智能記錄儀在檢測實驗教學中的應用

付 青, 丁 金 華, 王 輝, 王 朋 亮, 季 田

( 大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

智能記錄儀近十年來在工業(yè)上已經(jīng)得到了廣泛的應用[1],然而在教學當中應用不是很廣泛[2]。 為了讓學生通過實驗更好地了解現(xiàn)代工業(yè)中常用的檢測裝置,不與實際脫節(jié),作者利用HMI液晶終端系統(tǒng)完成了智能記錄儀。

檢測技術(shù)中涉及多種類型的傳感器,例如電阻應變傳感器、電感位移傳感器、壓電傳感器、電容傳感器、光電旋轉(zhuǎn)編碼器、用于溫度測量的熱電偶和鉑電阻傳感器。一些傳感器內(nèi)部已有信號調(diào)理電路,可以直接輸出標準電流信號,如DC 0～10 mA,DC 4～20 mA或標準電壓信號,如0～5 V,0～10 V等,有的以頻率信號輸出。標準信號輸出的傳感器信號調(diào)理電路只需作簡單的放大與變換,對其他非標準信號,先經(jīng)過變送轉(zhuǎn)換成標準信號后再進行相應的調(diào)理電路。智能記錄儀涉及應變片的電橋電路變換、鉑電阻的恒流驅(qū)動及補償變換電路、熱電偶的信號變換電路,基本涵蓋了工科院校檢測技術(shù)中的傳感器種類,可以完成諸如力學中的梁的彎曲、扭轉(zhuǎn)實驗、拉壓力傳感器實驗、振動測量、溫度測量、齒輪周節(jié)誤差分析等實驗。

1 智能記錄儀硬件設計

智能記錄儀系統(tǒng)硬件配置框圖如圖1所示。

圖1 智能記錄儀系統(tǒng)框圖

1.1 中央處理器CPU

數(shù)據(jù)采集器的核心器件C8051F340是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU,帶有模擬多路器10位的單端/差分A/D,精確校準的12 MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時鐘乘法器,具有5個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列,4個通用的16位定時器,容許5 V輸入的多達40個I/O端口。

1.2 輸入/輸出板電路設計

在輸入信號中,對數(shù)據(jù)采集的準確性要高,所以必須考慮到隔離技術(shù),以提高抗干擾能力,從而使A/D采樣能夠良好的進行。本系統(tǒng)從傳感器來的毫伏級的電壓信號經(jīng)低溫漂運算放大器OP07放大到0～10 V后加到V/F變換器LM331的輸入端,LM331將輸出的頻率信號轉(zhuǎn)換成TTL電平,進過6N137光電耦合器送給單片機的I/O口作為定時器的計數(shù)脈沖。LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路,在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0 V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬,可達100 dB；線性度好,最大非線性失真小于0.01%,工作頻率低到0.1 Hz時尚有較好的線性；變換精度高,數(shù)字分辨率可達12位；該轉(zhuǎn)換電路線性良好,抗干擾能力強,輸出范圍在10 Hz～10 kHz,有利于提高系統(tǒng)的測試范圍。如此使得儀表的抗干擾能力大大提高,使儀表運行穩(wěn)定、可靠,

所以用LM331模塊代替CPU自帶的AD轉(zhuǎn)換功能。

1.3 液晶顯示及鍵盤

液晶顯示器可分為段位式LCD、字符式LCD和點陣式LCD。其中段位式LCD和字符式LCD只能用于字符和數(shù)字的簡單顯示,不能滿足圖形曲線和漢字顯示的要求。設計中智能儀器需要進行實時曲線圖、漢字、字符等顯示,因此選擇點陣式LCD。作為一款以微處理器為核心、集液晶漢字與圖形顯示為一體,具有無紙記錄、實時性好、通用性好、精度高、帶通信功能的智能化儀表,其精度、可靠性、性價比等綜合性能都需要考慮,最終采用了8″的迪文智能終端彩色顯示器,800×600的圖形點陣,型號為DMT80600S080-03WN,電源輸入電壓為4.5～26 V,HMI用戶接口有8個引腳和單片機連接進行通訊,實現(xiàn)人機交互。表1是HMI接口引腳說明。

