【文章內(nèi)容簡介】 強(qiáng)、集成方便，還可與 PC 實(shí)時(shí)通信。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字 化儀表的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電流表為核心，可以擴(kuò)展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表。目前，由各種單片機(jī)和 A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電流表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域。顯示出強(qiáng)大的生命力。與此同時(shí)，由 DVM 擴(kuò)展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新的水平。因此對數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。 課題研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 最近的十幾年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路 (IC)和微處理器技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)字電路和 數(shù)字化測量技術(shù)也有了巨大的進(jìn)步，從而促使了數(shù)字電流表的日新月異，并不斷出現(xiàn)新的類型。 數(shù)字電流表從 1952 年問世以來，經(jīng)歷了不斷改進(jìn)的過程，從最早采用繼電器、電子管的型式發(fā)展到了現(xiàn)在的全固態(tài)化、集成化 (IC 化〕。另一方面，精度也從 %提高到了現(xiàn)在的 %—— %，而且從實(shí)驗(yàn)中空用的“高價(jià)樣品” 開始已發(fā)展到了現(xiàn)在為廠礦企業(yè)廣所使用的的“廉價(jià)型”，進(jìn)而出現(xiàn)了能夠用于安裝板上作指示儀表的“安裝型”。 目前，數(shù)字電流表的內(nèi)部核心部件是 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的精度很大程度上影響著數(shù)字電流表的準(zhǔn)確 度，因而，以后數(shù)字電流表的發(fā)展就著眼在高精度和低成本這兩個(gè)方面。 2 直流數(shù)字電流表的設(shè)計(jì) 智能儀表目前發(fā)展?fàn)顩r 在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，儀器儀表作為其構(gòu)成元素，它的技術(shù)進(jìn)展是跟隨控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展的。常規(guī)的自動(dòng)化儀器儀表適應(yīng)常規(guī)控制系統(tǒng)的要求，它們以經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，以控制對象的數(shù)學(xué)模型為依據(jù)。當(dāng)今，控制理論已發(fā)展到智能控制的新階段，自動(dòng)化儀器儀表的智能化就成為必然和必須。本文將就自動(dòng)化儀器儀表的智能化的狀況與進(jìn)展，以及當(dāng)今對智能儀器儀表研究、開發(fā)熱點(diǎn)做概要的分析與表述。作者建議人們關(guān)注自動(dòng)化儀器儀表智能化技術(shù)的進(jìn) 展，關(guān)注儀器儀表裝置與控制系統(tǒng)技術(shù)的互動(dòng)發(fā)展，這對推進(jìn)我國自動(dòng)化技術(shù)水平的進(jìn)一步提高將是大為有益的。智能化的自動(dòng)化儀器儀表應(yīng)以智能控制理論為基礎(chǔ)，體現(xiàn)人的智能行為。人工智能是智能控制理論的基本組成部分之一，它以知識為基礎(chǔ)，它的目標(biāo)是建造智能化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用來模擬和執(zhí)行人類的智力功能，如判斷、理解、推理、識別、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和問題求解等等，進(jìn)而用自動(dòng)機(jī)模仿人類的思維過程和智能行為?；谥悄芸刂评碚摶A(chǔ)的智能儀器儀表目前大致有幾方面的進(jìn)展 : （ 1）專家控制系統(tǒng) (expert control system, ECS)是典型的基于知識控制系統(tǒng)，它是一個(gè)具有大量的專門知識與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)。它運(yùn)用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，解決那些需要人類專家才能解決好的復(fù)雜問題。專家控制器的結(jié)構(gòu)按控制要求的不同而有所不同。典型的結(jié)構(gòu)由知識庫、推理機(jī)、人機(jī)接口等組成。其中，知識的獲取、知識庫的建立是關(guān)鍵。人們已經(jīng)總結(jié)出的方法是領(lǐng)域?qū)＜液椭R專家的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)收集、歸納有經(jīng)驗(yàn)的操作員方面的知識。然后把獲取的知識變成可用的規(guī)則，以期在推理過程中得到更高的命 中率。專家控制已在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。 （ 2）模糊控制器 (FCFuzzy Controller)，也稱模糊邏輯控制器 (FLCFuzzy Logic Controller)。自然界的事物都具有一定的模糊性，模糊邏輯在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用產(chǎn)生了模糊控制技術(shù)。