)定的性能指標。為了明確設(shè)計目標，應(yīng)當了解對于被測參數(shù)的測量精度、測量速度、極限變化范圍和常用測量范圍、分辨率、動態(tài)特性、誤差等方面的要求，以及對于儀器儀表的檢測效率、通用程度和可靠性等要求。(3)了解測量系統(tǒng)的使用條件和應(yīng)用環(huán)境。首先應(yīng)當了解在規(guī)定的使用條件下，存在哪些影響被測參數(shù)的其他因素，以便在設(shè)計時設(shè)法消除其影響。二、自動檢測系統(tǒng)總體方案的設(shè)計1、確定系統(tǒng)的控制方式自動檢測系統(tǒng)的控制方式根據(jù)被測對象測試要求確定，其控制方式如果按照信號傳輸方式可分為開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)，或是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。按實現(xiàn)方式可以分為：手動控制、自動控制和半自動控制。2、輸入、輸出通道及外圍設(shè)備的選擇自動檢測系統(tǒng)中與計算機相連的輸入輸出通道，通常根據(jù)被測對象參數(shù)的多少來確定，并根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模及要求，配以適當?shù)耐鈬O(shè)備，如打印機、CRT、磁盤驅(qū)動器、繪圖儀等。選擇時應(yīng)考慮以下一些問題。

（1）被測對象參數(shù)的數(shù)量；（2）各輸入、輸出通道是串行操作還是并行操作；（3）各通道數(shù)據(jù)的傳輸速率；（4）各通道數(shù)據(jù)的字長及選擇位數(shù)；（5）對顯示、打印有何要求3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮散熱、電磁兼容性、防沖振、維護性等。創(chuàng)造使設(shè)備正常、可靠地工作的良好環(huán)境。具體要求如下。（1）充分貫徹標準化、通用化、系列化、模塊化要求；（2）人機關(guān)系諧調(diào)，符合有關(guān)人機關(guān)系標準，使操作者操作方便、舒適、準確；（3）設(shè)備具有良好的維護性，需經(jīng)常維修的單元必須具有良好的可拆性；（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足設(shè)備對強度要求，盡量減少重量，縮小體積；（5）盡量采用成熟技術(shù)，采用成熟、可靠的結(jié)構(gòu)形式和零、部件；（6）造型協(xié)調(diào)、美觀、大方、色彩宜人。根據(jù)使用場地和用途的不同需求，可采用固定機柜式、移動方艙式和便攜機箱式等多種結(jié)構(gòu)形式。4、畫出系統(tǒng)原理圖基于以上方案選擇之后，要畫出一個完整的自動檢測系統(tǒng)原理框圖；其中包括各種傳感器、變送器、外圍設(shè)備、輸入輸出通道及微型計算機。它是整個系統(tǒng)的總圖，要求簡單，清晰，明了。三、自動檢測系統(tǒng)硬件的設(shè)計1、微型計算機的選擇微型計算機是自動檢測系統(tǒng)的核心，對系統(tǒng)的功能、性能價格以及研發(fā)周期等起著至關(guān)重要的作用。一般根據(jù)系統(tǒng)要求的硬件和軟件功能選擇計算機類型。為了加快設(shè)計速度，縮短研制周期，應(yīng)盡可能采用熟悉的機型或利用現(xiàn)有系統(tǒng)進行改進。目前自動化領(lǐng)域應(yīng)用較廣的計算機產(chǎn)品種類很多，常用的有PC機和單片機兩種。在選擇時，首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)具體要求，確定是采用現(xiàn)成的微機系統(tǒng)或者是采用某種微處理器芯片研制專用系統(tǒng)。自動檢測系統(tǒng)的許多功能與主機的字長、尋址范圍、指令功能、處理速度、中斷能力以及功耗都有著密切關(guān)系，因此，在選擇時應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能要求選擇最適合的微型計算機作為主機，提高整個系統(tǒng)的性能價格比。2、檢測元件的選擇

