一种智能仪表监控系统的硬件设计

摘要:本文介绍了一种新型智能监控系统的硬件设计实现过程。

关键词:测量;微处理器;智能监控

1、概述

自从1971年世界上第一种微处理器(美国Intel公司4004型4位微处理芯片)问世以来,微计算机技术得到了迅猛的发展.测量仪器在它的影响下有了新的活力,取得了新的进步.电子计算机从过去的庞然大物已缩小到可以置于测量仪器之中,作为仪器的控制器、存储器及运算器,并使其具有了智能的作用.概括起来说,智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理及一机多用(多功能化)等方面取得了巨大的进展.到了20世纪90年代,在高正确度、高性能度、多功能的测量仪器中已经很少有不采用微处理器的了。

2、测量系统现状

随着仪表功能的越来越强以及科学技术的进步,人们的生产行为、生活方式都发生了重大的变化,作为生活生产中非常重要的一项技术即监控技术的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。监控系统的演变,是一个从集中监控向网络监控的发展历史。

3、设计目的

该项设计的目的是设计一种集多种测量功能为一身的并具有远程数据采集与控制功能的智能化监控仪表,力在消除多种仪表混用不兼容的现象。又由于引入了微处理器与总线技术,使得本次设计不仅可以测量多个量,而且具有联网实施远程控制方便检测的特点。本设计仪表具有以下特点:

①常规仪表与微处理器的结合组成智能化的监控检测仪表;

②可以测量交流电压、交流电压有效值、直流电压、直流电流;

③采用485总线芯片实现仪表远程操作;

④具有自动开关量输出与手动开关量输出;

⑤采用PC对各个仪表进行监控并对仪表测量数据进行采集。

4、系统总体设计思路

微处理器的发展使仪表具有智能化,智能化仪表有很多功能与特点。但是在现实生活中,常规仪表依然大量存在,比如,现在日常生活中大量存在的分立的电压表、电流表,这就使得同一采集点同时使用两个测量仪表甚至更多,在远程数据采集时,一个仪表就需要一个数据采集通道,使线路变的极其复杂,如果仪表的类型不一样则采集到的数据也各不相同,严重影响上位机的处理工作,更别说实现远程控制了。因此,一种可以将常规仪表融合到一起的仪表,并且具有总线功能与远程检测控制的仪表成为生活生产中迫切需要的一种设备。本文介绍的是为满足用户的这种需求而设计出来的一种智能化仪表—智能数字万用表的硬件设计过程。

智能数字万用表是将几种常规的仪表融合到一起的仪表。由于加入了微处理器使仪表具有了一定智能化功能,又由于加入485总线芯片便使得仪表具有了远程数据采集与控制的功能。

4.1智能数字万用表的系统框图

数字万用表是测量交流电压、直流电压、电流和电阻等参数的数字测量仪器。智能数字万用表是在数字万用表的基础上嵌入微处理器,且具有测量软件的多功能数字测量仪器,其结构为:

4.2系统结构分析与硬件框图

4.2.1系统结构分析

4.2.1.1测量电路:测量分4部分——直流电压、直流电流、交流电压、交流电压有效值,

①交流电压测量部分。

测量交流电压必须将其转化为直流,所以交流电压经过分压后需要整流电路将其转化为直流,这里整流电路使用由运放组成的有源滤波整流电路。这部分测量的是交流电压的平均值即我们所说的交流电压值。

②交流电压有效值测量。

在实际应用中,交流电压的有效值比电压平均值更为常用,而对于理想的正弦波的有效值等于平均值乘以波形因数1.11,然而有时测量的不是正弦波而是方波、三角波或者是不规则波形,它们的有效就不能用平均值乘以波形因数的方法求得,就必须用真有效值转换电路才能测量。本设计使用真有效值转换芯片AD637。

③直流电压的测量。

直流电压比较容易测量,分压后直接测量即可。

④直流电流的测量。

测量直流电流必须将其转化为直流电压,通常的方法是在电路中加入采样电阻,将电流转化为电压再运用测直流电压的方法直接测量。

4.2.1.2控制电路分为3部分——A/D转换部分、主控制部分、超量程保护部分。

①A/D转换部分。

A/D转换器选择ICL7135,ICL7135具有数码管动态显示输出,不用单片机就能显示测量结果,而且用串行数据采集的方法与单片机连接相当简单,这就有利于减轻单片机的负担。

②主控制部分。

微处理器是智能仪表的核心部分,它对仪表的性能影响很大。现在常用的有8位和16位单片机,这里我们使用ATMEL的AT89C51。

③超量程保护部分。

好的仪表都有一整套的保护体系,本设计有输入钳位保护与超量程保护。输入钳位保护使用二极管实现,超量程保护使用运放组成窗口比较器,对A/D转换前的电压信号进行监控保护。

4.2.1.3通信电路:

通信功能是智能仪表的基本功能,为了简单起见使用RS485通信,485总线通信是一种比较简单的通信总线技术,RS485采用差分信号负逻辑,+2V～+6V表示“0”,- 6V～- 2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线,四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用,现在多采用的是两线制接线方式,这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。485通信芯片使用MAX485。智能仪表还要能够与PC通信,由于PC使用RS232通信,要想与485总线上的仪表通信就必须加232/485转换电路。

4.2.2 系统硬件框图

图2-1为系统的硬件结构框图,交流电压、交流电压有效、直流电压三部分共用一个分压电路,分压电路靠单片机控制继电器实现自动换档。直流电流的测量使用单独的电流采样电路将电流信号变为电压信号再进行测量,四个量的测量靠继电器进行切换,继电器由单片机控制。前级输出的电压信号经过具有自动稳零的斩波稳零第四代运放ICL7650放大后送入A/D转换器ICL7135进行AD变换再送LED显示与送单片机进行数据处理。仪表具有通信功能,7135处理后的测量数据由单片机发送出去,经过485通信芯片传送到远端的监控PC上,PC经过处理将这些数据显示到显示器上,实现数据监控。

5、结论

本硬件设计通过与软件设计的有机结合实现了智能检测与控制功能,不仅可以应用在智能仪表监控系统电路设计中,也可以推广应用在其他电路中。

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