支持實驗室溫度濕度測量的智能化儀表的設計

本文描述的是一種支持實驗室溫度濕度進行測量、顯示并遠傳的智能化儀表。本儀表不同于市場上眾多同類產(chǎn)品，他可以很好地滿足現(xiàn)場高精度、高分辨率及網(wǎng)絡傳輸?shù)囊蟆?/p>

1、溫濕度顯示儀的硬件設計

本儀表的硬件電路部分主要是有溫、濕度通道獨立電源電路，溫、濕度采樣電路，信號調節(jié)電路，模數(shù)轉換電路，光電隔離電路，處理器采用AT89S52單片機，同時還有LED顯示電路，通訊電路，鍵盤電路等構成，其結構圖如圖1所示。以下將對各部分的電路做相應的介紹。

1.1 溫度濕度變送器

非電量的溫度濕度信號通過變送器形成4～20 mA電量信號。本方案中采用了奧地利E+E公司的EE10-FT6的高性能溫濕度綜合變送器。

EE10一FT6產(chǎn)品特點：

（1）24 V DC供電；

（2）溫度量程：O～50℃；濕度量程：0～100％；

（3）溫度精度：±0.1℃；濕度精度：1.0％；

（4）輸入阻抗：≤500 Ω；

（5）接線方式：三線（電源正端、溫度輸出線、濕度輸出線）。

1.2 隔離測量技術

常規(guī)溫度濕度測量，往往將溫度、濕度信號共地，利用一套測量電路即可。在本方案中，變送器的輸出要先行接入溫濕

度顯示儀（前端），再串接于DDC（直接數(shù)字控制器）后端構成變送器回路，變送器電源由DDC來提供，因此由變送器輸出的兩路共地信號在前端需要進行隔離測量，以消除對后端測量的影響。即兩端串聯(lián)并同時測量一對共地信號。對于模擬量隔離測量，筆者曾經(jīng)考慮3套方案：

方案一“虛”隔離，即采用差分測量技術，將差分一端經(jīng)過一適當電阻接地，這種方案成本最低，但是對于運放的要求十分苛刻，而且穩(wěn)定性不高。

方案二 采用線性光耦隔離，但線性光耦難以調試，離散性大，需要周邊元器件多（運算放大器），而且光耦前端仍需隔離電源，后端仍需模數(shù)轉換器。

方案三 采用兩組獨立測量電路，然后通過普通光耦與處理器接口，需要兩套隔離電源，兩組測量部分，成本稍高，但此種方案最可靠，調試方便，因而最終被采用，如圖2所示。

l.3 4～20 mA電流測量

采樣電阻采用125 Ω／0.1％精密電阻，這樣，只需測量O.5～2.5 V電壓信號即可。

1.4放大器及模數(shù)轉換器應用

本溫濕度顯示儀模擬信號變換采用TI公司的軌對軌運放TLC2252，該放大器最大的特點一是輸出可達電源滿幅，二是失調電壓較小，0.5 mV，價格較低，適合本儀表應用。［page］

模數(shù)轉換器（ADC）采用TI公司的ADS1286U，此芯片主要性能有：

（1）分辨率：12位；

（2）最高采樣頻率：20 kHz；

（3）INL：±2LSB／max；

（4）DNL：±1LSB／max；

（5）接口方式：兩線制

（6）參考電壓：外接。

1.5分辨率及精度

本儀表需要滿足的要求：分辨率方面，溫度顯示到O.01℃，濕度顯示到0.1％；精度方面，要達到與自控系統(tǒng)的DDC測量值之間的絕對誤差不得大于±0．03℃。這樣的苛刻要求使得本儀表在軟硬件方面都必須做的非常到位。

1.6數(shù)字濾波技術

為滿足以上分辨率及精度的要求，除了在硬件上選擇性價比高的元器件以及較高的PCB板技術外，在軟件上做了較多的工作。因為溫度濕度物理量是慣性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)較大，量值不會產(chǎn)生突變，故濾波時間可以很長。本儀表中采用多次測量排序取中值然后再進行一階慣性濾波的方法，數(shù)學表達式如下：

其中Xn-1為上次實際溫濕度值；Xn-2本次經(jīng)過排序取來的中值；Xn為當前的溫濕度值；A為濾波時間常數(shù)，作為系數(shù)。

這樣做的目的是防止某些測量突變，以及滿足慣性物理量的測量，使得測量值不會頻繁跳躍，可以滿足需求。

1.7 網(wǎng)絡通信技術

本儀表采用RS 485通信，通信規(guī)約為MODBUS-RTU，然后通過MODBUS-PROFIBUS網(wǎng)關與西門子DDC通信，波特率為38.4 kb／s?？偩€采用輪詢方式，后臺機對各個房間溫濕度進行采集，作為房間溫度濕度集中監(jiān)控的依據(jù)。

1.8精度校準及參數(shù)

本儀表出廠前均已校準，但考慮到長期運行后，元器件老化及環(huán)境溫度的變化，可能會造成儀表出現(xiàn)精度偏差，故儀表上設有精度校準功能。校準時，需要一只標準4～20 mA信號表，按照顯示提示，分別將信號源調至各檔位，然后由儀表自動校準，校準系數(shù)值存入非易失性存儲器中。

本儀表具有現(xiàn)場手動調校功能，調節(jié)電位器旋鈕可使得溫度濕度在某個短量程范圍內(nèi)更加精準。

所有的參數(shù)設定都可通過網(wǎng)絡或儀表按鍵進行操作，掉電不丟失。

2、 溫濕度顯示儀的軟件設計

主要程序包括：溫度測量子程序、濕度測量子程序、鍵盤掃描及實現(xiàn)子程序、校準子程序，其中測量子程序內(nèi)嵌模數(shù)轉換、數(shù)據(jù)處理、形成顯示數(shù)據(jù)等；鍵盤掃描及實現(xiàn)子程序內(nèi)嵌顯示頁面切換、參數(shù)設定、校準確認等；校準子程序內(nèi)嵌雙通道切換校準及校準數(shù)值存儲等。中斷服務程序包括：定時器中斷（用于顯示）子程序、通信中斷子程序。主程序為依次循環(huán)執(zhí)行，綜合外部操作（鍵盤），實現(xiàn)儀表多重功能；中斷服務程序可以隨時中斷主程序的執(zhí)行，兩者互不影響。

本儀表中模數(shù)轉換是關鍵，除了在硬件上保證信號的較好處理外，軟件上的處理就顯得很重要了，下面給出模數(shù)轉換器ADS1286的訪問程序，此芯片的DATASHEET 上時序邏輯只是一個基本的過程，具體要得出可靠的數(shù)值，需要在調試中摸索，這個程序是筆者調試好的，效果不錯。

說明：本子程序轉換后的12位AD值存放于02H／03H中。

說明：本中斷服務程序為MODBUS從站響應程序，本儀表只用到MODBUS功能碼中的03號及06號，即模擬量遙測及參數(shù)設定。

3、 結 語

本儀表成功應用于上海市檢測中心400個實驗室中目前運行狀況良好，與DDC間絕對誤差不超過±O.03℃。

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