在確定方案的同時，必須選擇好被測參數(shù)的測量元件。如何根據(jù)具體的檢測目的、檢測對象以及檢測環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。傳感器必須根據(jù)一下原則進行選擇。（1）靈敏度傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小，即被測量稍有微小變化，傳感器即有較大的輸出。但靈敏度越高，與測量信號無關(guān)的外界噪聲也容易混入，并且噪聲也會被放大。因此，對傳感器往往要求有較大的信噪比。（2）線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。（3）響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性必須在所測頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。實際傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，但延遲時間越短越好。（4）穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性是指經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。為了保證穩(wěn)定性，在選用傳感器之前應(yīng)對使用環(huán)境進行調(diào)查，以選擇合適的傳感器類型。（5）精確度傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測量真值的對應(yīng)程度。因為傳感器處于檢測系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實地反映被測量，對整個檢測系統(tǒng)具有直接影響。然而，傳感器的精確度也并非越高越好，因為還要考慮到經(jīng)濟性。傳感器精確度愈高，價格越昂貴，因此應(yīng)從實際出發(fā)來選擇傳感器?？傊?，除了以上選用原則以外，還應(yīng)盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修和便于更換等條件。3、模擬量輸入通道的設(shè)計（1）數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式在自動檢測系統(tǒng)中，選擇何種結(jié)構(gòu)形式采集數(shù)據(jù)，是進行模擬量輸入通道設(shè)計中首先要考慮的問題。圖7-3所示給出兩種結(jié)構(gòu)形式。圖7-3兩種模擬量輸入通道兩者的比較：（a）圖由于各參數(shù)是串行輸入的，所以轉(zhuǎn)換時間比較長。但它的最大優(yōu)點是節(jié)省硬件開銷。這是目前應(yīng)用最多的一種模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)形式。（b）圖中，每個模擬量輸入通道都增加了一個S/H。其目的是可以采用同一時刻的各個參數(shù)，以便進行比較。（2）A/D轉(zhuǎn)換器的選擇一般根據(jù)被測對象的實際要求選擇A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不僅決定采集電路所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓動態(tài)范圍，也很大程度影響采集電路的轉(zhuǎn)換精度。因此，應(yīng)根據(jù)對采集電路轉(zhuǎn)換范圍與轉(zhuǎn)換精度兩方面要求選擇A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。（3）采樣/保持器的選擇為了保證A/D轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定輸出，要求在A/D轉(zhuǎn)換期間其被轉(zhuǎn)換模擬信號保持不變，因此，在A/D轉(zhuǎn)換器前必須加設(shè)采樣/保持器。由于采樣/保持器在保持階段一直保持著采樣階段結(jié)束時刻的輸入模擬信號的瞬時值，因此，A/D轉(zhuǎn)換器只要在采樣/保持器的保持階段內(nèi)進行和完成A/D轉(zhuǎn)換，就能得到準確穩(wěn)定的數(shù)字輸出。自動檢測系統(tǒng)硬件電路可以先采用某種信號作為激勵，然后通過檢查電路能否得到預(yù)期的響應(yīng)來驗證電路是否正常。但是檢測系統(tǒng)的硬件電路功能的調(diào)試沒有相應(yīng)的驅(qū)動程序很難實現(xiàn)。通常采用的方法是編制一些小的調(diào)試程序，分別對相應(yīng)的各硬件單元電路的功能進行檢查，而整各系統(tǒng)的硬件功能必須在硬件和軟件設(shè)計完成之后才能進行。4、硬件調(diào)試四、自動檢測系統(tǒng)軟件的設(shè)計軟件設(shè)計的質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的正確使用和效率。軟件的設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試及維護常要花費巨大的精力和時間。一個好的軟件應(yīng)具有正確性、可靠性、可測試性、易使用性及易維護性等多方面的性能。1、軟件的總體結(jié)構(gòu)當明確軟件設(shè)計的總?cè)蝿?wù)之后，即可進入軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。一般采用模塊化結(jié)構(gòu)自頂向下把任務(wù)從上到下逐步細分，一直分到可以具體處理的基本單元為止，如圖7-4所示。圖7-4模塊化結(jié)構(gòu)模塊的劃分有很大的靈活性，但也不能隨意劃分，劃分時應(yīng)遵循以下原則：（1）每個模塊應(yīng)具有獨立的功能，能產(chǎn)生明確的結(jié)果；（2）模塊之間應(yīng)盡量相互獨立，以限制模塊之間的信息交換，以便利于模塊的調(diào)試；（3）模塊長度適中。若模塊太長，分析和調(diào)試比較困難；若過短則模塊的連接太復雜，信息交換太頻繁，附加開銷太大。2、軟件開發(fā)平臺