由于模糊控制技術(shù)具有處理不確定性、不精確性和模糊信息的能力，對無法建造數(shù)學(xué)模型的被控過程能進(jìn)行有效的控制，能解決一些用常規(guī)控制方法不能解決的問題，因而模糊控制在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。模糊控制器一般由輸入標(biāo)定、模糊化、模糊決策、清晰化、輸出標(biāo)定等 幾 第一章 引言 3 個(gè)部分組成。其中，模糊化、模糊決策、清晰化是主要和基本的部分，“模糊化”將輸入量 (精確量 )變?yōu)槟：?，“模糊決策”進(jìn)行模糊運(yùn)算，其過程是由推理機(jī)進(jìn)行預(yù)估輸出推理，得到模糊量輸出?！扒逦睂⒛：枯敵鲛D(zhuǎn)化為精確量，提供給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器定標(biāo)后使用。當(dāng)前，模糊控制技術(shù)在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用，尤其在不確定性過程、難于建模的場合發(fā)揮了模糊控制技術(shù)的長處。模糊控制器在家電和其它行業(yè)同樣得到了廣泛的應(yīng)用。 （ 3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的信息處理能力，提高了系統(tǒng)的智能水平。所謂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，簡稱神經(jīng) 控制，它是指采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一技術(shù)對復(fù)雜的非線性對象進(jìn)行建模，或擔(dān)當(dāng)控制器，或優(yōu)化計(jì)算，或進(jìn)行推理，或故障診斷等工作。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度的并行結(jié)構(gòu)和并行實(shí)現(xiàn)能力，具有對任意非線性關(guān)系的描述能力，具有通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)歸納全部數(shù)據(jù)能力，使得它在控制系統(tǒng)中被廣泛靈活地應(yīng)用。 數(shù)字電流表，作為智能儀表的一種，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需求，采用單片機(jī)的數(shù)字電流表，由精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò) 展性強(qiáng)、集成方便，還可與 PC 進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。目前，由各種單片 A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電流表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，示出強(qiáng)大的生命力。 4 直流數(shù)字電流表的設(shè)計(jì) 第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)及可行性分析 5 第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)及可行性分析 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 可以測量 05V 的 8 路輸入電壓值； 測量結(jié)果可在四位 LED 數(shù)碼管上輪流顯示后單路選擇顯示； 測量最小分辨率為 ； 測量誤差約為 +； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇 AT89S51 單片機(jī)作為核心控制器件。 A/D 轉(zhuǎn)換采 用 ADC0809 實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)的接口為 P0 口和 P2 的高四位引腳。 電壓顯示采用 4 位一體的 LED 數(shù)碼管。 LED 數(shù)碼管的段碼輸入，由并行端口 P1 產(chǎn)生；位碼輸入，由并行端口 P3 低三位產(chǎn)生。 圖 主控模塊 顯示模塊 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 6 直流數(shù)字電流表的設(shè)計(jì) 總體結(jié)構(gòu) 數(shù)字電流表的組成 圖 數(shù)字電流表的組成框圖 數(shù)字直流電流表 的核心是 A/D轉(zhuǎn)換器 。 按系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)要求，決定控制系統(tǒng)采用 AT89C51單片機(jī)， A/D轉(zhuǎn)換采用 ADC0809。系統(tǒng)除能確保實(shí)現(xiàn)要求的功能外，還可以方便地進(jìn)行 8路其他 A/D轉(zhuǎn)換量的測量和遠(yuǎn)程測量結(jié)果傳送等擴(kuò)展功能。數(shù)字電 流 表 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 方 案 框 圖 如 圖 所 示 。 圖 數(shù)字電流表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖 電路設(shè)計(jì) IO 口資源分配 AT89C51 P0 P2 P1 P3 ADC0809 4 位 LED 顯示 上電復(fù)位 串口通信 電源電路 第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)及可行性分析 7 ① P3 口連接 ADC0804 的 8 位數(shù)據(jù)口； ② 連接 ADC0804 的 3 引腳，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取控制； ③ P0 口連接 LED 數(shù)碼管段碼 AH； ④ P 0P 2 連接 LED 數(shù)碼管的位選驅(qū)動(dòng)； ⑤ , 連接按鍵 , 連接 LED 指示燈； 10 倍放大器電路 下圖是一個(gè)最簡單的 10 倍放大電路，運(yùn)算放大器使用的是精度比較高的OP07，利用它，可以把 0～ 200mV的電壓放大到 0～ 。