第十二章 顯示儀表

1、12顯示單元 在控制系統(tǒng)中顯示儀表具有重要的地位，它可將控制過(guò)程中的參數(shù)變化、被控對(duì)象的過(guò)渡過(guò)程顯示和記錄下來(lái)供操作人員及時(shí)了解控制系統(tǒng)的變化情況，掌握被控對(duì)象的狀態(tài)，是進(jìn)行系統(tǒng)控制、工況監(jiān)視、性能分析以及事故評(píng)判等工作所必不可少的環(huán)節(jié)。 第12章 顯示儀表12.0 概述 用于參數(shù)的指示、記錄、累積計(jì)數(shù)的儀表 顯示儀表的分類： 1. 模擬指示儀表;(機(jī)械式, 動(dòng)圈式, 等) 2. 數(shù)字顯示儀表; 3. 圖象顯示儀12.0.顯示儀表的功能和分類 主要功能參數(shù)顯示，故障報(bào)警 基本結(jié)構(gòu)測(cè)量電路+信號(hào)處理+數(shù)據(jù)顯示 分類： 模擬信號(hào)指示表：指針式儀表（電流表，電壓表），磁電結(jié)構(gòu)通電線圈在磁場(chǎng)中受力，產(chǎn)

2、生偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；例：指針式萬(wàn)用表。 數(shù)字式顯示表：數(shù)碼管顯示LED，數(shù)字液晶顯示LCD，基本組成： A/D轉(zhuǎn)換； 微處理器數(shù)據(jù)處理； 驅(qū)動(dòng)電路； 顯示器； 虛擬儀表：計(jì)算機(jī)顯示器顯示多種數(shù)據(jù)信號(hào)，并可模擬圖形顯示；基本組成：1）數(shù)據(jù)采集（信號(hào)測(cè)量，放大，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理）；2）數(shù)據(jù)傳輸（串行，并行），進(jìn)入計(jì)算機(jī)；3）計(jì)算機(jī)軟件程序（數(shù)據(jù)處理，參數(shù)顯示，趨勢(shì)曲線，圖形變換模擬等）；12.1.0 模擬顯示儀表結(jié)構(gòu)原理 基本結(jié)構(gòu)磁電式儀表 對(duì)稱圓形磁場(chǎng)； 提供均勻磁場(chǎng)，使指針在大范圍偏轉(zhuǎn)角度下都有勻強(qiáng)磁場(chǎng) 可動(dòng)框架線圈； 可動(dòng)式通電線圈作為帶動(dòng)指針的轉(zhuǎn)子 張絲扭力平衡機(jī)構(gòu)； 平衡動(dòng)圈受力，保持指針平

3、穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng) 測(cè)量電路； 完成信號(hào)電流的調(diào)節(jié)，保證儀表的準(zhǔn)確指示12.1.0 模擬顯示儀表結(jié)構(gòu)原理 模擬顯示儀表工作原理： 測(cè)量信號(hào)輸入E（低電壓毫伏信號(hào)）； 調(diào)整測(cè)量線路中的Rc串聯(lián)Rb并聯(lián)電阻，可實(shí)現(xiàn)量程調(diào)節(jié)； 輸入信號(hào)電流通過(guò)測(cè)量線路進(jìn)入可動(dòng)線圈G； 通電線圈在磁場(chǎng)中受力偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)指針運(yùn)動(dòng)； 張絲扭力反向平衡動(dòng)圈偏轉(zhuǎn)，最終使指針停留在準(zhǔn)確刻度位值，顯示正確的信號(hào)參數(shù)值。 Rt和Rg組成溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，補(bǔ)償動(dòng)圈銅線電阻受環(huán)境溫度的影響而變化，引起信號(hào)電流的改變?cè)斐蓞?shù)指示誤差。12.2 動(dòng)圈式顯示儀表 動(dòng)圈式顯示儀表的實(shí)質(zhì)就是指針式電流/電壓表。其核心部件是一個(gè)磁電式毫安計(jì)。 動(dòng)圈式顯示儀表通

