【正文】 品。具有如下特點(diǎn)： 采用電磁調(diào)制隔離原理，有效克服直流漂移； ● 多種隔離原理類型：光電隔離型、電磁調(diào)制隔離型、霍爾效應(yīng)型，使得輸入、輸出及電源之間互相隔離。 ● 多種結(jié)構(gòu)類型： A 型、 B 型、 C 型、 D 型 、 E 型、 F 型、 S 型、 U 型、 R 型、 G 型 。 ● 輸出信號可選 ： 電流或電壓跟蹤輸出： 0～ 20mA DC 、 4 ～ 20mA DC 、 0 ～ 5V DC 、 1 ～ 5V DC 、 0 ～ 10V DC 、 RS485 輸出，也可選用頻率輸出： 0 ～ 5kHz 、 0 ～ 10kHz 、 1 ～ 5kH z 等。 在傳統(tǒng)的模擬信號遠(yuǎn)距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問題、多點(diǎn)測量切換誤差問題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問題等技術(shù)問題，才能夠達(dá)到較高的測量精度。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 “ 一線總線 ” 獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。此特性的應(yīng)用范圍包括環(huán)境控制，建筑物、設(shè)備或機(jī)械內(nèi)的溫度檢測，以及過程監(jiān)視和控制中的溫度檢測。（本設(shè)計(jì)中單獨(dú)提供 +5V 電源）。 ● 測量范圍從 55 ℃ 至 +125 ℃ ， 增量值為 ℃ 。 ● 用戶可定義的，非易失性的溫度告警設(shè)置。 光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址列碼。 6 4 位光 刻R O M及 單 線接 口存 儲 器 和 控 制 邏 輯暫 存 寄 存 器8 位 C R C 發(fā) 生器溫 度 傳 感 器上 限 寄 存 器 T H下 限 寄 存 器 T L供 電 方 式檢 測內(nèi) 部 V D D 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 27 (1) DS18B20 典型接口設(shè)計(jì) 為了使 DS18B20 能完成準(zhǔn)確的溫度變換，當(dāng)溫度變換發(fā)生時(shí)， I/O 線上必須提供足夠的功率。第一種方法是寄生電源供電方式。通過使用連接到 VDD 引腳的外部電源，如圖 所示。由于電壓傳感器、電流傳感器的輸出在額定范圍內(nèi)為 0～5V，但電路中的電壓、電流是一個(gè)很不穩(wěn)定的數(shù)，如電壓輸入基本上都大于 100VAC（實(shí)際電壓大于 6000V），所以電壓傳感器 輸出肯定大于 5V。經(jīng) 2/3 分壓后，保證最大輸出（ A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入）為 5V，從而保證了智能采集器在任何狀態(tài)下都能正常工作。因?yàn)椋妷悍糯笃鞯妮敵鲎杩挂话惚容^高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。 LM324 的同相端 3 腳外接由可調(diào)電阻出來的分壓信號。但是作為一個(gè)工業(yè)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，除了主 CUP 及部分接口外，還應(yīng)有大量用途各異的 1/0 接口模塊，如 A/D和 D/A、開關(guān)量輸入 /輸出模塊等。 接口總線的選 擇 總線是信息傳輸?shù)耐ǖ?，?jì)算機(jī)系統(tǒng)常用的接口總線有并行總線和串行總線兩種。較少的線意味著所需要的控制器引腳較少，使用串行總線可以將同樣的芯片集成在一個(gè)較小的封裝中。將 SPI 總線應(yīng)用到非高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集部分代碼將大大縮短。在芯片以 73ksps 最大采樣速率工作時(shí)，消耗功率僅為37mW(VDD=3V)。SCKL 的下降沿輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位為先高后低依次出現(xiàn)。將 CS 瓦置低電平后，開始轉(zhuǎn)化。對于低噪聲、高共模抑制比和低漂移來說， AD625JN 是最廉價(jià)有效的儀器放大器可選方案。 圖 軟件編程模式原理圖 如圖 ，利用 AD75OZ 可實(shí)現(xiàn) AD625 的可編程增益放大。本系統(tǒng)中取 Rl=10K9， RZ=43K9， R3=， R4=4309，RS=100。通過增益可編程放大器，這三種信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的 0~ 信號，經(jīng)過放大的信號送入第二個(gè) 4051的第 0 路，它的第 1 路有一個(gè) +V5 經(jīng)電阻分壓后得到的標(biāo)準(zhǔn)信號，送來用山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 37 于自診斷 A/D 模塊有無故障。前面已經(jīng)介紹了總線的知識，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)提供了豐富的擴(kuò)展 I/0 口根據(jù) 工程的實(shí)際需要，數(shù)模轉(zhuǎn)換通過 EBI 實(shí)現(xiàn)。