智能仪器的设计实例

第8章 智能仪器的设计
图8-17 多路远程温度检测系统框图
主机部分采用PC，从机的微处理器采用80C51单片机，从 机的信号输入通道由温度传感器、信号调理电路以及A/D转 换器等构成。主机与从机之间采用RS-485串行总线通信。
第8章 智能仪器的设计
检测系统的主要功能和技术指标如下： ❖ 能够同时检测N路温度，检测温度范围为0～400℃； ❖ 采用12位A/D转换器，同时采用过采样和工频周期求均值技
第8章 智能仪器的设计
8.5智能仪器设计实例
多路远程温度检测系统的设计
多路远程温度检测在工业、农业、日常生活等方面有着广 泛的应用，如粮库中多点温度的检测，区域性森林中各分散 点温度的监测以及火车车轮温度的检测等都需要大范围分布 检测点对温度进行监测。
8.5.1 检测系统总体设计
第8章 智能仪器的设计
术，温度分辨率达到0.007℃； ❖ 使用RS-485串行总线进行数据传输，传输距离大于1200m，
抗干扰能力强； ❖ 可由主机分别设置各从机的温度报警上、下限值，主机、从
机均具有报警功能； ❖ 主机可实时、定时收集各从机的数据，并具有保存数据、分
析24小时数据的功能。
8.5.2 硬件电路设计
第8章 智能仪器的设计
❖ AD620的基本特点为精确度高，使用简易，低通讯，低损耗，
应用广泛。
❖ AD620
第8章 智能仪器的设计
➢ 1、8引脚要跨接一电阻来调整 放大倍数，
➢ 4、7引脚接正负相等的工作电 压，
➢ 2、3接放大的电压即可从接脚 6输出放大后的电压值。
➢ 接脚5则是参考基准，如果接 地则脚6的输出即为与地之间 的相对电压。
温度处于0～210℃时，继电器J1所在桥臂电阻为R32，继电 器J2选择R5作为AD620的反馈电阻； 温度处于195～ 400℃时，继电器J1所在桥臂电阻为R31与R32的串联，继电 器J2选择R6作为AD620的反馈电组。系统在切换桥臂电阻 时同步改变放大倍数，达到自动改变量程、提高测量精度之 目的。
多路远程温度检测系统采用分布式检测结构，由一台主机系 统和多台从机系统构成。
➢ 从机根据主机的指令对各点温度进行实时或定时采集，测量 结果不仅能在本地存储、显示，而且可以通过串行总线将采 集数据传送至主机。
➢ 主机的功能是发送控制指令，控制各个从机进行温度采集， 收集从机测量数据，并对测量结果进行分析、处理、显示和 打印。
2. A/D转换电路的设计
第8章 智Baidu Nhomakorabea仪器的设计
❖ 本系统测量的是温度信号，不要求快速转换，可选用12位串 行A/D转换器MAX187。
12位串行A/D转换器MAX187
特性 ➢ 12位精度 ➢ 内部采样/保持电路，75KHZ采样速率 ➢ 单+5V电源工作 ➢ 低功耗：关断模式下2uF;5mA操作电流 ➢ 内部4.096V基准 ➢ 3线串行接口，SPI，QSPI和MICrowire兼容
➢ 热电阻测量精度高、性能稳定，使用方便，测量范围为200～600℃，完全满足设计要求。考虑到铂电阻的测量 精度较高，所以设计选择铂电阻PT100作为传感器。铂电 阻测量温度的原理是将温度的变化转变为电阻值的变化。 只要测出铂电阻的阻值即可换算出被测温度值。
第8章 智能仪器的设计
温度检测电路采用电桥放大器，如图8-18所示，主要由 集成稳压器LM317、电桥及仪用放大器AD620构成。 LM317用于给电桥电路提供直流电源，Rt为连接于电桥中 的铂电阻PT100，AD620是一个高精度、低价格的仪用放 大器，可通过外接电阻R进行各种增益的调整。
❖ 稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输 出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电 流的值一般为1.5mA。
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仪用放大器AD620
❖ 差动放大电路适合一般的信号放大电路，但是电路精密度较 差，且电路上变更放大增益时，必须调整两个电阻，影响整 个信号放大精度的原因更复杂。
1. 温度检测电路的设计
第8章 智能仪器的设计
➢ 集成温度传感器(如AD590、DS18B20)的特点是使用方 便、信号易于处理，但测温范围较窄，一般在200℃以下， 不能满足本设计的要求。
➢ 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，其优点是检 测精度高、测量范围宽，常用的热电偶从-50～1600℃均 可连续测量。但需要采用电路或软件等修正方法来补偿冷 端温度(t0≠0℃时)对测温的影响,使用不便。
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稳压器LM317
❖ LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用 方便、应用广泛的集成稳压块。
❖ 稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo＝1.25（1＋ R2/R1）。作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的 阻值是不能随意设定的。
❖ 输出电压变化范围是Vo＝1.25V—37V（高输出电压的 317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压 变化范围是Vo＝1.25V—45V），所以R2/R1的比值范围 只能是0—28.6。
硬件电路设计的主要任务是从机系统及通信接口电路的 设计。在从机系统中，键盘及LCD显示器的设计属于常规设 计，此处省略。主要介绍模拟量输入通道(温度传感器、信 号调理电路、A/D转换器)以及通信接口电路的设计。
1. 温度检测电路的设计
系统的温度检测范围为0～400℃，可选用的温度传感器有 集成温度传感器、热电偶以及热电阻等。
MAX187引脚及说明
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图8-19 A/D转换电路
第8章 智能仪器的设计
A/D转换电路如图8-19所示。MAX187具有12位的分 辨率，基准电压为4.096V，故分辨的最小电压为 4.096/212=0.001V，能分辨的最小温度为 400/212=0.0976℃。为了进一步提高分辨率，采用过采样 和求均值技术。所谓过采样就是ADC以高于系统所需采样频 率fs的速率对信号进行采样，能增加测量的有效位数。每增 加一位分辨率，需要以4倍的速率进行过采样，即 fos=4wfs
放大电路增益：
A=1+49.4kΩ/R。
第8章 智能仪器的设计
图8-18所示温度桥测电路的输出电压为
U
Rt Rt R1
R3 R2 R3
VOUT
(8-1)
由上式可求出Rt值，再利用下式可求出温度值t。
(8-2)
Rt 1 At Bt2 R3
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式中： A=3.096847×10-7； B=-5.847×10-3。 为了提高测量精度，本设计将温度分两档进行测量，当