第9章智能儀器設計

1、第第 9 9 章章 智能儀器設計智能儀器設計設計要求、原則及步驟設計要求、原則及步驟9.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計9.2簡易單回路溫度控制器簡易單回路溫度控制器9.3首頁首頁本章內(nèi)容本章內(nèi)容1. 1. 智能儀器的設計要求、原智能儀器的設計要求、原 則及步驟則及步驟3. 3. 單回路溫度控制器單回路溫度控制器l 重點重點：2. 2. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計 返 回下 頁上 頁返 回9.19.1智能儀器設計要求、原則及步驟智能儀器設計要求、原則及步驟9.1.19.1.1智能儀器設計的基本要求智能儀器設計的基本要求 1) 1) 功能及技術指標要求功能及技術指標要求智能儀器應具備

2、的功能如輸出形式、人機對智能儀器應具備的功能如輸出形式、人機對話、通信、報警提示、儀器狀態(tài)的自動調(diào)整等。話、通信、報警提示、儀器狀態(tài)的自動調(diào)整等。儀器的主要技術指標如精度、測量范圍、工作環(huán)儀器的主要技術指標如精度、測量范圍、工作環(huán)境條件、穩(wěn)定性等。境條件、穩(wěn)定性等。9.1.19.1.1下 頁上 頁返 回 儀器的故障將造成整個生產(chǎn)過程混亂，甚至引儀器的故障將造成整個生產(chǎn)過程混亂，甚至引起嚴重后果，所以儀器能否正?？煽康毓ぷ?，將直起嚴重后果，所以儀器能否正?？煽康毓ぷ?，將直接影響測量結果，也將影響工作效率和儀器的信譽，接影響測量結果，也將影響工作效率和儀器的信譽，為保證儀器能長時間穩(wěn)定的工作，應采

3、取各種措施為保證儀器能長時間穩(wěn)定的工作，應采取各種措施提高儀器的可靠性。提高儀器的可靠性。2) 2) 可靠性要求可靠性要求注意： 在硬件方面，應合理選擇元器件，即在設計時對元器件在硬件方面，應合理選擇元器件，即在設計時對元器件的負載、速度、功耗、工作環(huán)境等技術參數(shù)留有一定的余量，的負載、速度、功耗、工作環(huán)境等技術參數(shù)留有一定的余量，并對元器件進行老化和篩選。另外，采用在極限情況下進行并對元器件進行老化和篩選。另外，采用在極限情況下進行試驗，即在研制過程中，讓樣機承受低溫、高溫、沖擊、振試驗，即在研制過程中，讓樣機承受低溫、高溫、沖擊、振動、干擾、煙霧等試驗，以保證其對環(huán)境的適應性。在軟件動、干

4、擾、煙霧等試驗，以保證其對環(huán)境的適應性。在軟件方面，采用模塊化設計方法，并對軟件進行全面測試?？蓽p方面，采用模塊化設計方法，并對軟件進行全面測試。可減小軟件故障率，提高軟件可靠性。小軟件故障率，提高軟件可靠性。9.1.19.1.1下 頁上 頁返 回 在儀器設計過程中，應考慮操作方便，控制開關或在儀器設計過程中，應考慮操作方便，控制開關或按鈕不要太多、太復雜，盡量降低對操作人員專業(yè)知識按鈕不要太多、太復雜，盡量降低對操作人員專業(yè)知識的要求，從而使操作者無需專門訓練，便能掌握儀器的的要求，從而使操作者無需專門訓練，便能掌握儀器的使用方法，便于產(chǎn)品的推廣應用。另外，儀器結構要盡使用方法，便于產(chǎn)品的推

5、廣應用。另外，儀器結構要盡量規(guī)范化、模塊化，并配有現(xiàn)場故障診斷程序，一旦發(fā)量規(guī)范化、模塊化，并配有現(xiàn)場故障診斷程序，一旦發(fā)生故障，能保證有效地對故障進行定位，以便更換相應生故障，能保證有效地對故障進行定位，以便更換相應的模塊，使儀器具有良好的可維護性。的模塊，使儀器具有良好的可維護性。3) 3) 便于操作和維護便于操作和維護 結構工藝是影響儀器可靠性的重要因素之一，依據(jù)結構工藝是影響儀器可靠性的重要因素之一，依據(jù)儀器工作環(huán)境條件，確定是否需要防水、防塵、防爆密儀器工作環(huán)境條件，確定是否需要防水、防塵、防爆密封，是否需要抗沖擊、抗振動、抗腐蝕等設計工藝結封，是否需要抗沖擊、抗振動、抗腐蝕等設計工

6、藝結構；認真考慮儀器的總體結構、部件間的連接關系、面構；認真考慮儀器的總體結構、部件間的連接關系、面板的美化等，使產(chǎn)品造型優(yōu)美、色澤柔和、外廓整齊、板的美化等，使產(chǎn)品造型優(yōu)美、色澤柔和、外廓整齊、美觀大方。美觀大方。4) 4) 儀器工藝結構與造型設計要求儀器工藝結構與造型設計要求 9.1.19.1.1下 頁上 頁返 回9.1.29.1.2智能儀器的設計原則智能儀器的設計原則 設計人員根據(jù)儀器功能和設計要求提出儀器設設計人員根據(jù)儀器功能和設計要求提出儀器設計的總任務，繪制硬件和軟件總框圖計的總任務，繪制硬件和軟件總框圖(總體設計總體設計)。然后將任務分解成一批可獨立表征的子任務，直然后將任務分解

7、成一批可獨立表征的子任務，直到每個子任務足夠簡單，可以直接而且容易地實到每個子任務足夠簡單，可以直接而且容易地實現(xiàn)為止。子任務可采用某些通用模塊，并可作為現(xiàn)為止。子任務可采用某些通用模塊，并可作為單獨的實體進行設計和調(diào)試。單獨的實體進行設計和調(diào)試。1 1從整體到局部從整體到局部( (自頂向下自頂向下) )的原則的原則: :模塊化設計方式，簡化設計，縮短設模塊化設計方式，簡化設計，縮短設計周期，結構靈活，維修方便快捷、便于計周期，結構靈活，維修方便快捷、便于擴充和更新，增強系統(tǒng)的適應性，以最低擴充和更新，增強系統(tǒng)的適應性，以最低的難度和最高的可靠性組成系統(tǒng)。的難度和最高的可靠性組成系統(tǒng)。特點特點