在使用的數(shù)字電 流表量程為 時(shí)，特別有用。如果把它應(yīng)用在基本量程為 177。 的數(shù)字電流 表上，就相當(dāng)于把分辨力提高了 10 倍，在一些測量領(lǐng)域中，傳感器的信號往往覺得太小了，這時(shí)，可以考慮在數(shù)字 流 表前面加上這種放大器來提高分辨力。 圖 倍放大器電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 在電流或者電壓 的測量中，經(jīng)常遇見測量的并不是直流而是交流，這時(shí)候，絕對不可以把交流信號直接輸入到數(shù)字電 流 表去，必須先把被測的交流信號變成直流信號后，才可以送入數(shù)字電 流 表進(jìn)行測量。下圖就是一個(gè)把交流信號轉(zhuǎn)換成為直流信號的參考電路。（說明：更好的交流轉(zhuǎn)換成為直流的電路是一種 “真有效值 ”轉(zhuǎn)換電路，但是由于其專用芯片價(jià)格昂貴，多應(yīng)用在一些高檔場合。） 8 直流數(shù)字電流表的設(shè)計(jì) 本電路中，輸入的是 0～ ，輸出的是 0～ 的直流信號，從信號幅度來看，并不要求電路進(jìn)行任何放大，但是，正是電路本身具有的放大作用，才保證了其幾乎沒有 損失地進(jìn)行 AC－ DC 的信號轉(zhuǎn)換。因此，這里使用的是低功耗的高阻輸入運(yùn)算放大器，其不靈敏區(qū)僅僅只有 2mA 左右，在普通數(shù)字萬用表中大量使用，電路大同小異。 首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A／ D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A／ D 轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號可用作中斷申請。當(dāng) OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量 輸出到數(shù)據(jù)總線上。 圖 ACDC轉(zhuǎn)換電路 電橋輸入電路 在溫度測量和其他物理及化學(xué)量的測量中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn) “零點(diǎn) ”的時(shí)候信號不是零的情況，這時(shí)候，下面的 “電橋輸入 ”電路就被優(yōu)先采用了。可以根據(jù)被測信號的特點(diǎn)，用傳感器替換電橋回路中的某一個(gè)電阻元件。數(shù)字電壓表的兩個(gè)輸入端也不再有接地點(diǎn)，作為一種典型的 “差分 ”輸入來使用了。 第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)及可行性分析 9 圖 電橋輸入（差分輸入，比例輸入）電路 測量電路 電橋輸入電路的變種還可以延伸到下面的電路，這是一個(gè)把 4～ 20mA 電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字 顯示的電路。它的零點(diǎn)就是 4mA 而不是 0mA。當(dāng)輸入零點(diǎn)電流為4mA 的時(shí)候，利用 IN上面建立起來的電壓，抵消掉 IN+由于 4mA 出現(xiàn)的無用信號，使得數(shù)字電壓表差分輸入＝ 0,就實(shí)現(xiàn)了 4mA 輸入時(shí)顯示為 0 的要求。隨著信號的繼續(xù)增大，例如到了 20mA，對數(shù)字電 流 表來說，相當(dāng)于差分輸入電流為 204=16mA，這個(gè) 16mA 在 電阻上的壓降，就是數(shù)字電 流 表的最大輸入信號。這時(shí)候，把數(shù)字電 流 表的基準(zhǔn)電壓調(diào)整到與 16*＝ 1000mV相等，顯示就是 1000 個(gè)字。 圖 測量電路 10 直流數(shù)字電流表的設(shè)計(jì) 簡易 數(shù)字電 流 表測量電路由 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示控制等組成。 A/D 轉(zhuǎn)換有集成電路 ADC0809 完成。 ADC0809 具有 8 路模擬輸入端口，地址線 (第 2325 腳 )可決定對哪一路模擬輸入作 A/D轉(zhuǎn)換。第 22 腳位地址鎖存控制，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，對地址信號進(jìn)行鎖存。第 6 腳位測試控制，當(dāng)輸入一個(gè) 2μｓ 寬高電平脈沖時(shí)，就開始 A/D 轉(zhuǎn)換。第 7 腳為 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，第 7 腳輸出高電平。第 9 腳為 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當(dāng) OE 腳為高電平時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從端口輸出。第 10 腳為 ADC0809 的時(shí)鐘輸入 端，利用單片機(jī)第 30 腳嘚分頻晶振頻率，再通過 14024 二分頻得到 1MHz 時(shí)鐘。 單片機(jī)的 P 端口作為 4 位 LED 數(shù)碼管顯示控制。 端口用作單路顯示 /循環(huán)顯示轉(zhuǎn)換按鈕。 端口用作單路顯示時(shí)選擇顯示的通道。 P0 端口用作 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入， P2 端口用作 ADC0809 的 A/D 轉(zhuǎn)換控制。 第三章 元器件的選擇 11 第三章 元器件的選擇 單片機(jī)的選擇 20 世紀(jì) 80 年代以來，單片機(jī)的發(fā)展非常迅速，就通用單片機(jī)而言，世界上一些著名的計(jì)算機(jī)廠家已投放市場的產(chǎn)品就有 50多個(gè)系列，數(shù)百個(gè)品種。目前世界上 較為著名的 8 位單片機(jī)的生產(chǎn)廠家和主要機(jī)型如下： 美國 Intel 公司： MCS— 51系列及其增強(qiáng)型系列 美國 Motorola 公司： 6801 系列和 680