智能美设计测量

智能在线电导率分析仪的设计与实现林晓梅 尤文 李慧 金星 王盛慧(长春工业大学电气与电子工程学院，130012) 摘 要：介绍了一个利用单片机技术的智能在线电导率分析仪的设计，给出了系统的硬件结构和软件设计的思路。本设计符合工厂应用的要求，可以由用户自己定义、自己设计，以满足不同的要求。 关键词：电导率 专家系统0引言 近年来，随着饮用纯净水、药用蒸馏水、生物制品用水、动力锅炉及大型发电机组冷却用水需求量的急剧增加，以及木材烘干、粮食水份检测等技术的广泛应用，越来越多的产品、技术开始对介质的导电性能、成份要求给出准确的分析和评价，而且在实时性、准确度等方面提出了更高的要求。基于上述原因，国内外许多著名公司如美国的罗斯蒙特、中国石家庄科达仪表厂等相继开发了相应的产品。国外产品的价格明显偏高，如美国的1054B电导率分析仪离岸价为1600美元，不适于量大面广的使用。国内产品采用纯硬件结构，对影响测量结果的介质温度只能作分段象征性的补偿，效果不好、准确度低、稳定性差。更有甚者，国内外同类产品对介质流速变化产生的测量误差均没有补偿措施，仪表在不同条件下也需要人工多次调整才能使用，不仅影响了生产效率，而且增加了维护成本。基于上述背景，我们提出将专家系统和模糊推理应用于介质的在线电导率测量过程中，提出了在线补偿和在线学习推理的测量方法，这种方法同国内外同类产品中的技术相比，人工参与的机会少，仪表自调整自学习的能力强。同时，这种方法也为其它相关领域的研究提供了可借鉴的方案。1智能在线电导率分析仪的结构与功能 智能在线电导率分析仪的结构如图1所示。这个系统以普通计算机为基础，用硬件、软件实现测量系统的功能。图中激励信号电路为自制电路，采用交流方波驱动电路来驱动电导率传感器，与现有产品中所采用的桥式电路相比较，不仅在线性度、准确度和测量范围上都有显著提高，而且，交流驱动方式与现有产品中的直流驱动方式相比，彻底克服了电导率传感器的极化现象，从根本上保证了测量的精度。通过TCP/IP协议把采样数据送往上位机，上位机软件采用LabVIEW程序设计，可以由用户自己定义、自己设计，以满足不同的要求。 智能在线电导率分析仪的功能为： （1）能对本质情况进行实时在线检测，提供故障诊断依据，检测参数为电导率和温度值； （2）建立网络数据库，记录电导率历史运行数据，判断报警状态和报警数据； （3）利用数字信号处理和统计技术，提供反映电导率的图谱和统计分析结果； （4）提供系统参数组态功能，根据现场具体情况定义相关系统参数，完成系统重构，以满足不同用户的要求； （5）在企业网内对水质的运行实现远程监控与分析； （6）实现虚拟仪器的网页发布。2智能在线电导率分析仪的硬件介绍2.1程控放大部分 程控放大部分由1片CD4051、1片OP07和4个反馈电阻组成。采样信号进入OP07的正向输入端，CD4051的X（3脚）接OP07的负向输入端，A端（11脚）B端（10端）分别与单片机的P3.6与P3.7连接，C（9脚）接地。程序通过对CD4051不同通道的选择，来构成不同增益的同向放大器，实现对不同范围的温度与电导率信号的测量。2.2AD部分 AD部分由1片CD4040、1片ICL7135、电阻与电容组成。本系统利用ICL7135进行模数转换与时间成比例的关系，实现单片机与ICL7135的最简连接。将AT89C52的ALE通过CD4040做8分频后得到ICL7135所需500K的时钟。将ICL7135的BUSY和POL分别与单片机的INT0和T1连接。程序将INT0设成门控方式工作，即当INT0脚为高电平时，T0工作在计时方式来计高电平的时间。当ICL7135进行模数转换时，BUSY信号为高电平，转换结束时BUSY为低电平。由于T0、ALE与系统时钟频率之间有一定的比例关系就可以计算出要转换结果。2.3单片机部分 单片机部分由AT89C52、AT24C08、12M晶振和复位电路构成。其中AT24C08中存储着系统参数以及温度补偿数据表。 多路开关部分电路如图2所示，由1片CD4051、电阻、电容和稳压管等组成。