8、下 頁上 頁返 回不應盲目追求復雜、高級的方案。在滿足性能指標的前提不應盲目追求復雜、高級的方案。在滿足性能指標的前提下，盡可能采用簡單成熟的方案。就第一臺樣機而言，樣機的下，盡可能采用簡單成熟的方案。就第一臺樣機而言，樣機的硬件成本不是考慮的主要因素，系統(tǒng)設計、調(diào)試和軟件開發(fā)等硬件成本不是考慮的主要因素，系統(tǒng)設計、調(diào)試和軟件開發(fā)等研制費用是主要的。當樣機投入生產(chǎn)時，儀器硬件成本成為產(chǎn)研制費用是主要的。當樣機投入生產(chǎn)時，儀器硬件成本成為產(chǎn)品成本的重要因素。生產(chǎn)數(shù)量越大，每臺產(chǎn)品的平均研制費用品成本的重要因素。生產(chǎn)數(shù)量越大，每臺產(chǎn)品的平均研制費用越低。儀器投入使用時，應考慮維護費、備件費、運轉費

9、、管越低。儀器投入使用時，應考慮維護費、備件費、運轉費、管理費、培訓費等。在綜合考慮各種因素后正確選用合理的設計理費、培訓費等。在綜合考慮各種因素后正確選用合理的設計方案。方案。2 2較高的性能價格比原則較高的性能價格比原則科學技術飛速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代快、市場競爭激烈，科學技術飛速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代快、市場競爭激烈，設計時采用開放式設計原則，留下容納未來新技術的余地，設計時采用開放式設計原則，留下容納未來新技術的余地，同時向系統(tǒng)的不同配套檔次開放、向用戶不斷變化的特殊要同時向系統(tǒng)的不同配套檔次開放、向用戶不斷變化的特殊要求開放、兼顧通用和專用設計，以便滿足用戶不同層次、不求開放、兼顧通用和專

10、用設計，以便滿足用戶不同層次、不斷變化的要求。斷變化的要求。 3 3開放式設計原則開放式設計原則9.1.29.1.2下 頁上 頁返 回9.1.39.1.3智能儀器的設計步驟智能儀器的設計步驟 全面了解設計的內(nèi)容，搞清要解決的問題，必要全面了解設計的內(nèi)容，搞清要解決的問題，必要時到用戶方調(diào)研，根據(jù)儀器最終要實現(xiàn)的設計目標，時到用戶方調(diào)研，根據(jù)儀器最終要實現(xiàn)的設計目標，做出詳細的設計任務說明書，明確儀器的功能和應達做出詳細的設計任務說明書，明確儀器的功能和應達到的技術指標。到的技術指標。 1 1確定設計任務確定設計任務 根據(jù)設計任務說明書制定設計方案。最好提出幾種根據(jù)設計任務說明書制定設計方案。最

11、好提出幾種可能的方案，每種方案包括儀器的工作原理、采用的技可能的方案，每種方案包括儀器的工作原理、采用的技術路線等，然后對各方案進行可行性論證，包括理論分術路線等，然后對各方案進行可行性論證，包括理論分析、計算及必要的模擬實驗，驗證方案是否可達到設計析、計算及必要的模擬實驗，驗證方案是否可達到設計要求，最后從總體的先進性、可靠性、成本、制作周期、要求，最后從總體的先進性、可靠性、成本、制作周期、可維護性等各方面比較、擇優(yōu)，綜合制定設計方案?？删S護性等各方面比較、擇優(yōu)，綜合制定設計方案。2 2擬定總體設計方案擬定總體設計方案下 頁上 頁返 回3 3方案實施方案實施 根據(jù)儀器總體方案，確定儀器的核

12、心部件根據(jù)儀器總體方案，確定儀器的核心部件 設計和調(diào)試儀器設計和調(diào)試儀器根據(jù)總體設計方案，確定系統(tǒng)的核心部件，根據(jù)總體設計方案，確定系統(tǒng)的核心部件，軟硬件的分配，采用自上而下的設計方法，把儀軟硬件的分配，采用自上而下的設計方法，把儀器劃分成便于實現(xiàn)的功能模塊，繪制各模塊軟硬器劃分成便于實現(xiàn)的功能模塊，繪制各模塊軟硬件的工作流程圖，并分別進行調(diào)試，各模塊調(diào)試件的工作流程圖，并分別進行調(diào)試，各模塊調(diào)試通過之后，再進行統(tǒng)調(diào)，完成智能儀器的設計。通過之后，再進行統(tǒng)調(diào)，完成智能儀器的設計。具體包含：具體包含：9.1.39.1.3下 頁上 頁返 回（1 1）根據(jù)儀器總體方案，確定儀器的核心部件）根據(jù)儀器總

13、體方案，確定儀器的核心部件 具有智能控制作用的部件對儀器整體性能、具有智能控制作用的部件對儀器整體性能、價格、研制周期等起決定性作用，直接影響硬件、價格、研制周期等起決定性作用，直接影響硬件、軟件的設計，是整個儀器的核心。智能儀器中的軟件的設計，是整個儀器的核心。智能儀器中的智能控制部件通?？蛇x單片機（智能控制部件通?？蛇x單片機（P P）、信號處理）、信號處理器（器（DSPDSP）、可編程控制器（）、可編程控制器（PLCPLC）或微計算機）或微計算機（MPCMPC）等。大型的智能儀器系統(tǒng)可能包括多種）等。大型的智能儀器系統(tǒng)可能包括多種多個智能控制部件，小型的智能儀器一般只用其多個智能控制部件，

14、小型的智能儀器一般只用其中之一，應根據(jù)具體情況選擇。中之一，應根據(jù)具體情況選擇。9.1.39.1.3下 頁上 頁返 回1).1).單片機單片機 單片機是在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、時鐘、定時/計數(shù)器、串行、并行I/O口等的微型計算機，有些型號的單片機包括A/D、D/A、模擬比較器、脈寬調(diào)制器、USB口等，功能強、體積小、價格低、支持軟件多、便于開發(fā)，智能儀器多選單片機作為智能控制部件。在選擇具體型號時，應考慮字長、指令功能、尋址范圍、尋址方式、內(nèi)部存儲器容量、位處理、中斷處理能力、配套硬件、芯片價格及開發(fā)平臺等。本書的智能控制部件以單片機為主。9.1.39.1.3 目前常用的單片