開發(fā)環(huán)境的任務(wù)是提供用戶編寫程序代碼，編譯和連接程序并生成可執(zhí)行程序的環(huán)境。根據(jù)自動檢測系統(tǒng)硬件組成形式不同，其軟件開發(fā)環(huán)境也不盡相同。對于標準總線檢測系統(tǒng)，只需選擇一種高級語言進行編程，所以可以直接采用現(xiàn)有的商品程序開發(fā)環(huán)境，如LabVIEW、VC++、VB等，對于單片機檢測系統(tǒng)，需要選擇匯編語言或C語言進行開發(fā)。3、軟件程序設(shè)計軟件程序設(shè)計是按照“自頂向下”的方法，不管檢測儀器或系統(tǒng)的功能怎樣復雜，分析設(shè)計工作都能有計劃有步驟地進行。并且為了使程序便于編寫、調(diào)試和排除錯誤，也為了便于檢驗和維護，總是設(shè)法把程序編寫成一個個結(jié)構(gòu)完整、相對獨立的程序段，這就是所謂的一個程序模塊。“自頂向下”的軟件設(shè)計方法編寫程序模塊應(yīng)遵守下列原則。（1）適當劃分模塊。對于每一個程序模塊，應(yīng)明確規(guī)定其輸人、輸出和模塊的功能；（2）模塊功能獨立。一旦認定一部分問題能夠歸入一個模塊之內(nèi)，就不要再進一步設(shè)想如何來實現(xiàn)它，即不要糾纏細枝末節(jié)；（3）對每一個模塊作出具體定義，包括解決某問題的算法、允許的輸入輸出值范圍；（4）在模塊中只有循環(huán)、順序、分支三種基本程序結(jié)構(gòu)；（5）可利用已有的成熟的程序模塊。如加、減、乘、除、開方、延時程序、顯示程序等。4、軟件調(diào)試為了驗證編制出來的軟件無錯，需要花費大量的時間調(diào)試，有時調(diào)試工作量比編制軟件本身所花費的時間還長。軟件調(diào)試也是先按模塊分別調(diào)試，直到每個模塊的預(yù)定功能完全實現(xiàn)，然后再鏈接起來進行總調(diào)。自動檢測系統(tǒng)的軟件不同于一般的計算和管理軟件，需要和硬件密切相關(guān)，因此只有在相應(yīng)的硬件系統(tǒng)中進行調(diào)試才能最后證明其正確性。5、軟件的運用、維護和改進

經(jīng)過測試的軟件仍然可能隱含著錯誤。同時用戶的要求也經(jīng)常會發(fā)生變化。實際上，用戶在儀表或整個系統(tǒng)未正式運行之前，往往并沒有把所有的要求都提完全。當投運后，用戶常常會改變原來的要求或提出新的要求。此外．儀表或系統(tǒng)運行的環(huán)境也會發(fā)生變化，所以在運行階段需要對軟件進行維護，即繼續(xù)排錯、修改和擴充。另外，軟件在運行中，設(shè)計者常常會發(fā)現(xiàn)某些程序模塊雖然能實現(xiàn)預(yù)期功能，但在算法上不是最優(yōu)的或在運行時間占用內(nèi)存等方面還有改進的必要，也需要修改程序，使其更完善。.五、系統(tǒng)集成

經(jīng)過硬件、軟件單獨調(diào)試后，即可進入硬件、軟件系統(tǒng)集成，即將硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)集成在一起進行聯(lián)調(diào)，找出硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間不相匹配的地方，反復修改和調(diào)試，直至排除所有錯誤并達到設(shè)計要求。實驗室調(diào)試工作完成以后，即可組裝成機，移至現(xiàn)場進行運行和進一步調(diào)試，并根據(jù)運行及調(diào)試中的問題反復進行修改。第三節(jié)加熱爐溫度測控系統(tǒng)設(shè)計溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計要求與組成溫度測控系統(tǒng)的硬件電路溫度測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計一、溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計要求與組成1、溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計要求如下：（1）該系統(tǒng)被控對象為用燃燒天然氣加熱的8座退火爐。則具有8爐模擬量輸入通道和8路模擬量輸出通道。（2）能夠進行恒溫控制，也能按照一定的升溫曲線控制，溫度測量范圍為0～1000°C。（3）采用大林算法，可以實現(xiàn)滯后一階系統(tǒng)沒有超調(diào)量或有很少超調(diào)量。（4）采用4位LED數(shù)碼管顯示，一位顯示通道數(shù)，三位顯示溫度。（5）具有超限報警功能。超限時，將發(fā)出聲光報警信號。（6）有掉電保護功能，以防止在突發(fā)掉電事故時，能及時地保護重要的系統(tǒng)參數(shù)不丟失。（7）具有16個鍵碼，10個數(shù)字鍵，6個功能鍵。2、溫度測控系統(tǒng)的組成與工作原理圖7-5退火爐溫控系統(tǒng)原理圖（1）組成系統(tǒng)由主機、輸入通道、輸出通道、鍵盤、顯示器及報警裝置組成。

