（机械工程专业论文）温、湿度及静电实时自动监测报警装置的研究.pdf

四川大学工程硕士研究生学位论文6545，42温、湿度及静电实时自动监测报警装置的研究机械工程专业研究生陈凡指导教师袁中凡蒲如平本项目来源于中国工程物理研究院课题。在产品的装配过程中，历来都存在对其装配环境中的温、湿度及静电进行检测的问题。静电及温、湿度检测报警装置能对特定环境中的静电进行检测并能对超标情况及时给出报警信号。在爆炸性危险工作场所，静电的测量是静电防护工作中重要的组成部分，而环境条件特别是工作环境的温度、湿度对静电性能的测量有较大影响。该检测报警装置采用温、湿度及静电传感器直接测量装配环境的温度、湿度和带电物体的静电电压( 电位) ，经过信号采集、放大和a d 转换等过程，由液晶显示出装配环境的温、湿度以及被测物体的静电电压。针对爆炸性危险工作场所的工作特点，结合工程实际，主要从事以下方面的正作：1 概述了自动检测技术的现状与发展趋势，说明了本课题的研究目的及意义；2 详细介绍了监测报警装置的总体设计和原理；3 介绍了装置的设计方案及工作原理：4 详细论述了装置控制检测系统的设计和原理；5 介绍了装置的结构设计及内部布局及总成；6 对课题完成的工作及取得的研究成果进行了总结。关键词：静电测量放电温湿度四川大学工程硕士研究生学位论文r e s e a r c ho nd e t e c t i n ga l a r m d e v i c ef o rt h ep e r f o r m a n c ed e t e c t i n go ft h ee l e c t r o s t a t i ca n dh u m idity t e m p e r a tu r em a j o rm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gp o s t g r a d u a t ec h e nf a ns d b 6 vis o ry u a nz h o n g f a np ur u p i n gt h i sp r o j e c ti ss p o n s o r e db yt h ec a e pi n s t i t u t eo fm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yw e a p o n sd e v e l o p m e n tf u n d s t h et a s ko fp e r f o r m a n c ed e t e c t i n go fe l e c t r o s t a t i ca n dh u m i d i t y t e m p e r a t u r ee x i s t si no u rp r o d u c t sa 1 1t h et i m e t h ea l a r m d e v i c et h a tc a nm e a s u r es t a t i ce l e c t r i c i t yc a ng i v eo f fa l a r ms i g n a li nd a n g e r o u sc a s ei nt i m e i ne x p l o d i n gm a n t r a p ，t h em e a s u r e m e n to fe l e c t r o s t a t i cp i o p e r t i e si sa ni m p o r t a n tp a r to fe l e c t r o s t a t i cp r o t e c t i o nw o r k m o r e o v e r ，t h ea m b i e n tc o n d i t i o n ，e s p e c i a l l y ，t h ea m b i e n th u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r ea f f e c tf o r c e f u l l yt h em e a s u r e m e n to f 。e l e c t r o s t a t i cp r o p e r t i e s t h ed e t e c t i n gd e v i c ec 蕊d i r e c t l ym e a s u r et h ee l e c t r o s t a t i cv o l t a g eo ft h ee l e c t r i f i e do b j e c t ，a tt h es a m et i m e ，i tc a nm e a s u r et h eh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r eo ft h ea s s e m b l ys p a c eb yt h ee l e c t r o s t a t i cs e n s o r s i g n a l sc o l l e c t e db ys e n s o r sw h i c hd i s p l a yt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo ft h ea s s e n b li n gs p a c ea n dd i s p l a yt h ee l e c t r o s t a t i cp o t e h t i a la n de l e c t ) o s t a t i ec h a r g eo ft h ed e t e c t e do b j e c t ，g ot h o u g ha m p i i f i e ra n da dc h a n g e r s ，a n da tl a s ta r ed is p l a y e db yl c d t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h er e s e a r c hw o r km a i n l yf r o mt h ef o ll o w i n gp a r t s ：t h ef i r s tp a r ti n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h et h e m ea n dt h ea d v a n c eo fm e a s u r e m e n ta n di n s p e c t i o nt e c h n o l o g yi ni n d u s t r y t h es e c o n dp a r td e s c r i b e st h eg e n e r a ld e s i g np u r p o s eo ft h em e a s u r e m e n ta n di n s p e c t i o ns y s t e m 堕型查兰三堡堡主竺垄兰兰堡垒奎t h et h i r dp a r te x p o u n d sd e s i g no ft h em e a s u r e m e n ta n di n s p e 。