15、機有目前常用的單片機有Intel公司的公司的MCS-51/52系系列、列、Motorola公司公司MC68系列、系列、Philip公司的公司的PIC16CXX系列及與之兼容的多種改進升級型芯片系列及與之兼容的多種改進升級型芯片(如如80C51系列系列)等。另外，美國等。另外，美國Silabs公司的公司的F系列系列單片機如單片機如C8051F02X，在需要，在需要A/D、D/A、比較器、比較器、多中斷時比較合適。多中斷時比較合適。Philips公司的公司的LPC92X是一款是一款較低價位的單片機，適合于許多集成度高、成本低較低價位的單片機，適合于許多集成度高、成本低的場合，如的場合，如LPC92

16、0/921/922采用了高性能的處理采用了高性能的處理器結構，集成了許多系統(tǒng)級功能，指令執(zhí)行時間只器結構，集成了許多系統(tǒng)級功能，指令執(zhí)行時間只需需2到到4個時鐘周期，個時鐘周期，6倍于標準倍于標準80C51器件。這樣器件。這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積，降低系統(tǒng)的可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積，降低系統(tǒng)的成本，滿足多方面的性能要求。成本，滿足多方面的性能要求。1).1).單片機單片機 9.1.39.1.3下 頁上 頁返 回2). DSP DSP比單片機集成度高、速度快、容量大，主要比單片機集成度高、速度快、容量大，主要用于信號處理及其它高速要求的場合，用于信號處理及其它高速要求的場合，

17、DSP器件采用器件采用改進的哈佛結構，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許改進的哈佛結構，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速硬件乘法器、增強的同時存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速硬件乘法器、增強的多級流水線、使多級流水線、使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運算能力。器件具有高速的數(shù)據(jù)運算能力。DSP器件指令執(zhí)行時間比器件指令執(zhí)行時間比16位單片機快位單片機快810倍，完倍，完成一次乘運算的時間比單片機快成一次乘運算的時間比單片機快1630倍，倍，DSP器件器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了快速傅里葉變還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了快速傅里葉變換（換（FFT）和濾波器的運算速度。但）和

18、濾波器的運算速度。但DSP目前價格較目前價格較高。在滿足速度要求的情況下可首選單片機。高。在滿足速度要求的情況下可首選單片機。 9.1.39.1.3下 頁上 頁返 回3). PLC PLC是為工業(yè)測控系統(tǒng)專門設計的高可靠產(chǎn)品，是為工業(yè)測控系統(tǒng)專門設計的高可靠產(chǎn)品，適合中規(guī)模的現(xiàn)場檢測及控制，用適合中規(guī)模的現(xiàn)場檢測及控制，用PLC設計的系統(tǒng)設計的系統(tǒng)便于更改和維護。便于更改和維護。一般指一個完整的計算機系統(tǒng)，包括基本輸入一般指一個完整的計算機系統(tǒng)，包括基本輸入輸出設備及常用外圍設備，具有完善的操作系統(tǒng)。輸出設備及常用外圍設備，具有完善的操作系統(tǒng)。其選型應根據(jù)系統(tǒng)可靠性要求確定。其選型應根據(jù)系統(tǒng)可

19、靠性要求確定。4).微計算機微計算機9.1.39.1.3下 頁上 頁返 回（2 2）設計和調(diào)試儀器）設計和調(diào)試儀器一般而言，硬件速度快、可減輕軟件設計工作量，但成本一般而言，硬件速度快、可減輕軟件設計工作量，但成本高，靈活性差，可擴展性弱。軟件成本低、靈活性大、只要修高，靈活性差，可擴展性弱。軟件成本低、靈活性大、只要修改軟件可改變模塊功能，但增加了編程的復雜性，降低了速度。改軟件可改變模塊功能，但增加了編程的復雜性，降低了速度。增加硬件的比例可提高系統(tǒng)的速度，實時性好，但成本高，靈增加硬件的比例可提高系統(tǒng)的速度，實時性好，但成本高，靈活性、適應性差；增加軟件的比例則剛好相反?？蓮膬x器的功活性

20、、適應性差；增加軟件的比例則剛好相反?？蓮膬x器的功能、成本、研制周期和費用等方面綜合考慮，合理分配軟硬件能、成本、研制周期和費用等方面綜合考慮，合理分配軟硬件比例，使系統(tǒng)達到較高的性價比。比例，使系統(tǒng)達到較高的性價比。首先首先是硬件和軟件電路的設計和調(diào)試是硬件和軟件電路的設計和調(diào)試硬件電路的設計過程是根據(jù)硬件框圖按模塊分別對各單元電硬件電路的設計過程是根據(jù)硬件框圖按模塊分別對各單元電路進行設計，然后進行硬件合成，構成一個完整的硬件電路圖。路進行設計，然后進行硬件合成，構成一個完整的硬件電路圖。完成設計之后，繪制印刷電路板，然后進行裝配與調(diào)試。完成設計之后，繪制印刷電路板，然后進行裝配與調(diào)試。軟

21、件設計可先設計總體結構圖，再將總體結構按軟件設計可先設計總體結構圖，再將總體結構按“自頂向自頂向下下”原則劃分為多個子模塊，采用結構化程序設計方法，畫出原則劃分為多個子模塊，采用結構化程序設計方法，畫出每個子模塊的詳細流程圖，選擇合適的語言編寫程序并調(diào)試。每個子模塊的詳細流程圖，選擇合適的語言編寫程序并調(diào)試。對于即可用硬件又可用軟件實現(xiàn)的功能模塊，應仔細權衡哪些對于即可用硬件又可用軟件實現(xiàn)的功能模塊，應仔細權衡哪些模塊用硬件完成、哪些模塊用軟件完成。模塊用硬件完成、哪些模塊用軟件完成。9.1.39.1.3下 頁上 頁返 回其次其次是硬件和軟件聯(lián)合調(diào)試。硬件、是硬件和軟件聯(lián)合調(diào)試。硬件、軟件分別

22、調(diào)試合格后，需軟、硬件聯(lián)合調(diào)軟件分別調(diào)試合格后，需軟、硬件聯(lián)合調(diào)試。調(diào)試中出現(xiàn)問題，若屬于硬件故障，試。調(diào)試中出現(xiàn)問題，若屬于硬件故障，可修改硬件電路，若屬于軟件問題，則修可修改硬件電路，若屬于軟件問題，則修改程序，如屬于系統(tǒng)問題則對軟件、硬件改程序，如屬于系統(tǒng)問題則對軟件、硬件同時修改，直至符合性能指標。智能儀器同時修改，直至符合性能指標。智能儀器設計調(diào)試步驟如圖設計調(diào)試步驟如圖1-21-2所示。所示。9.1.39.1.3圖圖1-29.1.39.1.3下 頁上 頁返 回9 92 2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機，智能儀器與外界數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機，智能儀器與外界物理