4、過(guò)一定的內(nèi)置電路可以直接用來(lái)作為熱電偶、熱電阻，以及電流或電壓的顯示。 部分顯示表還附帶有模擬量輸出，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制功能。一、動(dòng)圈顯示基本原理 磁場(chǎng)中，一個(gè)用彈性張絲懸掛的線圈，當(dāng)線圈有電流通過(guò)時(shí)，線圈在電磁力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)；在電磁力矩與張絲的彈性力矩平衡時(shí)，線圈達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角并穩(wěn)定下來(lái)。 指針與線圈相連，指示電流大小。 部分動(dòng)圈儀表采用螺旋彈簧（游絲）代替張絲作為彈性體。NS動(dòng)圈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫補(bǔ)與調(diào)整 溫度補(bǔ)償 采用熱敏電阻抵消線圈熱效應(yīng)。 調(diào)零 調(diào)整張絲或游絲的固定點(diǎn)。 校準(zhǔn) 調(diào)整內(nèi)部電阻。 阻尼 采用并聯(lián)電阻短路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。RTR1R2R3R4+-四、動(dòng)圈式顯示儀表測(cè)溫注意事項(xiàng) 型號(hào)意

5、義 XCZ：顯示、磁電、指示 XCT：顯示、磁電、控制 注意配套使用 適當(dāng)調(diào)整外接電阻 運(yùn)輸時(shí)，短路保護(hù)一、數(shù)字式顯示儀表的分類數(shù)字顯示儀表電壓型頻率型單點(diǎn)式多點(diǎn)式單點(diǎn)式多點(diǎn)式顯示儀顯示報(bào)警儀顯示輸出儀顯示記錄儀顯示報(bào)警輸出記錄儀二、數(shù)字式顯示儀表結(jié)構(gòu)原理檢測(cè)變送模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)電子計(jì)數(shù)器 寄存器電子譯碼器顯示器1. A/D轉(zhuǎn)換 功能： 將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)； 輸入與輸出電位隔離。 構(gòu)成： 低精度時(shí)直接用集成芯片轉(zhuǎn)換； 單芯片精度取決于輸出位數(shù)。 高精度時(shí)分段采用集成芯片轉(zhuǎn)換。 對(duì)以電流方式輸入的信號(hào)，先轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。2. 電子計(jì)數(shù)器 功能： 將A/D轉(zhuǎn)換輸出或測(cè)試儀表的數(shù)

6、字輸出按10進(jìn)制進(jìn)行分段； 構(gòu)造與工作原理： 一般由多個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器串聯(lián)組成； 通過(guò)依次觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)位。3. 寄存器 功能： 暫時(shí)儲(chǔ)存電子計(jì)數(shù)器輸出結(jié)果； 隔斷計(jì)數(shù)器非信號(hào)輸出； 根據(jù)后續(xù)請(qǐng)求定時(shí)輸出數(shù)字信號(hào)。 結(jié)構(gòu)： 一般直接采用RAM芯片構(gòu)成。4. 譯碼器 功能： 將數(shù)字信號(hào)翻譯為十個(gè)數(shù)字狀態(tài)； 將每個(gè)數(shù)字翻譯為對(duì)應(yīng)管腳信號(hào)。 構(gòu)造： 通常由與顯示器配套的專用芯片實(shí)現(xiàn)。5. 顯示器 功能： 顯示數(shù)字 分類 輝光數(shù)碼管 發(fā)光二極管 液晶顯示器2 3 1 2 31 23 1溫度：560C壓力：3.1MPa123數(shù)字式顯示儀表基本流程 輸入信號(hào)處理環(huán)節(jié)測(cè)量，放大，濾波； 模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換A/D

7、，數(shù)字量輸入進(jìn)MPU； 數(shù)據(jù)處理變換輸出（微處理器MPU實(shí)現(xiàn)）； 輸出驅(qū)動(dòng)電路譯碼，鎖存，限流； LED顯示，或LCD顯示；1231數(shù)字式顯示儀表各環(huán)節(jié)功能 A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)： 確定模擬量輸入范圍，與信號(hào)處理電路輸出連接。若A/D芯片供電5V，則輸入信號(hào)不能大于5V?？梢詾?-5V中間的一段電壓范圍； 根據(jù)測(cè)量精度要求確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)； 如：測(cè)量范圍：0-300C ，要求最小顯示0.1C ， 則：最小刻度單位1/3000，可選12位A/D，其分辨率為：1/4096 ； 參考電壓的選取，以決定最大數(shù)字量與參考電壓上限的等價(jià)關(guān)系。如：8位A/D轉(zhuǎn)換器選取5V參考電壓，最大256代表5V，2.