被測參數(shù)溫度值由熱電偶測量后得到mV信號，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成0～5V電壓信號；由多路開關(guān)把8座退火爐的溫度測量信號分時地送到采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，進行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過I/O接口傳入到處理器。在CPU中進行數(shù)據(jù)處理（數(shù)字濾波，標度變換和數(shù)字控制計算）后，一方面送去顯示，并判斷是否需要報警；另一方面與給定值進行比較，然后根據(jù)偏差值進行控制計算?？刂破鬏敵鼋?jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號，以帶動電動執(zhí)行機構(gòu)動作。當采樣值大于給定值時，把天然氣閥門關(guān)小，反之將開大閥門。這樣，通過控制退火爐的天然氣的流量，達到控制溫度的目的。（2）測控系統(tǒng)工作原理二、溫度測控系統(tǒng)的硬件電路1、主機電路圖7-6主電路線圖圖主機電路由8031、存儲器和I/O接口電路組成，擴展的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量的大小與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與控制功能有關(guān)，設(shè)計還要留有一定的裕量。因此，選用了2764作為程序存儲器，容量為8K，6264作為數(shù)據(jù)存儲器，容量為8K。系統(tǒng)還必須配備鍵盤、顯示以及報警裝置，因此擴展了I/O接口電路8255，增加了系統(tǒng)的I/O口功能。

為了使各個接口能正常工作，系統(tǒng)采用了譯碼電路對所有端口進行地址分配。根據(jù)系統(tǒng)中接口的數(shù)量，采用74LS154（4-16譯碼器）作為本系統(tǒng)的譯碼電路。其接口電路如圖7-7所示。圖7-7譯碼接口電路2、檢測元件及溫度變送器根據(jù)退火爐的溫度測量范圍為0～1000°C，檢測元件選用鎳鉻－鎳鋁熱電偶（分度號為K），其對應(yīng)輸出信號為0～41.2643mV。溫度變送器選用集成一體化變送器，在0～1010°C時對應(yīng)輸出為0～5V。根據(jù)要求本系統(tǒng)使用12位A/D轉(zhuǎn)換器，因此，采樣分辨度為1010/4096≈0.250C/LSB。其溫度－數(shù)字量對照如表7-1所示。溫

度0C01002003004005006007008009001010熱電偶輸出（mV）04.108.1412.2116.4020.6524.9029.1333.2937.3341.66變送器輸出（V）00.490.981.471.972.482.993.504.004.485.00A/D輸出（H）0001913224B364E7F0991B33CCDE56FFF表7-1溫度－數(shù)字量對照表3、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)采樣圖7-8數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)采用12位A./D轉(zhuǎn)換器AD574與8031的接口電路，如圖7-8所示。由8031數(shù)據(jù)總線經(jīng)74LS175控制多路開關(guān)的選擇控制端C,B,A以及禁止鎖存端INH，選擇一路被測參數(shù)通過CD4051，送到采樣/保持器的輸入端。采樣/保持器的工作狀態(tài)由A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)束標志STS的狀態(tài)控制。當A/D轉(zhuǎn)換正在進行時，STS輸出高電平，經(jīng)反相后，變?yōu)榈碗娖?，送到S/H的邏輯控制端，使S/H處于保持狀態(tài)，此時A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由8031的數(shù)據(jù)總線分兩次讀到CPU寄存器。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，STS由高電平變?yōu)榈碗娖剑聪嗪蟪谈唠娖?，因而使S/H進入采樣狀態(tài)。