23、世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采集技術是信息科學的重要分支，徑。數(shù)據(jù)采集技術是信息科學的重要分支，它不僅應用在智能儀器中，而且在現(xiàn)代工業(yè)它不僅應用在智能儀器中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，國防軍事及科學研究等方面都得到廣生產(chǎn)，國防軍事及科學研究等方面都得到廣泛應用泛應用 。下 頁上 頁返 回9.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及結構數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及結構 被測信號一般不會與后續(xù)電路的工作范被測信號一般不會與后續(xù)電路的工作范圍直接吻合，多數(shù)可能是比較微弱的信號，圍直接吻合，多數(shù)可能是比較微弱的信號，因此先送入前置放大器初步放大到后續(xù)電路因此先送入前置放大器初步

24、放大到后續(xù)電路的工作范圍內(nèi)的工作范圍內(nèi) 隨后信號送入到濾波電路，以濾除信號主要隨后信號送入到濾波電路，以濾除信號主要頻率范圍以外的干擾信號，一般濾波電路采頻率范圍以外的干擾信號，一般濾波電路采樣帶通濾波或低通濾波電路。樣帶通濾波或低通濾波電路。 主放大器可將濾波后的信號進一步放大到合主放大器可將濾波后的信號進一步放大到合適范圍，便于后續(xù)適范圍，便于后續(xù)A/D轉換器的工作轉換器的工作 采樣保持電路指采樣采樣保持電路指采樣/保持放大器（保持放大器（SHA）與）與跟蹤跟蹤/保持放大器（保持放大器（THA），是實現(xiàn)對信號采），是實現(xiàn)對信號采樣并在一定的時間間隔內(nèi)保持該采樣值的電樣并在一定的時間間隔內(nèi)保

25、持該采樣值的電路路 單片機中除了微處理器外，一般還集成了隨機存取數(shù)據(jù)單片機中除了微處理器外，一般還集成了隨機存取數(shù)據(jù)存儲器存儲器(RAM)，只讀程序存儲器，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路，輸入輸出電路(I/O口口)，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口及，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口及A/D轉換器等轉換器等電路，而且通過輸入輸出電路可以外接顯示驅動電路，脈電路，而且通過輸入輸出電路可以外接顯示驅動電路，脈寬調(diào)制電路，網(wǎng)絡模塊等電路，構成一個小型的計算機系寬調(diào)制電路，網(wǎng)絡模塊等電路，構成一個小型的計算機系統(tǒng)統(tǒng) 。9.2.19.2.1下 頁上 頁返 回9.2.2 9.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設

26、計考慮的因素數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計考慮的因素放大電路放大電路 如果是簡單信號，采用一級放大或衰減電路將如果是簡單信號，采用一級放大或衰減電路將信號調(diào)整到適合后續(xù)電路工作的電壓范圍內(nèi)即可信號調(diào)整到適合后續(xù)電路工作的電壓范圍內(nèi)即可 。 如果是比較微弱的信號，還要求運算放大器如果是比較微弱的信號，還要求運算放大器具有低噪聲、低漂移、低輸入偏置電流、非線性具有低噪聲、低漂移、低輸入偏置電流、非線性度小等特點，避免在放大過程中引入干擾度小等特點，避免在放大過程中引入干擾 。下 頁上 頁返 回A/D轉換器轉換器 A/D轉換器負責將原始的模擬信號（多數(shù)信號屬轉換器負責將原始的模擬信號（多數(shù)信號屬于模擬信號）轉換成

27、為計算機能夠處理的數(shù)字信號，于模擬信號）轉換成為計算機能夠處理的數(shù)字信號，為了保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度，首先需要選擇為了保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度，首先需要選擇A/D轉轉換器的位數(shù)，位數(shù)高意味著轉換分辨率高，能夠更換器的位數(shù)，位數(shù)高意味著轉換分辨率高，能夠更好地辨識原始信號，其次要考慮轉換的速率，轉換好地辨識原始信號，其次要考慮轉換的速率，轉換速率快才能提高整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速度，同速率快才能提高整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速度，同時較快的轉換速率有利于系統(tǒng)保持對原始信號的跟時較快的轉換速率有利于系統(tǒng)保持對原始信號的跟蹤蹤 。9.2.29.2.2下 頁上 頁返 回采樣采樣/保持電路保持電路 采樣采樣/

28、保持電路主要是配合保持電路主要是配合A/D轉換器工作，如果轉換器工作，如果是是A/D轉換器芯片內(nèi)部包括這部分電路，就無需進轉換器芯片內(nèi)部包括這部分電路，就無需進行其他考慮，如果是需要外接配套，主要考慮的是行其他考慮，如果是需要外接配套，主要考慮的是選擇合適的控制邏輯，使采樣選擇合適的控制邏輯，使采樣/保持電路的工作時保持電路的工作時序與序與A/D轉換器的轉換時間相對應，為了更好地做轉換器的轉換時間相對應，為了更好地做到這一點，往往采用同一控制邏輯控制采樣到這一點，往往采用同一控制邏輯控制采樣/保持保持電路和電路和A/D轉換器的同步工作。轉換器的同步工作。9.2.29.2.2下 頁上 頁返 回

29、放大電路將原始信號放大到適應所選擇放大電路將原始信號放大到適應所選擇A/D轉換器轉換器的電壓范圍之內(nèi)，但被放大的不僅有原始信號，還有的電壓范圍之內(nèi)，但被放大的不僅有原始信號，還有各種噪聲、干擾、耦合信號等等，為了消除或減小這各種噪聲、干擾、耦合信號等等，為了消除或減小這些因素的影響，需要采用信號調(diào)理電路進行必要的處些因素的影響，需要采用信號調(diào)理電路進行必要的處理。理。 信號調(diào)理電路經(jīng)常采用各類濾波器對這些影響因信號調(diào)理電路經(jīng)常采用各類濾波器對這些影響因素進行濾除，高頻干擾多就采用低通濾波器，低頻干素進行濾除，高頻干擾多就采用低通濾波器，低頻干擾多就采用高通濾波器，有效信號有明確的頻帶范圍擾多就

30、采用高通濾波器，有效信號有明確的頻帶范圍可以采用帶通濾波，干擾信號的頻率很明確可以采用可以采用帶通濾波，干擾信號的頻率很明確可以采用陷波電路陷波電路 。 9.2.29.2.2下 頁上 頁返 回9.2.3 心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段，心心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段，心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢測儀的關鍵部件。人體電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢測儀的關鍵部件。人體心電信號的主要頻率范圍為心電信號的主要頻率范圍為0.05100Hz，幅度約，幅度約為為04mV。由于心電信號屬于低頻，微弱信號，而。由于心電信號屬于低頻，微弱信號，而且干擾較大，因此，系