8、5V時(shí)的數(shù)字應(yīng)為128。 與MPU微處理器的有效控制信號(hào)連接，注意A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序關(guān)系：?jiǎn)?dòng)，數(shù)據(jù)輸入，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)鎖存，MPU讀數(shù)據(jù)，結(jié)束轉(zhuǎn)換過(guò)程。 目前已有內(nèi)含A/D的MPU，此項(xiàng)任務(wù)可由MPU內(nèi)部程序完成，需要在軟件編制時(shí)加入該程序內(nèi)容。1231數(shù)字式顯示儀表各環(huán)節(jié)功能 MPU數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)： 由A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)范圍匹配測(cè)量信號(hào)的顯示范圍。如：256 對(duì)應(yīng) 200C溫度，確定數(shù)字轉(zhuǎn)換系數(shù)； 采樣速率的確定，數(shù)字濾波的實(shí)現(xiàn)；（驅(qū)除干擾） 十進(jìn)制信號(hào)BCD碼變換，輸出數(shù)據(jù)各位分別存儲(chǔ)； 確定數(shù)字輸出順序，時(shí)間間隔，保持時(shí)間等； 選擇驅(qū)動(dòng)控制方式，靜態(tài)顯示？/動(dòng)態(tài)顯示？制定控制端口連接模式； 編制輸

9、出顯示控制程序； 設(shè)定異常數(shù)據(jù)處理方法，并編制相應(yīng)的故障監(jiān)測(cè)處理程序；這樣可保證正常程序不出現(xiàn)死循環(huán)現(xiàn)象。1231數(shù)字式顯示儀表各環(huán)節(jié)功能 驅(qū)動(dòng)電路和顯示： 根據(jù)顯示器功率消耗，計(jì)算驅(qū)動(dòng)電流，確定限流電阻大小和功率； 依據(jù)驅(qū)動(dòng)電流選取合適的驅(qū)動(dòng)芯片； 由驅(qū)動(dòng)芯片的控制要求，連接到MPU的相應(yīng)端口，并在編制軟件程序時(shí)充分考慮時(shí)序的配合； 硬件電路的空間位置安排，散熱要求的考慮，等等； 供電電壓和所需最大功率的確認(rèn)；一般應(yīng)保持參數(shù)一致的電壓。 顯示器亮度的調(diào)整，改變限流電阻，或驅(qū)動(dòng)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。1232數(shù)字式顯示儀表的顯示驅(qū)動(dòng) 四位LED數(shù)字顯示： LED數(shù)碼管顯示； 限流電阻取定，正常亮度，

10、可以長(zhǎng)期使用； 譯碼器將4位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位8位驅(qū)動(dòng)線端； 鎖存器保證顯示數(shù)據(jù)靜態(tài)有效； MPU控制數(shù)據(jù)傳遞時(shí)序，循環(huán)周期等功能的實(shí)現(xiàn)。1232數(shù)字式顯示驅(qū)動(dòng)實(shí)例簡(jiǎn)介硬件選型： 供電電壓取5VDC； 7段數(shù)碼管LED，2吋大?。?譯碼器選取74HC247，BCD碼轉(zhuǎn)換4進(jìn)8出； 鎖存器74HC273，輸出連接2譯碼器，鎖存MPU輸出的數(shù)字信號(hào)； 限流電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試： 7段數(shù)碼管LED，每段串聯(lián)電阻后點(diǎn)亮測(cè)試電流，并測(cè)量各段電壓降；實(shí)測(cè)：10mA電流點(diǎn)亮合適，電壓降2V。 限流電阻計(jì)算：R=(5V-2V)/10mA=0.3K , 考慮到譯碼器低電平輸出電壓最大0.5V, 可估算R=(5-2-0.5)

11、/10mA=0.25K。 限流電阻功耗計(jì)算：P=IxU=10mAx2.5V=25mW , 可選1/6W, 1/8W電阻規(guī)格； 查閱技術(shù)手冊(cè)，74HC247譯碼器最大允許驅(qū)動(dòng)電流為20mA，可以符合10mA的使用條件； 鎖存器，譯碼器和MPU的信號(hào)連接均為數(shù)據(jù)信號(hào)，無(wú)大電流輸出，可直接連接；實(shí)驗(yàn)證實(shí)： 將數(shù)碼管，限流電阻，電源，測(cè)量?jī)x表連接實(shí)驗(yàn)，論證和觀察實(shí)際使用效果。若有問(wèn)題，進(jìn)行分析，改進(jìn)修正。1233數(shù)字顯示表位數(shù)的確定 問(wèn)題：應(yīng)選擇幾位數(shù)字顯示器才能滿足要求呢？ 一般選取原則： 根據(jù)最小顯示單位，如：0.1C, 0.5cmH2O, ； 根據(jù)測(cè)量參數(shù)的變化范圍，如：0-300C ； 計(jì)算公