4、掉電檢測電路圖7-9掉電檢測電路如圖7-9所示，掉電保護功能的實現(xiàn)有兩種方案：①選用E2PROM，將重要數(shù)據(jù)置于其中；②加接備用電池。穩(wěn)壓電源和備用電池分別通過二極管接于存儲器的Ucc端，當穩(wěn)壓電源電壓大于備用電池電壓時，電池不供電；當穩(wěn)壓電源掉電時，備用電池工作。儀器內(nèi)還應(yīng)設(shè)置掉電檢測電路，以便一旦檢測到失電失，將斷點內(nèi)容保護起來。圖中CMOS555接成單穩(wěn)形式，掉電時3端輸出低電平脈沖，作為中斷請求信號。光電耦合器的作用時防止干擾而產(chǎn)生誤動作。在掉電瞬時，穩(wěn)壓電源在大電容支持下，仍維持供電(約幾十毫秒)，這段時間內(nèi)，主機執(zhí)行中斷服務(wù)程序，將斷點和重要數(shù)據(jù)置入RAM。5、鍵盤/顯示接口電路圖7-10鍵盤/顯示接口電路鍵盤與顯示電路可通過可編程接口芯片8255A與8031連接，其原理電路圖如圖7-10所示。為了使系統(tǒng)能夠直觀地顯示其溫度變化，系統(tǒng)設(shè)置了4位LED顯示器。設(shè)顯示緩沖單元位28H和29H；其顯示器第一位顯示通道號；第2~4位顯示溫度，最大為9990C。為了便于操作，顯示方法設(shè)計成兩種方式：第一，自動循環(huán)顯示，在這種方式下，計算機可自動地把采樣的1?！?＃退火爐的溫度不間斷地依次進行顯示；第二，定點顯示，即操作人員可隨時任意查看某一座退火爐的溫度，且兩種顯示方式可任意切換。由圖7-10看出，系統(tǒng)采用的是以74LS373作為鎖存器的靜態(tài)顯示方法。74LS48為共陰極譯碼/驅(qū)動器，LED數(shù)碼管采用的是CS5137T，8255A作為顯示接口。為了便于完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、顯示方式選擇、自動/手動安排，以及系統(tǒng)的啟動和停止，系統(tǒng)設(shè)置了一個4×4矩陣鍵盤，其中，0～9為數(shù)字鍵，A～F為功能鍵。由圖7-10可知，鍵盤接口采用8255A的PA3～PA0為行掃描接口，從B口的PB3～PB0讀入列值，該系統(tǒng)鍵盤處理為中斷方式。因此，8255A的B口工作在兩種方式下：在顯示狀態(tài)下為輸出方式；在鍵盤中斷服務(wù)程序處理過程中為輸入方式。6、報警電路圖7-11報警接口電路本系統(tǒng)選用的是聲光報警電路，采用雙色發(fā)光二極管進行安全顯示，用8255A的PA7驅(qū)動晶體管8050，控制語音芯片9561帶動喇叭發(fā)音，實現(xiàn)聲音報警的目的。工作原理：雙色發(fā)光二極管進行顯示報警時，當LAi為高電平，而LBi為低電平時，發(fā)光二極管顯示綠色；反之，當LAi為低電平，而LBi為高電平時，發(fā)光二極管顯示紅色；若兩者均為高電平時，顯示黃色。系統(tǒng)每個發(fā)光二極管指示一座退火爐，溫度正常時顯示綠色，高于上限值時顯示紅色，低于下限值時顯示黃色。顯示顏色的控制分別由8255A的C口和8031的P1口來實現(xiàn)。7、D/A轉(zhuǎn)換電路圖7-12部分D/A轉(zhuǎn)換電路該系統(tǒng)還設(shè)有8路D/A轉(zhuǎn)換電路，分別將處理器輸出給各路的控制量轉(zhuǎn)換成模擬量，送至對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。A/D轉(zhuǎn)換器選用8路、雙緩沖的DAC0832，輸出為4～20mA電流信號。其中一路D/A轉(zhuǎn)換電路如圖7-12所示，其它7路類同。三、溫度測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計整個系統(tǒng)的軟件采用結(jié)構(gòu)化與模塊化設(shè)計，分為主程序、中斷服務(wù)程序，以及許多功能獨立模塊。主程序主要包括初始化模塊、監(jiān)控主程序模塊、自診斷程序模塊、鍵掃描與處理模塊、顯示模塊和手動模塊等幾部分組成。1、系統(tǒng)主程序初始化與監(jiān)控主程序、自診斷主程序、鍵掃描與處理程序的框圖分別如圖7-13、圖7-14、圖7-15所示圖7-13主程序模塊流程圖圖7-14自診斷模塊流程圖圖7-15鍵掃描處理程序流程圖系統(tǒng)上電復位之后，單片機首先進入系統(tǒng)的初始化模塊，該模塊的主要任務(wù)是設(shè)置堆棧指針、初始化RAM工作區(qū)以及通道地址、設(shè)置中斷和開中斷等，模塊流程如圖6-16所示。圖7-16初始化模塊流程圖然后程序進入自診斷模塊，在該模塊中，先由程序自身設(shè)置一個測試數(shù)據(jù)，由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，在將多路開關(guān)、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入CPU，CPU把得到的數(shù)據(jù)與原來設(shè)定的數(shù)據(jù)相比較，如兩者的差距在允許范圍之內(nèi)，表明自診斷正常，程序可以進行；否則出錯，表明儀器工作不正常，發(fā)出警告，等待及時處理。2、定時采樣處理中斷服務(wù)程序定時器采樣處理中斷服務(wù)程序即5s定時中斷服務(wù)程序，主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標度變換、報警處理、顯示通道號及溫度、直接數(shù)字控制計算和控制輸出等。其流程圖如圖7-17所示。圖7-17中斷服務(wù)程序流程圖本程序的基本思想是8個通道按功能模塊一個一個地處理。如先采樣全部數(shù)據(jù)，再完成各個通道的數(shù)字濾波等等，直到控制輸出。所以采用模塊設(shè)計方法，即每一個功能設(shè)計成一個模塊。這樣讓程序一是比較簡單，二是采集數(shù)據(jù)存放、處理均比較方便。因此，在中斷服務(wù)程序中，只需按順序調(diào)用各功能模塊子程序即可。（1）數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集程序的主要任務(wù)是巡回檢測8個退火爐的溫度參數(shù)，并把它們存放在外部RAM指定單元。巡回檢測的方法是先把8個通道各采樣一次，然后再采樣第二次，第三次，···直到每個通道均采樣5次為止。其采樣程序流程圖如圖7-18所示。圖7-18采樣程序流程圖（2）報警處理模塊其報警程序流程圖如圖7-19所示。該程序基本思想是：設(shè)8座退火爐上、下限報警值分別與檢測值比較，并將相應(yīng)的報警標志位置位。圖7-19溫度報警處理程序流程圖7.4在線微量水分測量系統(tǒng)設(shè)計

