1 引言
随着工业化大生产的不断进步,素有工业生产眼睛之称的仪器仪表正发挥着重要作用,它时刻监视着生产流程的各项参数,因此相应的仪器仪表的计量就显得相当重要。例如测量温度信号时传感器后所接的热工二次仪表、必须经过定期的检定或校准,以确认其运行状况,满足企业工业生产需要。本文根据智能仪器[1]的设计思想为基础设计了一种高精度、便携式可现场应用的智能温度表校验装置,并对设计过程和实验结果进行了论述。
2 总体方案设计
由于目前工业用温度仪表大部分采用热电偶或热电阻做为温度传感器,所以本校验仪的设计思想为模拟目前最为常用的8种分度号热电偶(S、R、B、K、T、J、E、N)来输出电压值去校验相应的二次仪表.校验仪的总体结构框图如下:
图1 智能温度校验仪的总体结构框图
如图所示,装置主要由微处理器单元电路、脉冲调宽电路、直流电压输出电路、键盘与显示单元四大部分所组成。工作过程为通过键盘输入温度值后由软件自动计算出相应的电压值,然后由单片机控制电压输出电
路和电阻输出电路来输出实际的电压值并接入被检测的热工二次仪表,温度校验仪的整体设计输出精度为0.05级,而热工二次仪表的精度为0.1级,完全满足检测二次仪表的要求。
3 硬件系统设计
3.1 控制模块的设计
我们采用AT89C51单片机做为装置的微控制器。AT89C51单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制[2]。它的芯片引脚少,在硬件很容易实现,并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
3.2 脉冲调宽电路的设计
直流基准电路是电压输出电路中非常重要的环节,要想得到稳定的电压输出值基准源必须具有超高的稳定性和准确度,目前一些热工仪表校验仪采用的方法是通过稳压管获得直流基准,其准确度不高。为了提高基准的准确度,本仪器设计采用的技术是脉冲调宽技术。该技术广泛用于时分割多路传输器、无线电频率发射机、光数据存贮及控制交直流转换器等领域。
(l) 工作原理 脉冲调宽时分割直流基准源的原理框图如图2所示。
图2 时分割脉冲调宽原理图
由图2所示,脉冲调宽电路部分由单片机及外围芯片构成,经单片机编程可产生不同宽度的脉冲信号,但信号幅值只在0V—5V之间,再经过电子开关放大后可将幅值放大到E成为基准电压方波,最后经低通滤波器后成为幅值可调的直流电压信号E0。
在图3中可见,一个完整的脉冲由调制脉冲周期T0和调制脉冲宽度T1组成,因此基准电压平均值为
(1)
由(1)式可知,T0与E不变,E0只与T1成正比。
(2) 实现方法 从原理框图中可以看到,E0的稳定度和调节细度主要由直流基准电压E和脉冲调宽电路决定,脉冲调宽电路采用Intel公司的8254芯片,8254 芯片是一款使用十分广泛的可编程定时,计数芯片,其主要功能是定时和计数的功能,通过软件编程来产生精确的时间间隔,8254的内部具有三个功能相同的16位减计数器．每个计数器的工作方式和计数常数分别由软件编程选择,可进行二进制或2-10进制的计数或定时操作。8254芯片共有六种工作方式,分别对应与六种不同的用途。我们采用方式2和方式5来进行设计,工作方式2为频率发生器方式,产生连续的负脉冲信号。OUT输出的负脉冲的宽度等于一个时钟周期,脉冲周期等于写入计数器的计数值和时钟周期的乘积。OUT受门控信号GATE控制。方式5为硬件触发选通方式。写入方式控制字和计数值后,输出保持高电平。只有在门控信号GATE上升沿之后才开始计数,计完最后一个数,输出一个时钟周期的负脉冲。
图3 基准电压方波
3.3 直流电压输出电路设计
直流电压输出电路设计参考了参考文献[3],其框图见图4。输出电压见公式(2)。
图4 直流电压输出原理框图
(2)
式中
Uo —— 直流输出电压;
UE —— 脉冲调宽输出电压(UE输出电压0～11V);
E —— 误差放大器的放大倍数;
M —— 电压取样系数;
K —— 前置放大器和功率放大器的放大倍数。
由于K值趋近于无穷大,所以公式(2)可变形为
(3)
通过改变电压取样系数M的值,可获得不同量程的输出值。而改变UE的值可使输出电压在某一量程内连续输出。放大器的设计参考了参考文献[4],取样电路主要完成电压的衰减,电压量程在10V、30V、100V时,取样系数M的值分别为1/10、1/30和1/100。误差放大器的放大倍数E是10。
3.4 键盘与显示电路的设计
装置的显示部分采用北京信通时代公司的LG256641型液晶显示屏,可显示256*64个点阵,其内置控制芯片为目前较为流行的ST7920中文图形控制芯片,可以显示字母、数字符号、中文字型及自定义图形,可较好的显示出8种热电偶的分度号和输出的电压值与当前所代表的温度值.
在键盘设计方面为了能更节省单片机端口资源,而且考虑校验仪只需要十二个按键能够满足数值设定与功能选择的设计要求,我们采用了“串联式键盘结构”只需外接电压比较器,就可实现按键的送数与功能选择功能,整体性能好于其它按键方式。
4 软件系统设计
为了使测量系统各种硬件设备能够正常运行,有效地实现实时控制和管理,除了要设计合理的硬件电路,还必须要有高质量的软件支持。软件采用C51语言编写。该语言设计方便,可读性也较汇编语言好。该语言最大的优点在于它的计算功能强大,对于处理热电偶毫伏值与温度之间的转换十分方便,在转换上完全按照热电偶分度表转换手册来编写程序,主程序流程图如图5所示,鉴于篇幅所限在此不提供源程序。
5 装置的整体标定
装置设计完成后需要用更高一级的标准对其进行标定,我们采用福禄克公司的高精度标准表8508A来对输出电压值进行测量并与热电偶分度表转换手册来对照,验证最后的测量结果。以S型热电偶为例,测试结果如表1所示。
图5 主程序流程图
如表中所示,各组数据中最大的相对误差值为0.0028%,完全达到了预先所要求的最大相对误差小于0.01%的设计任务,达到了设计要求。
表1 整体标定结果
6 结束语
本文根据目前对工业用温度二次仪表的校验所存在的问题,提出设计一种高精度智能温度校验系统,分别从工作原理、软件设计、测试结果及误差进行了分析,校验仪完成后可对温度二次仪表进行快速校验,并可作为计量检定部门的量值传递工具。
参考文献:
[1] 卜利君,耿晨歌,张宇弘.便携式仪器的设计经验[J].工业仪表与自动化装置,2007,(2):51-53.
[2] 张克彦. MCS-51/196单片机浮点程序和实用程序[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[3] 庞湘萍.基于89C52单片机的微电压信号源设计[J].仪表技术,2008,(1):44-47.
[4] 周胜海,王栋臣,马建中.可变增益放大器的实现方法[J].仪表技术与传感器,2008,(3):22-26.