12、式：N = (Xh Xl) / r ; Xh,Xl為測(cè)量參數(shù)上限和下限； r最小顯示單位； N值代表數(shù)字顯示的位數(shù)； 例：Xh=300C，Xl=0C，r=0.1C, N=(300-0)/0.1=3000，即：4位數(shù)字顯示； 若Xh=100C，則N=1000，但最高位只顯示0或1，故只能算作3位半，即：3 位。12.3.4 數(shù)字濾波的方法與實(shí)現(xiàn) 問(wèn)題的提出： 采樣數(shù)據(jù)的瞬時(shí)性，能否保證數(shù)據(jù)的可靠性？ 偶然干擾可能帶來(lái)數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏差，而干擾總是存在的。 采取的措施數(shù)據(jù)濾波： 平均值濾波：采集多個(gè)數(shù)據(jù)，取平均值后輸出，可消除采樣數(shù)據(jù)波動(dòng)帶來(lái)的影響； 中位值濾波多個(gè)采樣數(shù)據(jù)大小排隊(duì)，取中間位的數(shù)據(jù)值輸出

13、，可消除偶然觸發(fā)的干擾影響； 遞推濾波每次取除最早進(jìn)入的數(shù)據(jù)，加入最近的數(shù)據(jù)，平均取值后輸出，可延續(xù)歷史數(shù)據(jù)，減小數(shù)據(jù)輸出顯示的波動(dòng)； 權(quán)衡利弊： 數(shù)據(jù)濾波的優(yōu)點(diǎn)可減小干擾影響，增加可靠性； 缺點(diǎn)數(shù)據(jù)變動(dòng)遲緩，信號(hào)突變時(shí)響應(yīng)不夠快。 要根據(jù)需要，選取不同的數(shù)據(jù)濾波方法，采樣速率和實(shí)施方式。12.3.5 故障報(bào)警的實(shí)現(xiàn) 故障報(bào)警的定義： 超過(guò)預(yù)定的指示信號(hào)范圍，給出相應(yīng)的故障輸出信號(hào)（聲音，燈光信號(hào)），以提醒操作人員注意，或輸出到故障處理程序中啟動(dòng)相應(yīng)的故障應(yīng)急處理程序。 故障報(bào)警的分類： 上下限報(bào)警：超上限給出高報(bào)警，超下限給出低報(bào)警； 大小限報(bào)警/停機(jī)：超小上限報(bào)警，超大上限停機(jī)； 故障信號(hào)

14、鎖定：信號(hào)超限后，即使返回正常范圍，故障信號(hào)仍保持記憶狀態(tài)，表示有過(guò)超限紀(jì)錄。操作人員操作后可消除。 故障報(bào)警的延時(shí)機(jī)制：在一定范圍內(nèi)，檢測(cè)多次超限后才啟動(dòng)報(bào)警，以避免偶然一次干擾引起誤動(dòng)作。 故障報(bào)警的實(shí)現(xiàn)： 硬件實(shí)現(xiàn)采用比較器或檢測(cè)器，（輸入信號(hào)超預(yù)定值，輸出報(bào)警）； 軟件實(shí)現(xiàn)程序中安排數(shù)據(jù)比較，設(shè)定報(bào)警值的上下限，若輸入數(shù)據(jù)大于設(shè)定上限，輸出高報(bào)警；若輸入數(shù)據(jù)小于設(shè)定下限，輸出低報(bào)警；12.4 DDZ光柱顯示報(bào)警器 信號(hào)：直流 電壓：15V 電流：420mA 電源： 直流：24V 交流：220V上限下限上限設(shè)定下限設(shè)定DDZ光柱顯示報(bào)警器工作原理比較比較電源輸入信號(hào)顯示部分報(bào)警部分上限設(shè)定下限設(shè)定12.5 無(wú)筆無(wú)紙記錄儀 無(wú)紙、無(wú)筆顯示記錄儀實(shí)際上是一臺(tái)簡(jiǎn)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 主要配置： CPU：工業(yè)專用微處理器； 主板：專用。包括：ROM，RAM，時(shí)鐘電路 接口電路： 鍵盤控制器：接面板膜式鍵盤； 顯示控制器：接液晶顯示器； 打印控制器：接微型打印機(jī)； 通訊控制器：外接計(jì)算機(jī)（PC）； A/D轉(zhuǎn)換器：接測(cè)試儀表（模擬量）。無(wú)筆無(wú)紙記錄儀主要功能 顯示 柱狀圖顯示、數(shù)字顯示、實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)曲線 設(shè)定極限、報(bào)警； 時(shí)間、單位 簡(jiǎn)易編程組態(tài) 具有格式化的簡(jiǎn)易編