31、統(tǒng)抗干擾能力及安全可靠性且干擾較大，因此，系統(tǒng)抗干擾能力及安全可靠性至關重要。另外心電信號中通常混雜有各種生物電至關重要。另外心電信號中通?；祀s有各種生物電信號，加之體外以信號，加之體外以50Hz工頻干擾為主的電磁場干擾，工頻干擾為主的電磁場干擾，使得心電噪聲背景較強，測量條件比較復雜。為了使得心電噪聲背景較強，測量條件比較復雜。為了不失真地檢測出有臨床價值的干凈心電信號，必須不失真地檢測出有臨床價值的干凈心電信號，必須要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度，高穩(wěn)定性，高要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度，高穩(wěn)定性，高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲及強干擾能力等輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲及強干擾能力等

32、性能。性能。下 頁上 頁返 回 心電信號由專用電極拾取后送入前置放大器初步放心電信號由專用電極拾取后送入前置放大器初步放大，并在對各干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波大，并在對各干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波器，以濾除心電主要頻率范圍以外的干擾信號。器，以濾除心電主要頻率范圍以外的干擾信號。 而主放大器可將帶通濾波后的信號進一步放大到而主放大器可將帶通濾波后的信號進一步放大到合適范圍后，再經(jīng)合適范圍后，再經(jīng)50Hz和和35Hz陷波器分別濾除工頻陷波器分別濾除工頻和肌電干擾，然后將符合要求的心電模擬信號由模擬和肌電干擾，然后將符合要求的心電模擬信號由模擬輸入端送入輸入端送入ADC，以進行高精

33、度，以進行高精度A/D轉換和最后送入轉換和最后送入單片機進行數(shù)據(jù)的采集存儲處理。單片機進行數(shù)據(jù)的采集存儲處理。 9.2.39.2.31信號放大電路信號放大電路對于信號的放大，采用了兩級放大電路，其中包括對于信號的放大，采用了兩級放大電路，其中包括前置放大和主放大電路。在兩級放大電路之間又接前置放大和主放大電路。在兩級放大電路之間又接入了一個帶通濾波電路以使心電信號主頻入了一個帶通濾波電路以使心電信號主頻0.05Hz100Hz通過后再進一步放大。前置放大電路放大約通過后再進一步放大。前置放大電路放大約10倍，主放大電路放大約倍，主放大電路放大約100倍，所以總的放大約倍，所以總的放大約1000倍

34、，從而得到合適的輸入倍，從而得到合適的輸入8051單片機所要求的單片機所要求的電壓范圍內(nèi)的心電信號。電壓范圍內(nèi)的心電信號。下 頁上 頁返 回9.2.39.2.3下 頁上 頁返 回（1）前置放大電路）前置放大電路 前置放大電路主要是初步放大心電信號，并在前置放大電路主要是初步放大心電信號，并在對各干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波電路，對各干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波電路，以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號 。 前置放大是心電數(shù)據(jù)采集的關鍵環(huán)節(jié)。由于人前置放大是心電數(shù)據(jù)采集的關鍵環(huán)節(jié)。由于人體心電信號十分微弱，噪聲背景強且信號源阻抗較體心電信號十分微弱，噪聲背

35、景強且信號源阻抗較大，加之電極引入的極化電壓差值較大（比心電差大，加之電極引入的極化電壓差值較大（比心電差值幅度大幾百倍），因此，通常要求前置放大器具值幅度大幾百倍），因此，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能 。9.2.39.2.3 帶通濾波由雙運放集成電路帶通濾波由雙運放集成電路OP2177構成。構成。OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片內(nèi)集具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片內(nèi)集成了兩個運放，可靈活組成各類放大和濾波電路。由成了兩

36、個運放，可靈活組成各類放大和濾波電路。由于心電信號頻帶主要集中在于心電信號頻帶主要集中在0.05100Hz左右，頻帶左右，頻帶較寬，為此，采用較寬，為此，采用OP2177的兩個運放分別設計二階壓的兩個運放分別設計二階壓控有源高通和低通濾波器并組合成帶通濾波器。控有源高通和低通濾波器并組合成帶通濾波器。 （2）帶通濾波電路）帶通濾波電路 下 頁上 頁返 回9.2.39.2.32. 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路下 頁上 頁返 回 由于心電信號的特殊性（極其微弱），所以信由于心電信號的特殊性（極其微弱），所以信號調(diào)理電路的設計對于整個系統(tǒng)來說至關重要。信號調(diào)理電路的設計對于整個系統(tǒng)來說至關重要。信號調(diào)理

37、采用號調(diào)理采用50Hz及及35Hz陷波電路，濾除陷波電路，濾除50Hz的工的工頻干擾和人體生物電產(chǎn)生的頻干擾和人體生物電產(chǎn)生的35 Hz肌電干擾。肌電干擾。 工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前置放工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但有部分大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號方式進入電路的，且頻率處工頻干擾是以差模信號方式進入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)于心電信號的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強的定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強的工頻干擾，

38、所以必須專門濾除。工頻干擾，所以必須專門濾除。 9.2.39.2.3下 頁上 頁返 回 凌特公司的凌特公司的LTC1068-50集成開關電容濾波集成開關電容濾波器內(nèi)部集成了四個獨立的二階開關電容濾波器，器內(nèi)部集成了四個獨立的二階開關電容濾波器，時鐘與中心頻率之比為時鐘與中心頻率之比為50:1，誤差為，誤差為 0.3，可采用可采用5V、5V供電。因此，配合廠家提供的供電。因此，配合廠家提供的FilterCAD濾波器設計軟件，可靈活配置成各類濾波器設計軟件，可靈活配置成各類濾波器（低通、高通、帶通、全通等）。為較濾波器（低通、高通、帶通、全通等）。為較好地濾除工頻干擾，設計中利用好地濾除工頻干擾，

39、設計中利用LTC1068-50的的優(yōu)點專門設計了一個優(yōu)點專門設計了一個8階巴特沃斯階巴特沃斯50H陷波器，陷波器，采用的時鐘信號頻率為采用的時鐘信號頻率為2.5KH，設計電路如，設計電路如圖圖9.5所示所示 ：9.2.39.2.3 與硬件濾波相比，數(shù)字濾波具有以下優(yōu)點：與硬件濾波相比，數(shù)字濾波具有以下優(yōu)點： 因為用程序濾波，無需增加硬件設備，且可因為用程序濾波，無需增加硬件設備，且可多通道共享一個濾波器多通道共享一個濾波器( (多通道共同調(diào)用一個濾波子多通道共同調(diào)用一個濾波子程序程序) )，從而降低了成本。，從而降低了成本。 由于不用硬設備，各回路間不存在阻抗匹配由于不用硬設備，各回路間不存在