7.4.1系統(tǒng)總體設(shè)計 任何自動檢測系統(tǒng)乃至任何工程系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)都源于實際需求。在高壓電器設(shè)備中，絕緣材料的含水率是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。必須對其中的絕緣介質(zhì)進行干燥以降低含水量。為了對其干燥過程進行自動控制，達到既滿足干燥要求又能夠盡量節(jié)能、提高干燥效率的目的，就必須對干燥進程進行定量測量。圖8-2微量水分測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖7.4.2傳感器選用1．金電極2．感濕膜3．Ag—Pd電極圖8-3感濕芯片外形尺寸圖氧化鋁濕度傳感器利用氧化鋁對水分強的吸附性制成。工作時被測氣體中的水分子通過金層上的網(wǎng)孔被氧化鋁的細孔壁吸附或釋放，并與周圍的水蒸氣壓迅速達到平衡。由于水分的介電常數(shù)大，細孔壁吸附水分子后等效電容變大，即電容量隨濕度變化，濕度越大電容量也越大，反之則小。這種傳感器具有響應(yīng)速度快、抗結(jié)露及抗污染能力強、無需加熱清洗、長期使用性能穩(wěn)定可靠等許多優(yōu)點，測量范圍，因此適于超微量水分測量。7.4.3信號調(diào)理電路設(shè)計