器件采用先進(jìn)的 CMOS 工藝，因此功耗低，輸出漏電流誤差較小，而其間的特殊的電路結(jié)構(gòu)可與 TTL 邏輯輸入電平完全兼容。 185。 欲將數(shù)字量 DIODI7 轉(zhuǎn)換為模擬量，只要使滅面 =0, XFER =0, DAC為不鎖存狀態(tài)，即 ILE=1,硯 和麗雨端接負(fù)脈沖信號即可完成一次轉(zhuǎn)換 。 DAC0832 是美國數(shù)據(jù)公司的 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容 I。例如在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，為使溫度能穩(wěn)定在給定值上，往往需要控制加熱爐的閥門，調(diào)節(jié)進(jìn)入爐中的煤氣量，對于電爐來講，則需要控制通、斷電的時(shí)間。本系統(tǒng)實(shí)際工程中，熱電阻的輸入信號是 100~200mV，電流的輸 入信號是 4~20mA，電壓的輸入信號是 V5，熱電偶的輸入信號是10~20mV，而數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的最大輸入信號是 ，所以可以得知要求增益可編程放大器的放大倍數(shù)必須從 l~100 可調(diào)。的值將改變。 AD625JN所產(chǎn)生的增益誤差小于 %，增益溫度系數(shù)低于 5ppm/℃。然后數(shù)據(jù)能在外部時(shí)鐘的作用下 依次送出 可編程放大器的選擇 管腳 名稱 功能 1 +INPUT 輸入信號正端 2 +GIAN SENSE 正增益檢測端 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 34 3 RTI NULL 輸入電壓失調(diào)調(diào)零端 4 RTI NULL 輸入電壓失調(diào)調(diào)零端 5 +GIAN SENSE 正增益驅(qū)動(dòng)端 6 NC 空腳 7 REFERENCE 輸出基準(zhǔn)斷 ,為輸出電壓提供基準(zhǔn) 偏置電壓 8 Vs 負(fù)電源端 9 +Vs 正電源端 10 VOUT 輸 出端 11 SENCE 輸出檢測端 12 GIAN SENSE 負(fù)增益驅(qū)動(dòng)端 13 RTO NULL 輸出失調(diào)調(diào)零端 14 RTO NULL 輸出失調(diào)調(diào)零端 15 GIAN SENSE 負(fù)增益監(jiān)測器 16 INPUT 輸入信號負(fù)端 表 管腳描述 本系統(tǒng)為了能夠普遍適用于不同場合的數(shù)據(jù)采集，要求運(yùn)算放大器是可編程的。如不使用，可以接高電平或懸空。MAX1241 需要一個(gè)外部參考電壓，參考電壓輸入范圍一般為 0~2. 5V， MX1241能接收的電壓范圍為 O~2. 5V，輸入電壓過大會燒掉芯片，一般不應(yīng)超過3V 管腳 名稱 功能 1 V DD 正鄉(xiāng)電壓 :~ 2 AIN 模擬輸入量 ,0V~V ref 3 SHDN 三級關(guān)斷輸入 .無論 SHDF 為高電平或者懸空 ,MAX1241都可以正常工作 ,當(dāng)他低電平時(shí) ,芯片處于休眠模式 ,此時(shí)的工作電流低于 15? A. 4 REF 模擬轉(zhuǎn)換的外部參考電壓 . 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 33 5 GND 模擬和數(shù)字地 . 6 DOUT 串行數(shù)據(jù)輸出 ,在 SLCK 的下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 ,當(dāng) CS 高電平時(shí) ,DOUT 高電阻 7 CS 低電平時(shí) ,轉(zhuǎn)換開始 ,采樣保持電路進(jìn)入保持狀態(tài) ,高電平時(shí) ,DOUT 高阻狀態(tài) . 8 SLCK 串行時(shí)鐘輸入 ,SLCK 時(shí)鐘輸出范圍可高達(dá) 表 管腳描述 MAX1241 具有一個(gè) 3 線連續(xù)接口，直接與微控制器的 I/0 相連，并與SPI 接口兼容。 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的選擇 根據(jù)實(shí)際需要本系統(tǒng)采用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片是 MAX1241。 SPI 總線是 Motorola公司提出的一種新型同步串行通信總線，較 I2 C 同步串行總線而言， SPI接口采用三線制，因此 SPI 對于提高通信速度是很有利的。但它需要 N 條傳輸線，所以線路復(fù)雜，占用 I/O 資源多。 在工業(yè)控制中往往需要隨時(shí)檢測各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)，同時(shí)，還需要對某一個(gè)檢測電路的任一參數(shù)能夠進(jìn)行隨機(jī)查詢，將其在某一時(shí)間段內(nèi)檢測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換提取出來。調(diào)理電路電路圖見圖 。 本設(shè)計(jì)中，電壓跟隨器電路利用 LM324 構(gòu)成 [4142]LM324 內(nèi)部有 4 個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，工作時(shí)可單電源供電，如圖 所示。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。調(diào)整 電路由可調(diào)電阻、電壓跟隨器組成?？