40、阻抗匹配等問題，故可靠性高，穩(wěn)定性好。等問題，故可靠性高，穩(wěn)定性好。 可以對頻率很低的信號可以對頻率很低的信號( (如如0 001Hz01Hz以下以下) )進行濾進行濾波，這是模擬濾波器做不到的。波，這是模擬濾波器做不到的。 可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法或改變?yōu)V波器可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法或改變?yōu)V波器的參數(shù)，使用方便、靈活。的參數(shù)，使用方便、靈活。下 頁上 頁返 回9.2.39.2.3下 頁上 頁返 回(1)開關電容濾波器開關電容濾波器 開關電容電路由受時鐘脈沖信號控制的模擬開開關電容電路由受時鐘脈沖信號控制的模擬開關、電容器和運算放大電路三部分組成。這種電路關、電容器和運算放大電路三部分

41、組成。這種電路的特性與電容器的精度無關，而僅與各電容器電容的特性與電容器的精度無關，而僅與各電容器電容量之比的準確性有關。在集成電路中，可以通過均量之比的準確性有關。在集成電路中，可以通過均勻地控制硅片上氧化層的介電常數(shù)及其厚度，使電勻地控制硅片上氧化層的介電常數(shù)及其厚度，使電容量之比主要取決于每個電容電極的面積，從而獲容量之比主要取決于每個電容電極的面積，從而獲得準確性很高的電容比。得準確性很高的電容比。 本電路設計是在開關電容濾波器電路后加一個本電路設計是在開關電容濾波器電路后加一個電壓跟隨器電路。主要是起到穩(wěn)定作用。電壓跟隨器電路。主要是起到穩(wěn)定作用。 9.2.39.2.3 下 頁上 頁

42、返 回 (2) 開關電容集成濾波器開關電容集成濾波器優(yōu)勢：優(yōu)勢：克服了常規(guī)有源陷波器的頻率特性對電路元件的參克服了常規(guī)有源陷波器的頻率特性對電路元件的參數(shù)比較敏感，使得電路穩(wěn)定性不高的缺點；數(shù)比較敏感，使得電路穩(wěn)定性不高的缺點；開關電容集成濾波器無需外接決定頻率的電阻或電開關電容集成濾波器無需外接決定頻率的電阻或電容，濾波頻率僅由外接或片內(nèi)時鐘頻率決定，因而性容，濾波頻率僅由外接或片內(nèi)時鐘頻率決定，因而性能穩(wěn)定；能穩(wěn)定；可以精確調(diào)試可以精確調(diào)試LTC1068-50集成開關電容濾波器：集成開關電容濾波器： 時鐘與中心頻率之比為時鐘與中心頻率之比為50:1，因此，要濾波，因此，要濾波50Hz 的工

43、頻干擾信號，計算其中心頻率為：的工頻干擾信號，計算其中心頻率為：所以中心時鐘頻率為所以中心時鐘頻率為2.5 KHz，則本設計采用外接時，則本設計采用外接時鐘信號，該時鐘信號來自鐘信號，該時鐘信號來自C8051F206。陷波深度可達陷波深度可達50dB，可衰減，可衰減100倍左右。即將倍左右。即將50 Hz工頻干擾信號衰減了近工頻干擾信號衰減了近100倍，從而達到精確、有倍，從而達到精確、有效地濾除了工頻干擾。效地濾除了工頻干擾。 f（中心頻率）（中心頻率）=50*50=2500Hz=2.5KHz9.2.39.2.3下 頁上 頁返 回 人體肌電隨著個體的差異也會對心電信號造成不人體肌電隨著個體的

44、差異也會對心電信號造成不同程度的干擾，有時甚至淹沒心電信號，因而有必要同程度的干擾，有時甚至淹沒心電信號，因而有必要加以抑制。研究表明，肌電干擾主要集中在加以抑制。研究表明，肌電干擾主要集中在35H左左右，為此，本系統(tǒng)還設計了圖右，為此，本系統(tǒng)還設計了圖9.6所示的所示的35H的無的無限增益多路反饋型二階陷波器。該二階陷波器由限增益多路反饋型二階陷波器。該二階陷波器由U1A、U1B構成。其截止頻率約為構成。其截止頻率約為35H，Q約為約為7，符合實，符合實際要求際要求 。（3）陷波器電路）陷波器電路 圖圖9.6心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)35陷波電路原理圖陷波電路原理圖9.2.39.2.3

45、3. 單片機電路單片機電路本系統(tǒng)采用了一個內(nèi)部含有本系統(tǒng)采用了一個內(nèi)部含有12位位A/D轉換器的單片機轉換器的單片機C8051F206。在此單片機內(nèi)部即可進行。在此單片機內(nèi)部即可進行A/D轉換和數(shù)轉換和數(shù)據(jù)存儲，不需要外接據(jù)存儲，不需要外接A/D轉換電路。轉換電路。下 頁上 頁返 回9.2.39.2.34數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中軟件部分的設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中軟件部分的設計 主程序是對十二位通道的數(shù)據(jù)進行采集，并把采主程序是對十二位通道的數(shù)據(jù)進行采集，并把采集的最終結果存在集的最終結果存在FLASH存儲器中。轉換采用查詢存儲器中。轉換采用查詢方式，并通過讀控制寄存器方式，并通過讀控制寄存器ADC0CON 的

46、的ADBUSY位來判斷一次位來判斷一次A/D轉換的完成與否。十二位通道選用轉換的完成與否。十二位通道選用端口端口P1.0P1.7 P3.0P3.3，P0.4配置成為配置成為50HZ陷陷波器提供波器提供2.5KHZ時鐘信號，采樣周期為時鐘信號，采樣周期為5ms。本程。本程序先對特殊功能寄存器進行初始化，再啟動定時器序先對特殊功能寄存器進行初始化，再啟動定時器2進行進行5ms定時，定時器定時，定時器2溢出時啟動溢出時啟動A/D轉換。轉換。 子程序還包括按鍵掃描處理程序、數(shù)字濾波程序、子程序還包括按鍵掃描處理程序、數(shù)字濾波程序、顯示程序等。顯示程序等。 下 頁上 頁返 回9.2.39.2.39.3

