基于隔離和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的高精溫濕度測量?jì)x表

　　本儀表的硬件電路部分主要是有溫、濕度通道獨立電源電路，溫、濕度采樣電路，信號調節電路，模數轉換電路，光電隔離電路，處理器采用AT89S52單片機，同時(shí)還有LED顯示電路，通訊電路，鍵盤(pán)電路等構成，其結構圖如圖1所示。以下將對各部分的電路做相應的介紹。

　　1.1 溫度濕度變送器

　　非電量的溫度濕度信號通過(guò)變送器形成4～20 mA電量信號。本方案中采用了奧地利E+E公司的EE10-FT6的高性能溫濕度綜合變送器。

　　EE10一FT6產(chǎn)品特點(diǎn)：

　　(1)24 V DC供電；

　　(2)溫度量程：O～50℃；濕度量程：0～100％；

　　(3)溫度精度：0.1℃；濕度精度：1.0％；

　　(4)輸入阻抗：≤500 Ω；

　　(5)接線(xiàn)方式：三線(xiàn)(電源正端、溫度輸出線(xiàn)、濕度輸出線(xiàn))。

　　1.2 隔離測量技術(shù)

　　常規溫度濕度測量，往往將溫度、濕度信號共地，利用一套測量電路即可。在本方案中，變送器的輸出要先行接入溫濕度顯示儀(前端)，再串接于DDC(直接數字控制器)后端構成變送器回路，變送器電源由DDC來(lái)提供，因此由變送器輸 出的兩路共地信號在前端需要進(jìn)行隔離測量，以消除對后端測量的影響。即兩端串聯(lián)并同時(shí)測量一對共地信號。對于模擬量隔離測量，筆者曾經(jīng)考慮3套方案：

　　方案一"虛"隔離，即采用差分測量技術(shù)，將差分一端經(jīng)過(guò)一適當電阻接地，這種方案成本最低，但是對于運放的要求十分苛刻，而且穩定性不高。

　　方案二 采用線(xiàn)性光耦隔離，但線(xiàn)性光耦難以調試，離散性大，需要周邊元器件多(運算放大器)，而且光耦前端仍需隔離電源，后端仍需模數轉換器。

　　方案三 采用兩組獨立測量電路，然后通過(guò)普通光耦與處理器接口，需要兩套隔離電源，兩組測量部分，成本稍高，但此種方案最可靠，調試方便，因而最終被采用，如圖2所示。

　　l.3 4～20 mA電流測量

　　采樣電阻采用125 Ω／0.1％精密電阻，這樣，只需測量O.5～2.5 V電壓信號即可。

　　1.4放大器及模數轉換器應用

　　本溫濕度顯示儀模擬信號變換采用TI公司的軌對軌運放TLC2252，該放大器最大的特點(diǎn)一是輸出可達電源滿(mǎn)幅，二是失調電壓較小，0.5 mV，價(jià)格較低，適合本儀表應用。

　　模數轉換器(ADC)采用TI公司的ADS1286U，此芯片主要性能有：

　　(1)分辨率：12位；

　　(2)最高采樣頻率：20 kHz；

　　(3)INL：2LSB／max；

　　(4)DNL：1LSB／max；

　　(5)接口方式：兩線(xiàn)制

　　(6)參考電壓：外接。

　　1.5分辨率及精度

　　本儀表需要滿(mǎn)足的要求：分辨率方面，溫度顯示到O.01℃，濕度顯示到0.1％；精度方面，要達到與自控系統的DDC測量值之間的絕對誤差不得大于0．03℃。這樣的苛刻要求使得本儀表在軟硬件方面都必須做的非常到位。

　　1.6數字濾波技術(shù)

　　為滿(mǎn)足以上分辨率及精度的要求，除了在硬件上選擇性?xún)r(jià)比高的元器件以及較高的PCB板技術(shù)外，在軟件上做了較多的工作。因為溫度濕度物理量是慣性環(huán)節，時(shí)間常數較大，量值不會(huì )產(chǎn)生突變，故濾波時(shí)間可以很長(cháng)。本儀表中采用多次測量排序取中值然后再進(jìn)行一階慣性濾波的方法，數學(xué)表達式如下：

　　其中Xn-1為上次實(shí)際溫濕度值；Xn-2本次經(jīng)過(guò)排序取來(lái)的中值；Xn為當前的溫濕度值；A為濾波時(shí)間常數，作為系數。

　　這樣做的目的是防止某些測量突變，以及滿(mǎn)足慣性物理量的測量，使得測量值不會(huì )頻繁跳躍，可以滿(mǎn)足需求。

　　1.7 網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)

　　本儀表采用RS 485通信，通信規約為MODBUS-RTU，然后通過(guò)MODBUS-PROFIBUS網(wǎng)關(guān)與西門(mén)子DDC通信，波特率為38.4 kb／s?？偩€(xiàn)采用輪詢(xún)方式，后臺機對各個(gè)房間溫濕度進(jìn)行采集，作為房間溫度濕度集中監控的依據。

　　1.8精度校準及參數

　　本儀表出廠(chǎng)前均已校準，但考慮到長(cháng)期運行后，元器件老化及環(huán)境溫度的變化，可能會(huì )造成儀表出現精度偏差，故儀表上設有精度校準功能。校準時(shí)，需要一只標準4～20 mA信號表，按照顯示提示，分別將信號源調至各檔位，然后由儀表自動(dòng)校準，校準系數值存入非易失性存儲器中。

　　本儀表具有現場(chǎng)手動(dòng)調校功能，調節電位器旋鈕可使得溫度濕度在某個(gè)短量程范圍內更加精準。

　　所有的參數設定都可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )或儀表按鍵進(jìn)行操作，掉電不丟失。

2 溫濕度顯示儀的軟件設計

　　主要程序包括：溫度測量子程序、濕度測量子程序、鍵盤(pán)掃描及實(shí)現子程序、校準子程序，其中測量子程序內嵌模數轉換、數據處理、形成顯示數據等；鍵盤(pán)掃描及實(shí)現子程序內嵌顯示頁(yè)面切換、參數設定、校準確認等；校準子程序內嵌雙通道切換校準及校準數值存儲等。中斷服務(wù) 程序包括：定時(shí)器中斷(用于顯示)子程序、通信中斷子程序。主程序為依次循環(huán)執行，綜合外部操作(鍵盤(pán))，實(shí)現儀表多重功能；中斷服務(wù)程序可以隨時(shí)中斷主程序的執行，兩者互不影響。

　　本儀表中模數轉換是關(guān)鍵，除了在硬件上保證信號的較好處理外，軟件上的處理就顯得很重要了，下面給出模數轉換器ADS1286的訪(fǎng)問(wèn)程序，此芯片的DATASHEET 上時(shí)序邏輯只是一個(gè)基本的過(guò)程，具體要得出可靠的數值，需要在調試中摸索，這個(gè)程序是筆者調試好的，效果不錯。

　　說(shuō)明：本子程序轉換后的12位AD值存放于02H／03H中。

　　說(shuō)明：本中斷服務(wù)程序為MODBUS從站響應程序，本儀表只用到MODBUS功能碼中的03號及06號，即模擬量遙測及參數設定。

　　3 結 語(yǔ)

　　本儀表成功應用于上海市檢測中心400個(gè)實(shí)驗室中目前運行狀況良好，與DDC間絕對誤差不超過(guò)O.03℃。