智能记录仪在检测实验教学中的应用

付 青, 丁 金 华, 王 辉, 王 朋 亮, 季 田

( 大连工业大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

智能记录仪近十年来在工业上已经得到了广泛的应用[1],然而在教学当中应用不是很广泛[2]。 为了让学生通过实验更好地了解现代工业中常用的检测装置,不与实际脱节,作者利用HMI液晶终端系统完成了智能记录仪。

检测技术中涉及多种类型的传感器,例如电阻应变传感器、电感位移传感器、压电传感器、电容传感器、光电旋转编码器、用于温度测量的热电偶和铂电阻传感器。一些传感器内部已有信号调理电路,可以直接输出标准电流信号,如DC 0～10 mA,DC 4～20 mA或标准电压信号,如0～5 V,0～10 V等,有的以频率信号输出。标准信号输出的传感器信号调理电路只需作简单的放大与变换,对其他非标准信号,先经过变送转换成标准信号后再进行相应的调理电路。智能记录仪涉及应变片的电桥电路变换、铂电阻的恒流驱动及补偿变换电路、热电偶的信号变换电路,基本涵盖了工科院校检测技术中的传感器种类,可以完成诸如力学中的梁的弯曲、扭转实验、拉压力传感器实验、振动测量、温度测量、齿轮周节误差分析等实验。

1 智能记录仪硬件设计

智能记录仪系统硬件配置框图如图1所示。

图1 智能记录仪系统框图

1.1 中央处理器CPU

数据采集器的核心器件C8051F340是完全集成的混合信号片上系统型MCU,带有模拟多路器10位的单端/差分A/D,精确校准的12 MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器,具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列,4个通用的16位定时器,容许5 V输入的多达40个I/O端口。

1.2 输入/输出板电路设计

在输入信号中,对数据采集的准确性要高,所以必须考虑到隔离技术,以提高抗干扰能力,从而使A/D采样能够良好的进行。本系统从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器OP07放大到0～10 V后加到V/F变换器LM331的输入端,LM331将输出的频率信号转换成TTL电平,进过6N137光电耦合器送给单片机的I/O口作为定时器的计数脉冲。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0 V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽,可达100 dB；线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1 Hz时尚有较好的线性；变换精度高,数字分辨率可达12位；该转换电路线性良好,抗干扰能力强,输出范围在10 Hz～10 kHz,有利于提高系统的测试范围。如此使得仪表的抗干扰能力大大提高,使仪表运行稳定、可靠,

所以用LM331模块代替CPU自带的AD转换功能。

1.3 液晶显示及键盘

液晶显示器可分为段位式LCD、字符式LCD和点阵式LCD。其中段位式LCD和字符式LCD只能用于字符和数字的简单显示,不能满足图形曲线和汉字显示的要求。设计中智能仪器需要进行实时曲线图、汉字、字符等显示,因此选择点阵式LCD。作为一款以微处理器为核心、集液晶汉字与图形显示为一体,具有无纸记录、实时性好、通用性好、精度高、带通信功能的智能化仪表,其精度、可靠性、性价比等综合性能都需要考虑,最终采用了8″的迪文智能终端彩色显示器,800×600的图形点阵,型号为DMT80600S080-03WN,电源输入电压为4.5～26 V,HMI用户接口有8个引脚和单片机连接进行通讯,实现人机交互。表1是HMI接口引脚说明。

表1 HMI接口引脚

由于迪文HMI的处理速度很快,所以不用判断BUSY信号状态,悬空即可。其他引脚与单片机对应连接。HMI的串口模式为全双工异步串口(UART),8N1模式,波特率1 200～115 200 b/s。HMI可以支持2000～2099年的阳历和农历实时时钟,为提供时间基准以确保历史数据在时间上的不变性,它在掉电情况下仍能正常运行,走时准确。HMI终端带有键盘接口,可支持8×8矩阵键盘,可实现人工设定或者功能切换等操作。

2 智能记录仪软件设计

2.1 信号输入AD采样

调理后的信号通过LM331转换为频率信号,利用CPU的定时器进行计数,实现A/D采样,最后得到A/D 转换的结果。最后经过UART1串口的发送引脚再次隔离发送到HMI终端上显示。为了使采样的精度更准确,采用PCA中断,边沿触发的捕捉方式,得到一个周期的采样数,取10个周期后再取平均值。

void PCA0_ISR (void) interrupt 11

{

if (CCF0)

{

CCF0=0;

pcacounter++;

fr331time=fr331time+PCA0CP0;

nnn++;

if (nnn>=10)

{

average=fr331time/10;

nnn=0;

fr331time=0;

}

}

}

2.2 HMI终端显示

迪文HMI所有指令或者数据都是16进制(HEX)格式,对于字形(2字节)数据,采用MSB方式传送,即高字节在前。数据帧结构如表2所示。

表2 HMI数据帧结构

HMI终端主要显示文本、数据、曲线等功能,使用内部标准指令,将程序模块化、简单化,这样不但节省开发时间,还便于用户修改与维护。所用的部分指令说明如下:

文本显示指令:0xAA 0x55 0xCC 0x33 0xC3 0x3C

动态曲线显示指令: 0xAA 0x74 <(Y0,Color0)…(Yi,Colori)> 0xCC 0x33 0xC30 0x3C

说明:

显示字符串的起始位置 为Y轴的起始点和终点坐标

要显示的字符串

背景色 前景色

液晶显示动态曲线,需要实时描出变量的曲线趋势图,作者用显示时斜率的值来定义曲线的变化幅度,把曲线按照其变化幅度的大小分成“大动态曲线”和“小动态曲线”。在显示终端上可以用不同的方法来实现,因为本实验数据变化幅度不是很大,所以采用“小动态曲线”来实现动态的曲线。

小动态曲线可用0x74指令实现,用指定的背景色(Bcolor)擦除 (X,Ys) 至(X,Ye)的垂直线,Ys为Y坐标起点,Ye为主Y坐标终点,在以后采样点的位置颜色为Colori的点,可以同时在不同位置多个点,就是把采样点当成X轴,不同变量采样点结果作为Y轴,通过不停的采样输出刷新X坐标来实现。

HMI自带实时时钟,通过UATR1中断,对读取的时钟接收,显示在液晶上。

子程序代码:

void send_byte(unsigned char f)//发送字节

{

SBUF1=f;

while ((SCON1 & 0x02)==0)

{;}

SCON1 &= 0xfd;

}

void send_str(unsigned char *p,unsigned char s)//向串口发送一个数据串

{

unsigned char m;

for(m=0;m

{ send_byte(*p); p++;}

}

void curv()//显示实时曲线

{

send_byte(0xAA);

send_byte(0x74);

DATE=(RE[0]*100+RE[1]*10+RE[3])/20+100;//接受到的数据,Y轴从100开始为起点

send_word (x);

send_word (100);

send_word (600);

send_word (0x001f);

send_word (DATE);

send_word (0xF800);

end();//帧尾

x++;//可根据X轴点间距设置x的增值

if(x>790)//X轴为800

{

x=50;//X轴从50开始起点

}

msec(1);//延时

}

2.3 下位机与记录仪通信

本系统采用RS-232接口芯片MAX232作为通信口,用UART1来进行发送数据,串口中断来接受HMI发送的数据。单片机还留有zigbee接口,可以方便将来采用无线发送数据。

2.4 键盘数据读入

对数字键盘进行定时扫描,根据判断结果置相应标志,以便主控程序执行相应的子程序。

2.5 数据存储

无纸记录仪是一个实时存储记录的一种系统,现场大量数据需要保存、存档以备以后可以查询,本系统采用的CPU带有USB 2.0接口,所以可以将实验数据存到U盘,作为外部存储器。便于从历史数据库中提取数据并完成指定的处理功能的数据转换,包括历史数据显示、历史曲线绘制等。

3 智能记录仪在教学中的应用

本系统测试采用铂电阻PT100-温度传感器。方案为设计一个恒流源通过PT100热电阻,通过检测PT100上电压的变化来换算成温度。图2为测温原理图。

图2 PT100测温原理图

铂电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示[5]:

在0～650 ℃:Rt=R0(1+At+Bt2)

式中,A、B为常数,A=3.968 47×10-3；B=-5.847×10-7。

由于公式计算较为复杂,所以采用软件查表或线性插值法,从A/D输入的电压值再得出实时温度值。铂电阻常用的电压信号获取电路通常有电桥电路和恒流源电路,实际测温中常采用恒流源电路。由于恒流源的作用,使得电压输出与电阻成良好的线性关系,测量精度得到了很好的保证,最后将电压信号转换为对应的温度值实时显示。为了使电阻和温度关系尽量线性,减少误差,在软件设计中可采用数字滤波和非线性补偿。具体方法由学生自选来进行编程,使实时曲线更接近于线性。

HMI液晶终端系统分为两个通道,左侧通道为温度和电阻关系,右侧通道为电压与电阻关系。通过液晶终端可以使学生们更直观地观察温度趋势曲线和实时测量的电压、电阻和温度值。 图3是实验中记录仪的界面,温度值和电压值会随着阻值变化。

图3 铂电阻PT100测温实验记录仪界面

4 结束语

智能记录仪在自动化实验装置中的应用,解决了原先使用有纸记录仪带来的各种问题,提高了参数记录精度,方便了数据保存和分析,提高了实验效果,学生也可利用此系统进行单片机的编程,使之更形象地了解图形化编程,同时也使学生接触到了最新的自动化装备。相信智能记录仪在今后的教学实验中能得到更为广泛的应用。

[1] 谢焱,毕监勃. 无纸记录仪技术的现状及发展趋势[J]. 自动化与仪器仪表, 2001(3):1-4.

[2] 仲玉芳. 无纸记录仪在工业自动化教学实验装置中的应用[J]. 微计算机应用, 2007, 26(7):23-26.

[3] 杨春燕,马月辉,严世强. 多通道无纸记录仪的研制和开发[J]. 实验室研究与探索, 2002, 21(6):93-94.

[4] 王悦. 彩色无纸记录仪的设计[J]. 仪器仪表与应用, 2006(4):84-86.

[5] 谢伟,文小玲. 铂电阻测温非线性补偿的研究[J]. 国外电子元器件, 2007(7):15-17.

[6] 张根源,陆琼,何晓华. 一种带集成WATCHDOG电路的无纸记录仪的设计[J]. 计算机测量与控制, 2002, 10(7):485-487.