圖8-4差動脈沖調(diào)寬電路原理圖圖8-5差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖輸出的直流電壓與傳感器電容和固定電容之間的差值成正比。差動脈沖調(diào)寬電路只采用直流電源，無需振蕩器，也就不存在載波波形純度的要求；輸出信號一般為10kHz——1MHz的矩形脈沖，只要配置一個低通濾波器就能得到直流信號；對矩形波的純度要求不高，也不需要相敏檢波器，從而避免了伴隨而來的線性問題。前置電路的輸出信號經(jīng)二級有源低通濾波器濾波后得到了直流信號。為保證能對信號進行直接模數(shù)轉(zhuǎn)換、提高信號的抗干擾能力及儀器的靈敏度，還必須對信號進行放大處理。放大后的直流信號通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，再送入8031單片機的CPU中，處理后送顯示或打印。本系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器采用12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A，它能使系統(tǒng)達到較高的測量精度。數(shù)字系統(tǒng)除了核心單元8031外，還擴展了8KB的程序存儲器EPROM2764和8KB的數(shù)據(jù)存儲器RAM6264，并行接口芯片8255作為單片機與顯示器、鍵盤及打印機的接口，實現(xiàn)參數(shù)的預(yù)置及濕度值的顯示及打印。7.4.4微量水分測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計用MCS-51匯編語言編程，經(jīng)調(diào)試通過的程序固化在EPROM之中。系統(tǒng)啟動后，首先由主程序完成各種初始化工作，包括8031片內(nèi)特殊功能寄存器SFR的初始化，8255等接口的初始化及數(shù)據(jù)緩沖區(qū)初始狀態(tài)的設(shè)定；然后發(fā)A／D啟動脈沖，采樣濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)標度變換后送顯示或打印。圖8-6主程序流程圖7.5啤酒瓶殘留清洗液在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

7.5.1設(shè)計任務(wù)需要將含有殘留清洗液的不合格瓶子剔除，確保實際用于灌裝的瓶酒瓶清洗干凈且不含清洗液殘留物。人工檢驗耗費工時，工人工作單調(diào)，容易造成視覺疲勞，檢驗的速度和精度都很有限。分辨率為1ml堿液或4ml自來水，檢測速度為72000瓶/小時，不合格瓶檢出率為99.99%，合格瓶誤檢出率為1%。7.5.2設(shè)計任務(wù)難點分析1檢測的高速性2檢測的非接觸性3分辨率要求高且被測物質(zhì)不唯一4自動剔除5較強的抗干擾能力，穩(wěn)定性、可靠性要求高7.5.3檢測原理研究圖8-7高頻殘留液檢測裝置示意圖圖8-8有殘液容器經(jīng)過時兩極間的等效電路有無殘留液的瓶子經(jīng)過時，在接收電極上產(chǎn)生的電流的變化量

Z2是激勵頻率、耦合電容、殘留液等效阻抗的函數(shù)，因此流過電極的電流的變化量是激勵電壓、激勵頻率、耦合電容、殘留液等效電阻的函數(shù)。耦合電容的大小取決于殘留液的體積，殘留液的等效電阻取決于殘留液體積和濃度，等效阻抗是殘留液數(shù)量和濃度的綜合體現(xiàn)。當激勵電壓和激勵頻率都是一定的時候，電流值只和殘留液的體積和濃度有關(guān)。于是，殘留液的有關(guān)信息被轉(zhuǎn)換為電流的變化量，實現(xiàn)了非電量到電量的轉(zhuǎn)換。圖8-9交流頻率為4.5MHz，電壓12V時,有殘留液和無殘留液時的曲線對比7.5.4檢測系統(tǒng)設(shè)計1激勵電壓和頻率的選擇單純從上式看來，激勵電壓越高，耦合電流的變化量就越大，檢測系統(tǒng)的靈敏度也就應(yīng)該越好。但通過實驗發(fā)現(xiàn)，當激勵源電壓增高到一定程度時，再進一步提高該電壓，噪聲影響將明顯增大，信噪比不僅不能提高反而下降。因此存在著激勵電壓的優(yōu)選問題。通過實驗，發(fā)現(xiàn)激勵電壓在12V——18V，頻率在6MHz——8MHz時效果較好。2電極設(shè)計