偩€上主機(jī)不需向上連接便在溫度變換期間使線保持高電平，這就允許在變換時(shí)間內(nèi)其它數(shù)據(jù)在單線上傳送。如圖 所示，通過使用一個(gè) MOSFET 把 I/O 線直接拉到電源可達(dá)到這一點(diǎn)，當(dāng)使用寄生電源方式時(shí) VDD 引腳必須連接到地。如果幾個(gè) DS18B20 在同一條 I/O 線上而且企圖同時(shí)變換，那么這一問題將變得特別尖銳。光刻 R 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B 的目的。 ● 應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)類產(chǎn)品，溫度計(jì)或任何熱敏系統(tǒng)。 ● 測量結(jié)果以 9 位數(shù)字量方式串行傳送。 ● 與前一代產(chǎn)品 DS1820 相比， 體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì) 。 ● 多點(diǎn)（ multidrop ） 能力使分布式溫度檢測應(yīng)用 ● DS18 B 20 在使用中不需要任何外圍元件。因?yàn)槊恳粋€(gè) DS18 B 20 有唯一的系列號（ silicon serial number ）， 因此多個(gè) DS18 B 20 可以存在于同一條單線總線上。信息經(jīng)過單線接口送入 DS18 B 20 或從 DS18 B 20 送出，因此從中央處理器到 DS18 B 20 僅需連接一條線（和地）。 DS18 B 20 是美國 DALLAS 半導(dǎo)體 公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ ON173。 在設(shè)計(jì)中，結(jié)合真空配電裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為了便于接線、安裝和保護(hù) TLC2543 ， 電流 傳感器均選用了 WBI411S07電磁調(diào)制隔離型， DIN 導(dǎo)軌式安裝， 0 ～ 5VDC 輸出信號，并要求最高等。 ● 寬頻響：特別適合工頻至中頻的電壓電流檢測 。 ● 過載能力強(qiáng)：穿心輸入傳感器 30 倍標(biāo)稱輸入可持續(xù) 5 秒；接線輸入傳感器 1 0 倍標(biāo)稱輸入可持續(xù) 5 秒 。 (1)電壓傳感器、電流傳感器 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電壓傳感器、電流傳感器為單相的，監(jiān)測的對象是電壓互感器的 A 、 B 相電壓、電流互感器的 A 相電流。對基本要求如下： ● 輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配； ● 一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益； ● 低噪聲； ● 低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移； ● 足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（無畸變的放大瞬態(tài)信號）； ● 高輸入共模范圍（如達(dá)幾百伏）和高共模抑制比； ● 可調(diào)的閉環(huán)增益； 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 23 ● 線性好、精度高； ● 成本低。為感知、獲取與檢測信息 的窗口，一切可惜研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號。因此，傳感器對系統(tǒng)的功能起決定性作用，設(shè)計(jì)中選擇合適的傳感器顯得非常重要。 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 22 ● 礦井監(jiān)測的 主要是礦井 供電系統(tǒng)的電壓、電流、 大氣中瓦斯?jié)舛?、一氧化碳、風(fēng)速、粉塵和溫度等參數(shù)。若 選用電阻應(yīng)變計(jì)時(shí)，則還需配用遙測應(yīng)變儀。因?yàn)闇y量條件不同對傳感器要求也不同。 在動(dòng)態(tài)測量中，傳感器的響應(yīng)特性對測試結(jié)果有直接影響，在選用時(shí)，應(yīng)充分考慮到被測物理量的變化特點(diǎn) (如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機(jī)等 )。 ● 傳感器的響應(yīng)特性 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 21 傳感器的響應(yīng)特性必須在所測頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。當(dāng)超過彈性極限時(shí)，將特產(chǎn)生非線性誤差。線性范圍愈寬 ，則表明傳感器的工作量程愈大。當(dāng)輸入量增大時(shí)，除非有專門的非線性校正措施，傳感器不應(yīng)在非線性區(qū)域工作，更不能在飽和區(qū)域內(nèi)工作。 ● 傳感器的靈敏度 傳感器的靈敏度越高，可以感知越小的變化量，即被測量稍有微小山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 20 變化時(shí)，傳感器即有較大的輸出。 按傳感器的物理原理分為： 電參量式傳 感器 壓電式傳感器 磁電式傳感器 光電式傳感器 氣電式傳感器 熱電式傳感器