47、9.3 簡易單回路溫度控制器簡易單回路溫度控制器 溫度控制器又稱為溫度調(diào)節(jié)器，有單回路、雙溫度控制器又稱為溫度調(diào)節(jié)器，有單回路、雙回路和多回路之分。單回路調(diào)節(jié)器只能控制一個回回路和多回路之分。單回路調(diào)節(jié)器只能控制一個回路，雙回路調(diào)節(jié)器可以控制兩個回路，多回路調(diào)節(jié)路，雙回路調(diào)節(jié)器可以控制兩個回路，多回路調(diào)節(jié)器可以控制兩個以上的回路。在我國使用得比較廣器可以控制兩個以上的回路。在我國使用得比較廣泛的單回路調(diào)節(jié)器主要有美國泛的單回路調(diào)節(jié)器主要有美國Honeywell的的UDC6000，韓國，韓國Honeywell的的IPC1000，日本，日本Shimaden的的FP系列和系列和SR系列，系列，Yok

48、ogawa的的PD550/750，以及，以及Omron和和RKC推出的系列溫控推出的系列溫控儀表等儀表等 。下 頁上 頁返 回下 頁上 頁返 回9.3.1 功能需求和總體思路功能需求和總體思路 單回路溫度控制器實際上是以單片機控制為核單回路溫度控制器實際上是以單片機控制為核心，根據(jù)設定目標溫度值進行自動或手動調(diào)節(jié)的單心，根據(jù)設定目標溫度值進行自動或手動調(diào)節(jié)的單回路溫度控制系統(tǒng)，主要包括溫度控制、溫度檢測、回路溫度控制系統(tǒng)，主要包括溫度控制、溫度檢測、參數(shù)顯示、報警指示、通訊等部分。根據(jù)模式值，參數(shù)顯示、報警指示、通訊等部分。根據(jù)模式值，可查看相應的參數(shù)，如設定溫度值、溫度上限報警可查看相應的參

49、數(shù)，如設定溫度值、溫度上限報警值等，并根據(jù)需要可對參數(shù)進行修改、保存等。同值等，并根據(jù)需要可對參數(shù)進行修改、保存等。同時本控制器能與上位機通訊，可以由上位機修改設時本控制器能與上位機通訊，可以由上位機修改設定溫度，并實時顯示溫度值和趨勢曲線，與溫度控定溫度，并實時顯示溫度值和趨勢曲線，與溫度控制器配合可構成一套完整的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。制器配合可構成一套完整的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。 系統(tǒng)功能：系統(tǒng)功能：1)設定溫度顯示、實時溫度顯示；設定溫度顯示、實時溫度顯示；2)溫度上、下限報警；溫度上、下限報警；3)溫度上、下限報警值設定；溫度上、下限報警值設定；4)目標溫度值設定；目標溫度值設定；5)放大電路放大倍數(shù)

50、設定；放大電路放大倍數(shù)設定；6)PID控制參數(shù)的設定；控制參數(shù)的設定；7)手動加熱設定值；手動加熱設定值；8)手動手動/自動設定；自動設定；9)溫度零點標定；溫度零點標定；10)參數(shù)保存；參數(shù)保存；11)上位機目標溫度值設定；上位機目標溫度值設定；12)上位機實時溫度波形曲線圖顯示上位機實時溫度波形曲線圖顯示 2. 總體設計思路總體設計思路 單回路溫度控制器包括實現(xiàn)溫度控制的單片機單回路溫度控制器包括實現(xiàn)溫度控制的單片機ADuC812、信號處理電路、溫度參數(shù)顯示（數(shù)碼、信號處理電路、溫度參數(shù)顯示（數(shù)碼管顯示）、管顯示）、SSR輸出控制電路、通信電路等幾個部輸出控制電路、通信電路等幾個部分。整個

51、系統(tǒng)硬件結構如圖分。整個系統(tǒng)硬件結構如圖 ：下 頁上 頁返 回圖圖9.9 9.9 單回路溫度控制器組成框圖單回路溫度控制器組成框圖 數(shù)碼管用來顯示模式值及相應的參數(shù)。數(shù)碼管用來顯示模式值及相應的參數(shù)。CPU根據(jù)檢測的溫根據(jù)檢測的溫度值對上、下限報警值進行比較，控制報警燈的狀態(tài)。度值對上、下限報警值進行比較，控制報警燈的狀態(tài)。K分度分度熱電偶作為溫度傳感器，是檢測電路的關鍵部件。傳感器信號熱電偶作為溫度傳感器，是檢測電路的關鍵部件。傳感器信號通過放大、濾波等處理，可直接由通過放大、濾波等處理，可直接由ADuC812進行進行A/D轉換，換轉換，換算為相應的溫度測量值。根據(jù)測量值和設定值之差，進行算

52、為相應的溫度測量值。根據(jù)測量值和設定值之差，進行PID運算，本系統(tǒng)采用周波控制方式，通過控制運算，本系統(tǒng)采用周波控制方式，通過控制SSR來控制加熱爐來控制加熱爐的溫度。通信電路實現(xiàn)上位機和溫度控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。的溫度。通信電路實現(xiàn)上位機和溫度控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。 9.3.19.3.13. 操作模式操作模式基于數(shù)碼管的單回路控制器，往往使用菜單模式來切基于數(shù)碼管的單回路控制器，往往使用菜單模式來切換所有的顯示參數(shù)，只有在當前模式下才能修改和顯換所有的顯示參數(shù)，只有在當前模式下才能修改和顯示其對應的參數(shù)。本系統(tǒng)可用示其對應的參數(shù)。本系統(tǒng)可用3個按鍵實現(xiàn)模式切換個按鍵實現(xiàn)模式切換和參數(shù)修改操作

53、，所以這和參數(shù)修改操作，所以這3個鍵分別定義為模式鍵，個鍵分別定義為模式鍵，數(shù)值增加鍵和數(shù)值減少鍵；用數(shù)值增加鍵和數(shù)值減少鍵；用8個數(shù)碼管顯示模式和個數(shù)碼管顯示模式和對應的參數(shù)，左邊對應的參數(shù)，左邊4個數(shù)碼管顯示模式值，右邊個數(shù)碼管顯示模式值，右邊4個數(shù)個數(shù)碼管顯示相應模式對應的參數(shù)值。碼管顯示相應模式對應的參數(shù)值。 下 頁上 頁返 回10種模式定義：種模式定義：模式模式0：溫度設定值和溫度實時值顯示（前：溫度設定值和溫度實時值顯示（前4位數(shù)碼管位數(shù)碼管顯顯 示溫度設定值，后示溫度設定值，后4位顯示實時溫度值）；位顯示實時溫度值）；模式模式1：設置和顯示溫度上限報警值（：設置和顯示溫度上限報警