主要是確定電極的形狀、幾何尺寸、電極間距。檢測極板的形狀、幾何尺寸設(shè)計原則是能夠最有效的檢測單個被測瓶，并且在輸送帶上與被測瓶相鄰的其他待測瓶或已測瓶不會對正在實施的針對被測瓶的檢測產(chǎn)生干擾。換言之，應(yīng)該保證檢測電極能夠最有效的檢測處于兩檢測極板之間的被檢測瓶，而不會受到其前面的已經(jīng)檢測過的瓶子和后面的尚未進入檢測區(qū)的瓶子的干擾。唯有如此，才能夠?qū)Ρ粰z測瓶做出準確的判斷。將檢測電極設(shè)計為長方形，其長度設(shè)計為瓶子的直徑，其高度根據(jù)允許殘留液的上限確定。至于電極的厚度，則是在保證機械強度的前提下越薄越好。越薄意味著邊緣效應(yīng)的影響越小檢測電極之間的距離應(yīng)能根據(jù)被檢瓶的直徑進行調(diào)整。合適的電極間距對于提高靈敏度、降低誤檢率等有重要作用。極板間距應(yīng)該考慮多方面的因素，綜合考慮，多次調(diào)試，選擇最優(yōu)的距離。由于極板電容邊緣效應(yīng)的存在，檢測系統(tǒng)將受到來自檢測極板周圍的不銹鋼傳送帶、支架的影響。這種影響不僅使傳感系統(tǒng)靈敏度降低，而且會加重檢測系統(tǒng)的非線性，因此應(yīng)該盡量消除或減小它。檢測電極無法遠離傳送帶和支架，只能通過盡量減小電極間距、減小電極厚度、可靠接地、有效屏蔽來減小邊緣效應(yīng)的影響。3系統(tǒng)總體框圖圖8-10殘留液檢測系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)框圖激勵源利用晶體振蕩電路產(chǎn)生頻率和電壓值都很穩(wěn)定的振蕩信號，再經(jīng)過整形和功率放大電路后變成方波，將這個方波信號作為激勵信號。從激勵源出來的交流激勵信號施加于電極上，當有殘留液的容器處在兩個電極之間的檢測區(qū)域時，電極和其靠近的殘留液的截面形成兩個耦合電容C1、C2。殘留液相當于一個電阻R，該電阻連接兩個耦合電容。通過檢測極板之間的等效電導，就能獲取容器內(nèi)殘留液的信息。電容C1和電容C2的電容值的大小反映殘留液的體積大小，電阻R的大小反映殘留液導電能力的大小，電極之間的等效導納是殘留液體積和殘留液導電能力的綜合體現(xiàn)。從電極出來的耦合信號，經(jīng)過濾波、高頻放大電路放大，再經(jīng)過峰值檢波電路檢波，變換成直流電壓信號。直流電壓信號經(jīng)過低頻放大處理，再經(jīng)過運算電路變換就成了單片機能夠直接進行A/D采樣的電壓信號。通過A/D采樣，得到電壓的值和設(shè)定的值進行比較判斷，然后輸出一個信號到剔除器，剔除器將不合格瓶子予以剔除。4高穩(wěn)定性直流電源設(shè)計圖8-11以運算放大器為核心的極性變換電路事實上，由于內(nèi)容參數(shù)的離散性以及自舉電路結(jié)構(gòu)的影響，集成功放輸出端的電壓并不是絕對的VCC/2，從而造成正、負輸出電壓不平衡的現(xiàn)象。為此，將一只10～100kΩ的電位器替代原來有等值電阻構(gòu)成的分壓電路就可以克服這種輸出電壓不平衡的現(xiàn)象。具體電路如圖8-12所示，圖中功放選用的是LM386。通過調(diào)節(jié)功放的直流輸入電平，就可以在芯片的輸出端得到大小非常接近的正負電壓值了。該電路不僅能克服內(nèi)容參數(shù)的離散性以及自舉電路結(jié)構(gòu)的影響，也能同時克服正、負電源的負載不對稱所帶來的影響。圖8-12改進的以功率運算放大器為核心的極性變換電路5高頻激勵信號源設(shè)計圖8-15石英晶體多諧振蕩器電路6高頻傳感信號放大電路設(shè)計圖8-16高頻小信號諧振放大器7峰值檢波電路設(shè)計圖8-19帶運算放大器的峰值檢波器8低頻放大電路設(shè)計圖8-20低頻放大電路7.5.5數(shù)字處理單元設(shè)計7.6空氣壓縮機的曲軸工作應(yīng)力測試

選用通用測量儀器組成測量系統(tǒng)，其一般步驟如下：1)對待測產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工作情況進行分析，根據(jù)有關(guān)標準和規(guī)范制定測試方案。2)確定測試部位，合理布置測量點。3)選擇合適的應(yīng)變計、傳感器和測量儀器。4)進行測試，包括清理測量點、貼應(yīng)變片、校準儀器、裝接導線、