CD4051的X接程控放大部分OP07的正向输入端，A端和B端分别与单片机的P1.7和P1.6连接,C接地。程序通过对CD4051不同通道的选择，选择不同的输入信号，实现对温度与电导率信号的测量。其中X3通道是电导率信号输入，X1通道是温度信号输入。2.4激励电路部分 激励信号由CD4052的Y通道经分压电阻后激励电导率传感器，同时在U1点得到与电导率信号成正比的信号。该信号经CD4053的X通道在经阻容滤波后，进入CD4051的X0通道后进入程控放大部分。为了去掉CD4052中通道电阻带来的误差，在U2点处测得直接加在分压电阻与电导率的激励信号，由CD4051的X4、X5通道经CD4053的Z通道在经阻容滤波后，进入CD4051的X2通道后进入程控放大部分。这样用U1、U2和分压电阻的阻值就可以计算出电导率的值。采用CD4094将CPU传来的转行控制信号，转换成并行的控制信号来控制多路开关选通的通道。2.5通讯部分 仪表使用异步串行通讯接口,接口电平符合RS232C或RS485标准中的规定。数据格式为1个起始位、8位数据、无校验位。1个或2个停止位。通讯传输数据的波特率可调为1200～19200bit/S。仪表采用多机通讯协议，如果采用RS485通讯接口，则可将1～101台的仪表同时连接在一个通讯接口上。采用RS232C通讯接口时，一个通讯接口只能联接一台仪表。RS485通讯接口通讯距离长达1km以上，只需两根线就能使多台AI仪表与计算机进行通讯，优于RS232通讯接口。为使用普通个人计算机PC能作上位机，可使用RS232C/RC485型通讯接口转换器，将计算机上的RS232C通讯口转为RS485通讯口。3结束语 首先，该仪表采用交流方波信号作为激励信号，提高了测量结果的线性度和精度，防止电导率传感器在使用过程中的极化现象，延长了使用寿命；其次，该仪表采用专家系统技术和在线可编程技术对介质温度和介质流速变化带来的测量误差进行的补偿，使得测量结果更为精确，体现了仪表的智能化。在不增加制造成本的情况 下，用软件技术降低了测量误差，提高了测量精度。另外，虽然整个补偿方法采用软件进行，但是由于是按预置表进行的，因此计算量不大，程序执行时间较短，从而保证了测量过程的实时性。为该仪表进入自动控制系统奠定了基础。参考文献1方初良.电导式分析仪表.北京:水利电力出版社,1983.72王永红.过程检测仪表.北京:化学工业出版社,1999.93林晓梅等.利用虚拟仪器设计的智能在线电导率分析仪.中国仪器仪表,2002.2

一种智能温湿度控制器的设计蔡昀羲 （上海安科瑞电气有限公司 上海嘉定 201801）摘 要：介绍了一种智能温湿度控制器的设计方法及应用，最多实现三路温湿度的测量与控制；结合RS485总线技术及上位机软件，可实现数据及状态信息远传，满足低压配电智能化及网络化发展的需求。关键字：SHT11，STC89C58RD+，温湿度控制，RS4850　 引言　　随着电力系统规模越来越大、电压等级越来越高，供电可靠性也要求更加严格。供配电设备环境的温度、湿度是影响设备运行的重要因素。温度过高会加速仪器设备元器件老化，缩短其使用寿命，甚至直接导致设备损坏；低温、潮湿，设备表面产生凝露则有可能发生爬电、闪络等事故。　　基于以上考虑，在中高压开关柜、箱变、端子箱等供配电设备中进行温度、湿度控制是十分必要的。本文将介绍一种WHD型智能温湿度控制器的设计方法，最多实现三路温度、湿度的测量与控制；结合RS485总线技术及上位机软件，可实现数据及状态信息远传，满足低压配电智能化及网络化发展的需求。1　 硬件电路设计1.1 硬件设计的总体思路　　硬件系统以单片机为核心，按功能可划分为：电源供电、温湿度测量、控制输出、人机对话以及通讯五个部分，如图1所示。　　电源供电电路将AC220V或其他类型辅助电源转化为系统工作所需的直流电源。单片机将传感器测得的温湿度值进行比较、处理，确定输出控制部分继电器的工作状态，并显示和发送温湿度数值及输出控制部分的工作状态信息。