54、值（01200）；）；模式模式2：設置和顯示溫度下限報警值（：設置和顯示溫度下限報警值（01200）；）；模式模式3：設置和顯示溫度設定值（：設置和顯示溫度設定值（01200）；）；模式模式4：設置實時溫度采集放大電路的放大倍數(shù)；：設置實時溫度采集放大電路的放大倍數(shù)；模式模式5：設置和顯示：設置和顯示PID算法中的比例系數(shù)（算法中的比例系數(shù)（0.00 50.00）；）；模式模式6：設置和顯示：設置和顯示PID算法中的積分系數(shù)（算法中的積分系數(shù)（0.0050.00）；）；模式模式7：設置和顯示：設置和顯示PID算法中的微分系數(shù)（算法中的微分系數(shù)（0.0050.00）；）；模式模式8：設置和顯示手

55、動輸出值（：設置和顯示手動輸出值（0100）模式模式9：手動：手動/自動切換（自動切換（1：手動；：手動；0：自動）：自動）模式模式10：標定和顯示實時溫度的零點：標定和顯示實時溫度的零點9.3.19.3.19.3.2 9.3.2 溫度測控電路設計溫度測控電路設計1. 溫度檢測電路溫度檢測電路本系統(tǒng)采用鎳鉻本系統(tǒng)采用鎳鉻-鎳硅（鎳硅（K分度）熱電偶作為溫度分度）熱電偶作為溫度傳感器，由此構成的檢測電路如圖傳感器，由此構成的檢測電路如圖9.10所示。由所示。由熱電偶的特性可知，進入放大器的電壓信號實為熱電偶的特性可知，進入放大器的電壓信號實為熱電偶冷熱端溫差引起的熱電勢信號。熱電偶冷熱端溫差引起

56、的熱電勢信號。 下 頁上 頁返 回冷端處于室溫，熱端為加熱爐溫度，單片機的冷端處于室溫，熱端為加熱爐溫度，單片機的A/D通道可以直通道可以直接采集熱電偶信號，經(jīng)冷端溫度補償后，再查表接采集熱電偶信號，經(jīng)冷端溫度補償后，再查表K分度則可以分度則可以得到熱端溫度值。室溫的測量可以通過得到熱端溫度值。室溫的測量可以通過AD590將室溫變化為電將室溫變化為電壓信號，經(jīng)放大后直接送給單片機的壓信號，經(jīng)放大后直接送給單片機的A/D通道，單片機程序自通道，單片機程序自動完成熱電偶信號的采集和冷端信號的采集，計算出實際的溫動完成熱電偶信號的采集和冷端信號的采集，計算出實際的溫度測量值。度測量值。下 頁上 頁返

57、 回2.溫度控制電路溫度控制電路對于加熱爐的溫度控制可以采用移相控制或周波控對于加熱爐的溫度控制可以采用移相控制或周波控制方式制方式 。周波控制方式實際上是通過調(diào)節(jié)一定時間周期內(nèi)的周波控制方式實際上是通過調(diào)節(jié)一定時間周期內(nèi)的供電時間比例（即交流周波數(shù)）來控制加熱對象在供電時間比例（即交流周波數(shù)）來控制加熱對象在本周期內(nèi)獲得的電能，從而控制其溫度。由于控制本周期內(nèi)獲得的電能，從而控制其溫度。由于控制加溫的時間比例實現(xiàn)起來相對簡單，因此周波控制加溫的時間比例實現(xiàn)起來相對簡單，因此周波控制方式在溫度控制系統(tǒng)獲得了比較廣泛的應用，本系方式在溫度控制系統(tǒng)獲得了比較廣泛的應用，本系統(tǒng)確定采用周波控制方式。

58、統(tǒng)確定采用周波控制方式。 下 頁上 頁返 回9.3.29.3.2下 頁上 頁返 回由圖由圖9.11可知，單片機的可知，單片機的I/0腳輸出低電平時，控腳輸出低電平時，控制制SSR使加熱元件接通使加熱元件接通220V交流電源，加熱元交流電源，加熱元件獲得電能，溫度升高；件獲得電能，溫度升高；I/0腳輸出高電平時，腳輸出高電平時，SSR開路，加熱元件兩端無電壓，停止加熱，對開路，加熱元件兩端無電壓，停止加熱，對象的溫度開始下降。象的溫度開始下降。圖9.11 周波控制輸出電路采用控制時間比例控制的具體方法是：采用控制時間比例控制的具體方法是：設定一個標準的加溫周期設定一個標準的加溫周期T，以，以T為

59、周期對溫度進行為周期對溫度進行采樣，獲得溫度測量值。采樣，獲得溫度測量值。根據(jù)設定值和測量值的偏差，進行根據(jù)設定值和測量值的偏差，進行PID運算。運算。將將PID的輸出轉換為的輸出轉換為SSR的通斷時間。的通斷時間。9.3.29.3.2PID算法有位置式和增量式兩種：算法有位置式和增量式兩種： （1）增量式）增量式PID算法得到的結果是增量，也就算法得到的結果是增量，也就是說，在上一次的控制量的基礎上需要增加（負是說，在上一次的控制量的基礎上需要增加（負值意味著減少）的控制量。值意味著減少）的控制量。 （2）位置式算法則表現(xiàn)為當前的觸發(fā)相位應）位置式算法則表現(xiàn)為當前的觸發(fā)相位應該在什么位置。又

60、如在溫度控制系統(tǒng)中，增量式該在什么位置。又如在溫度控制系統(tǒng)中，增量式算法則表現(xiàn)為在上次通電時間比例的基礎上，還算法則表現(xiàn)為在上次通電時間比例的基礎上，還需要增加或減少的通電時間比例；位置式算法則需要增加或減少的通電時間比例；位置式算法則直接指明本周期內(nèi)要通電多長時間。本系統(tǒng)采用直接指明本周期內(nèi)要通電多長時間。本系統(tǒng)采用的是位置式的是位置式PID算法。算法。下 頁上 頁返 回9.3.3 PID控制算法的實現(xiàn)控制算法的實現(xiàn)位置式位置式PID算法計算公式如下：算法計算公式如下：Pout(t)=Kp*e(t)+KiSum_e(t)+Kd*(e(t)-e(t-1);其中，其中，e(t)為基本偏差，表示當