表1 HMI接口引腳

由于迪文HMI的處理速度很快,所以不用判斷BUSY信號狀態(tài),懸空即可。其他引腳與單片機對應連接。HMI的串口模式為全雙工異步串口(UART),8N1模式,波特率1 200～115 200 b/s。HMI可以支持2000～2099年的陽歷和農(nóng)歷實時時鐘,為提供時間基準以確保歷史數(shù)據(jù)在時間上的不變性,它在掉電情況下仍能正常運行,走時準確。HMI終端帶有鍵盤接口,可支持8×8矩陣鍵盤,可實現(xiàn)人工設定或者功能切換等操作。

2 智能記錄儀軟件設計

2.1 信號輸入AD采樣

調(diào)理后的信號通過LM331轉(zhuǎn)換為頻率信號,利用CPU的定時器進行計數(shù),實現(xiàn)A/D采樣,最后得到A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果。最后經(jīng)過UART1串口的發(fā)送引腳再次隔離發(fā)送到HMI終端上顯示。為了使采樣的精度更準確,采用PCA中斷,邊沿觸發(fā)的捕捉方式,得到一個周期的采樣數(shù),取10個周期后再取平均值。

void PCA0_ISR (void) interrupt 11

{

if (CCF0)

{

CCF0=0;

pcacounter++;

fr331time=fr331time+PCA0CP0;

nnn++;

if (nnn>=10)

{

average=fr331time/10;

nnn=0;

fr331time=0;

}

}

}

2.2 HMI終端顯示

迪文HMI所有指令或者數(shù)據(jù)都是16進制(HEX)格式,對于字形(2字節(jié))數(shù)據(jù),采用MSB方式傳送,即高字節(jié)在前。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 HMI數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

HMI終端主要顯示文本、數(shù)據(jù)、曲線等功能,使用內(nèi)部標準指令,將程序模塊化、簡單化,這樣不但節(jié)省開發(fā)時間,還便于用戶修改與維護。所用的部分指令說明如下:

文本顯示指令:0xAA 0x55 0xCC 0x33 0xC3 0x3C

動態(tài)曲線顯示指令: 0xAA 0x74 <(Y0,Color0)…(Yi,Colori)> 0xCC 0x33 0xC30 0x3C

說明:

顯示字符串的起始位置 為Y軸的起始點和終點坐標

要顯示的字符串

背景色 前景色

液晶顯示動態(tài)曲線,需要實時描出變量的曲線趨勢圖,作者用顯示時斜率的值來定義曲線的變化幅度,把曲線按照其變化幅度的大小分成“大動態(tài)曲線”和“小動態(tài)曲線”。在顯示終端上可以用不同的方法來實現(xiàn),因為本實驗數(shù)據(jù)變化幅度不是很大,所以采用“小動態(tài)曲線”來實現(xiàn)動態(tài)的曲線。

小動態(tài)曲線可用0x74指令實現(xiàn),用指定的背景色(Bcolor)擦除 (X,Ys) 至(X,Ye)的垂直線,Ys為Y坐標起點,Ye為主Y坐標終點,在以后采樣點的位置顏色為Colori的點,可以同時在不同位置多個點,就是把采樣點當成X軸,不同變量采樣點結(jié)果作為Y軸,通過不停的采樣輸出刷新X坐標來實現(xiàn)。

HMI自帶實時時鐘,通過UATR1中斷,對讀取的時鐘接收,顯示在液晶上。

子程序代碼:

void send_byte(unsigned char f)//發(fā)送字節(jié)

{

SBUF1=f;

while ((SCON1 & 0x02)==0)

{;}

SCON1 &= 0xfd;

}

void send_str(unsigned char *p,unsigned char s)//向串口發(fā)送一個數(shù)據(jù)串

{

unsigned char m;

for(m=0;m

{ send_byte(*p); p++;}

}

void curv()//顯示實時曲線

{

send_byte(0xAA);

send_byte(0x74);

