摘要:本文介紹了一種新型智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞:測(cè)量;微處理器;智能監(jiān)控

1、概述

自從1971年世界上第一種微處理器(美國Intel公司4004型4位微處理芯片)問世以來，微計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展.測(cè)量?jī)x器在它的影響下有了新的活力，取得了新的進(jìn)步.電子計(jì)算機(jī)從過去的龐然大物已縮小到可以置于測(cè)量?jī)x器之中，作為儀器的控制器、存儲(chǔ)器及運(yùn)算器，并使其具有了智能的作用.概括起來說，智能儀表在測(cè)量過程自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理及一機(jī)多用(多功能化)等方面取得了巨大的進(jìn)展.到了20世紀(jì)90年代，在高正確度、高性能度、多功能的測(cè)量?jī)x器中已經(jīng)很少有不采用微處理器的了。

2、測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著儀表功能的越來越強(qiáng)以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們的生產(chǎn)行為、生活方式都發(fā)生了重大的變化，作為生活生產(chǎn)中非常重要的一項(xiàng)技術(shù)即監(jiān)控技術(shù)的重要性正在逐漸被人們所認(rèn)識(shí)和重視。監(jiān)控系統(tǒng)的演變，是一個(gè)從集中監(jiān)控向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的發(fā)展歷史。

3、設(shè)計(jì)目的

該項(xiàng)設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一種集多種測(cè)量功能為一身的并具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制功能的智能化監(jiān)控儀表，力在消除多種儀表混用不兼容的現(xiàn)象。又由于引入了微處理器與總線技術(shù)，使得本次設(shè)計(jì)不僅可以測(cè)量多個(gè)量，而且具有聯(lián)網(wǎng)實(shí)施遠(yuǎn)程控制方便檢測(cè)的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)儀表具有以下特點(diǎn):

①常規(guī)儀表與微處理器的結(jié)合組成智能化的監(jiān)控檢測(cè)儀表;

②可以測(cè)量交流電壓、交流電壓有效值、直流電壓、直流電流;

③采用485總線芯片實(shí)現(xiàn)儀表遠(yuǎn)程操作;

④具有自動(dòng)開關(guān)量輸出與手動(dòng)開關(guān)量輸出;

⑤采用PC對(duì)各個(gè)儀表進(jìn)行監(jiān)控并對(duì)儀表測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

4、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

微處理器的發(fā)展使儀表具有智能化，智能化儀表有很多功能與特點(diǎn)。但是在現(xiàn)實(shí)生活中，常規(guī)儀表依然大量存在，比如，現(xiàn)在日常生活中大量存在的分立的電壓表、電流表，這就使得同一采集點(diǎn)同時(shí)使用兩個(gè)測(cè)量?jī)x表甚至更多，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集時(shí)，一個(gè)儀表就需要一個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，使線路變的極其復(fù)雜，如果儀表的類型不一樣則采集到的數(shù)據(jù)也各不相同，嚴(yán)重影響上位機(jī)的處理工作，更別說實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制了。因此，一種可以將常規(guī)儀表融合到一起的儀表，并且具有總線功能與遠(yuǎn)程檢測(cè)控制的儀表成為生活生產(chǎn)中迫切需要的一種設(shè)備。本文介紹的是為滿足用戶的這種需求而設(shè)計(jì)出來的一種智能化儀表—智能數(shù)字萬用表的硬件設(shè)計(jì)過程。

智能數(shù)字萬用表是將幾種常規(guī)的儀表融合到一起的儀表。由于加入了微處理器使儀表具有了一定智能化功能，又由于加入485總線芯片便使得儀表具有了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制的功能。

4.1智能數(shù)字萬用表的系統(tǒng)框圖

數(shù)字萬用表是測(cè)量交流電壓、直流電壓、電流和電阻等參數(shù)的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。智能數(shù)字萬用表是在數(shù)字萬用表的基礎(chǔ)上嵌入微處理器，且具有測(cè)量軟件的多功能數(shù)字測(cè)量?jī)x器，其結(jié)構(gòu)為:

4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與硬件框圖

4.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

4.2.1.1測(cè)量電路:測(cè)量分4部分——直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電壓有效值，

①交流電壓測(cè)量部分。

測(cè)量交流電壓必須將其轉(zhuǎn)化為直流，所以交流電壓經(jīng)過分壓后需要整流電路將其轉(zhuǎn)化為直流，這里整流電路使用由運(yùn)放組成的有源濾波整流電路。這部分測(cè)量的是交流電壓的平均值即我們所說的交流電壓值。

②交流電壓有效值測(cè)量。

在實(shí)際應(yīng)用中，交流電壓的有效值比電壓平均值更為常用，而對(duì)于理想的正弦波的有效值等于平均值乘以波形因數(shù)1.11，然而有時(shí)測(cè)量的不是正弦波而是方波、三角波或者是不規(guī)則波形，它們的有效就不能用平均值乘以波形因數(shù)的方法求得，就必須用真有效值轉(zhuǎn)換電路才能測(cè)量。本設(shè)計(jì)使用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637。

③直流電壓的測(cè)量。

直流電壓比較容易測(cè)量，分壓后直接測(cè)量即可。

④直流電流的測(cè)量。

測(cè)量直流電流必須將其轉(zhuǎn)化為直流電壓，通常的方法是在電路中加入采樣電阻，將電流轉(zhuǎn)化為電壓再運(yùn)用測(cè)直流電壓的方法直接測(cè)量。

4.2.1.2控制電路分為3部分——A/D轉(zhuǎn)換部分、主控制部分、超量程保護(hù)部分。

①A/D轉(zhuǎn)換部分。

A/D轉(zhuǎn)換器選擇ICL7135，ICL7135具有數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示輸出，不用單片機(jī)就能顯示測(cè)量結(jié)果，而且用串行數(shù)據(jù)采集的方法與單片機(jī)連接相當(dāng)簡(jiǎn)單，這就有利于減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。

②主控制部分。

微處理器是智能儀表的核心部分，它對(duì)儀表的性能影響很大。現(xiàn)在常用的有8位和16位單片機(jī)，這里我們使用ATMEL的AT89C51。

③超量程保護(hù)部分。

好的儀表都有一整套的保護(hù)體系，本設(shè)計(jì)有輸入鉗位保護(hù)與超量程保護(hù)。輸入鉗位保護(hù)使用二極管實(shí)現(xiàn)，超量程保護(hù)使用運(yùn)放組成窗口比較器，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換前的電壓信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)。

4.2.1.3通信電路:

通信功能是智能儀表的基本功能，為了簡(jiǎn)單起見使用RS485通信，485總線通信是一種比較簡(jiǎn)單的通信總線技術(shù)，RS485采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，+2V～+6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，現(xiàn)很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓樸結(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個(gè)結(jié)點(diǎn)。485通信芯片使用MAX485。智能儀表還要能夠與PC通信，由于PC使用RS232通信，要想與485總線上的儀表通信就必須加232/485轉(zhuǎn)換電路。

4.2.2 系統(tǒng)硬件框圖

圖2-1為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖，交流電壓、交流電壓有效、直流電壓三部分共用一個(gè)分壓電路，分壓電路靠單片機(jī)控制繼電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔。直流電流的測(cè)量使用單獨(dú)的電流采樣電路將電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)再進(jìn)行測(cè)量，四個(gè)量的測(cè)量靠繼電器進(jìn)行切換，繼電器由單片機(jī)控制。前級(jí)輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過具有自動(dòng)穩(wěn)零的斬波穩(wěn)零第四代運(yùn)放ICL7650放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135進(jìn)行AD變換再送LED顯示與送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。儀表具有通信功能，7135處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)由單片機(jī)發(fā)送出去，經(jīng)過485通信芯片傳送到遠(yuǎn)端的監(jiān)控PC上，PC經(jīng)過處理將這些數(shù)據(jù)顯示到顯示器上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。

5、結(jié)論

本硬件設(shè)計(jì)通過與軟件設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了智能檢測(cè)與控制功能，不僅可以應(yīng)用在智能儀表監(jiān)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，也可以推廣應(yīng)用在其他電路中。