人机对话部分具有按键信息录入功能，用户可根据实际情况，通过按键编程设置系统的工作参数。http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/21/93834hw.jpg1.2 硬件的具体电路及原理　　核心器件单片机选用STC公司的STC89C58RD+型单片机，它是一款兼容51内核的增强型8位机，片上资源丰富，抗干扰能力突出。STC89C58RD+（D版本）支持6时钟/机器周期，内含32K字节用户程序空间，片上集成1280字节RAM，16K字节EEPROM空间；支持ISP/IAP功能，无须专用编程器；片上还集成了看门狗电路及MAX810专用复位电路。　　温湿度的测量选用SENSIRION公司开发的数字式温湿度一体传感器芯片SHT11。该传感器可同时测温度、湿度，并提供全程标定的数据输出，所以使用该传感器既可以降低硬件成本，又方便了整机测试。其技术参数如下表所示：　　温度参数：　　 参数条件典型单位分辨率0.01℃精度0～60±1℃量程范围-40～120℃　　湿度参数：　参数条件典型单位分辨率0.03％RH精度20％～80％±3％RH量程范围0～100％RH　　该传感器与CPU之间的通讯采用二线制方式，即DATA（数据）线和CLK（同步时钟脉冲）线。测量三路温度、湿度时，CPU与传感器的连接电路如图2所示。CPU通用I/O口中的P1.0和P1.1，P1.2和P1.3，P1.4和P1.5分别与三路温湿度传感器SHT11连接，其中P1.0、P1.2、P1.4分别作为各路通讯的DATA（数据）线，P1.1、P1.3、P1.5分别作为各路通讯的CLK（同步时钟）线，DATA线需外加10KΩ的上拉电阻将信号提高至高电平（详情请参考SHT11数据手册）。实际使用时，传感器与控制器之间（即图中虚线部分）以屏蔽线连接，经验证，CPU与传感器之间的最大通讯距离为10米。如果使用74HC245或其他芯片提高I/O口的驱动能力，可增加通讯距离，但会降低系统的抗干扰性能，因此不予采纳。 http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/11/151636j0.jpghttp://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/11/152021lg.jpg　　系统采用LED数码管显示温度、湿度值，界面简洁明了。三路传感器测得的温度、湿度值以循环方式依次显示，显示部分共有7位数码管，其中4位用于显示温度值（显示范围：-40.0～100.0），并在编程状态下显示菜单及参数，2位用于显示湿度值（显示范围：0～99），1位用于显示当前显示或操作对应的传感器的编号（1～3）。数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路由集成电路74HC595及74HC164构成。74HC595是一款带有输出门锁功能的8位串行输入、并行输出（或串行输出）的移位寄存器，用于数码管的段驱动；74HC164的串行输入、并行输出功能用于扫描显示每一位数码管，如图3所示。　　系统采用继电器或可控硅作为控制输出，电源部分采用开关电源方案，通讯部分采用RS485接口，具体电路设计请参考相关书籍，此处不予赘述。2　 软件设计方法　　系统软件设计包括以下四个部分：主程序、测量控制模块、显示模块及通讯模块。　　主程序完成上电或复位初始化，复位看门狗，查询按键信息等功能，程序设计流程如图4所示。 http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/11/15341zh.jpg　　程序初始化包括配置CPU的SFR，设置I/O口初始状态，从EEPROM读取工作参数，设置看门狗定时器的复位时间等。需要注意的是，一般只在主程序中喂狗，看门狗的复位时间时要设置的比测量程序中可能出现的最长等待时间还要长。以下给出主程序的部