DATE=(RE[0]*100+RE[1]*10+RE[3])/20+100;//接受到的數(shù)據(jù),Y軸從100開始為起點

send_word (x);

send_word (100);

send_word (600);

send_word (0x001f);

send_word (DATE);

send_word (0xF800);

end();//幀尾

x++;//可根據(jù)X軸點間距設置x的增值

if(x>790)//X軸為800

{

x=50;//X軸從50開始起點

}

msec(1);//延時

}

2.3 下位機與記錄儀通信

本系統(tǒng)采用RS-232接口芯片MAX232作為通信口,用UART1來進行發(fā)送數(shù)據(jù),串口中斷來接受HMI發(fā)送的數(shù)據(jù)。單片機還留有zigbee接口,可以方便將來采用無線發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.4 鍵盤數(shù)據(jù)讀入

對數(shù)字鍵盤進行定時掃描,根據(jù)判斷結(jié)果置相應標志,以便主控程序執(zhí)行相應的子程序。

2.5 數(shù)據(jù)存儲

無紙記錄儀是一個實時存儲記錄的一種系統(tǒng),現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)需要保存、存檔以備以后可以查詢,本系統(tǒng)采用的CPU帶有USB 2.0接口,所以可以將實驗數(shù)據(jù)存到U盤,作為外部存儲器。便于從歷史數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)并完成指定的處理功能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,包括歷史數(shù)據(jù)顯示、歷史曲線繪制等。

3 智能記錄儀在教學中的應用

本系統(tǒng)測試采用鉑電阻PT100-溫度傳感器。方案為設計一個恒流源通過PT100熱電阻,通過檢測PT100上電壓的變化來換算成溫度。圖2為測溫原理圖。

圖2 PT100測溫原理圖

鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示[5]:

在0～650 ℃:Rt=R0(1+At+Bt2)

式中,A、B為常數(shù),A=3.968 47×10-3；B=-5.847×10-7。

由于公式計算較為復雜,所以采用軟件查表或線性插值法,從A/D輸入的電壓值再得出實時溫度值。鉑電阻常用的電壓信號獲取電路通常有電橋電路和恒流源電路,實際測溫中常采用恒流源電路。由于恒流源的作用,使得電壓輸出與電阻成良好的線性關(guān)系,測量精度得到了很好的保證,最后將電壓信號轉(zhuǎn)換為對應的溫度值實時顯示。為了使電阻和溫度關(guān)系盡量線性,減少誤差,在軟件設計中可采用數(shù)字濾波和非線性補償。具體方法由學生自選來進行編程,使實時曲線更接近于線性。

HMI液晶終端系統(tǒng)分為兩個通道,左側(cè)通道為溫度和電阻關(guān)系,右側(cè)通道為電壓與電阻關(guān)系。通過液晶終端可以使學生們更直觀地觀察溫度趨勢曲線和實時測量的電壓、電阻和溫度值。 圖3是實驗中記錄儀的界面,溫度值和電壓值會隨著阻值變化。

圖3 鉑電阻PT100測溫實驗記錄儀界面

4 結(jié)束語

智能記錄儀在自動化實驗裝置中的應用,解決了原先使用有紙記錄儀帶來的各種問題,提高了參數(shù)記錄精度,方便了數(shù)據(jù)保存和分析,提高了實驗效果,學生也可利用此系統(tǒng)進行單片機的編程,使之更形象地了解圖形化編程,同時也使學生接觸到了最新的自動化裝備。相信智能記錄儀在今后的教學實驗中能得到更為廣泛的應用。

[1] 謝焱,畢監(jiān)勃. 無紙記錄儀技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 自動化與儀器儀表, 2001(3):1-4.

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[3] 楊春燕,馬月輝,嚴世強. 多通道無紙記錄儀的研制和開發(fā)[J]. 實驗室研究與探索, 2002, 21(6):93-94.

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[5] 謝偉,文小玲. 鉑電阻測溫非線性補償?shù)难芯縖J]. 國外電子元器件, 2007(7):15-17.

[6] 張根源,陸瓊,何曉華. 一種帶集成WATCHDOG電路的無紙記錄儀的設計[J]. 計算機測量與控制, 2002, 10(7):485-487.