t l o “s v s t e mi n c l u d i n gt h es e l e c t i n go fs e n s o r ，t h ep r o g r a m m i n go fp l c ，t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n dt h ea s eo fm c g sc o m p o n e n ts o f t w a r e t h ef o u r t hp a r ti n t r o d u c e st h es t r u c t u r ed e s i g no ft h ed e v i c ea n di t si n t e r n a ll a y o u to ft h em e c h a n i c a lc o m p o n e n ts i m p l y t h el a s tp a r ts u m m a r i z e st h i st h e m e k e y w o r d s ：m e a s u r e m e n to fe l e c t r o s t a t i cp r o p e r t i e se l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g et e m p e r a t u r ea n dh u m i d it y1 绪论1 。1 检测系统在工程运用中的意义和目的现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为自动检测技术系统的发展带来了前所未有的契机。在工业、国防、科研等许多应用领域，自动检测技术正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官，源源不断地向人们提供宏观世界和微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具l j 儿“。自动检测技术是随着计算机的发展而发展起来的一门新型学科，自动检测技术使技术要求极高、难度极大、耗时极长的检修工作，可在分、秒级甚至毫秒级的时间内完成，我们把由计算机控制对系统、设备、部件进行的性能检测与故障诊断的技术称之为自动检测技术 3 】。自动检测技术被广泛应用于设备出厂前的性能测试，维修中的定期测试以及使用过程中的连续监测，它还可用于设备的故障检测和故障定位。自动检测技术作为可靠性工程的一个重要分支，日益受到人们的重视。自动检测是一门跨学科的技术，凡是需要进行性能测试和故障诊断的系统、设备、部件，均可采用自动检测技术。它可适用于电系统，也可适用于非电系统，它在军事和民用方面都得到了广泛的应用【4 】。自动检测系统包括了信息获取、信息传递、信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。从某种程度上来说，自动检测系统表现了一个国家的科技和工艺水平。它使产品功能多样化、智能化、高可靠性化、在工程中已经广泛的开展自动检测系统的运用，它已成为现代机器制造业和工业生产过程中的重要而不可缺少的组成部分。自动检测系统及其理论不仅在工业、国防等部门已经获得了广泛的应用，例如在宇宙飞船系统、导弹制导系统和机器人系统中，在制造工业的数字车床控制，在航空和航天工业的自动驾驶仪系统设计，在过程控制中，对压力、温度、湿度、粘性和流量的控制这样一些工业操作过程【5 】【6 1 。自动检测系统理论和实践的不断发展，为人们提供了获得动态系统最佳性能的方法，提高了生产率，并且使人们从繁重的体力劳动和大量重复性的手工操作中解放出来p 】。1 2 自动检测技术的国内外现状四川大学工程硕士研究生学位论文随着计算机技术的不断发展，自动检测系统充分开发和利用计算机的资源，采用特定的软件算法和技术，进行信号的分析，测量和激励信号韵形成，从而能在硬件显著减少的条件下，极大的提高测试功能，使自动检测系统的控制不仅仅只是控制系统的协调工作，而且能直接参与信号的产生，完成被测系统性能参数的测量等任务，充分发挥计算机的巨大潜力。目前我国和国外在自动检测技术方面都极为重视，花费了大量的人力和财力发展自动检测设备，特别是在军用方面。国内从7 0 年代中期开始，经过2 0 多年的探索与实践，已经陆续研制一大批自动检测设备，如炮火性能综合检测设备、雷达性能综合检测修理车和陆军技术导弹性能检测系统等等。这些自动检测设替的研制，提高了我国在军用方面的检测手段。但就自动检测设备的发展和技术水平而言，尚未形成模块化设计思想；缺乏总体规划，检测原理和技术较为落后，还未能形成测控技术上的自动化、标准化和智能化。国外由于计算机技术，软件技术和传感器技术发展较快，给自动检测技术的发展提供了十分有利的条件，目前正在形成模块化、系列化和通用化、自动化和智能化、标准化的发展方向 2 2 】。1 3 自动检测技术的发展及特点检测是人类认识物质世界、改造物质世界的重要手段。远古时代，人类就知道用自身的指、臂长为标准确定其他物体的长度，后来又发明了观察时间的“日身”和测定方向的指南针。检测技术的发展标志着人类的进步和人类社会的繁荣。在现代工、农业、国防、交通、医疗、科研等各行业，检测技术的作用越来越大，检测设备就像神经和感官，源源不断地向人们传输各种有用的信息。检测的智能化归功于计算机技术的发展。1 9 4 6 年，美国宾夕法尼亚大学在美籍匈牙利数学家冯纽曼的设计思想指导下研制出世界上第一台电子计算机，为现代自动检测系统的发展提供了有效的手段。1 9 7 1 年，美国i n t e l 公司研究出4 0 0 4 型4 位微处理芯片。使传统的检测仪器采用计算机进行数据分析处理成为现实。微电子技术，特别是微计算机技术的迅猛发展，使检测仪器在测量过程自动化、测量结果的自动化处理和仪器功能仿人化等方面都有了巨大的进展。婴型查兰三矍堡主竺塞圭堂垡丝竺从广义上说，智能检测系统( i n t e l l i g e n tm e a s u r i n gs y s t e m ) 包括以单片机为核心的自动仪器、以p c 机为核心的自动测试系统和目前发展势头迅猛的专家系统。所谓自动检测，应当包含测量、检验、故障诊断、信息处理和决策输出等多种内容，具有比传统的“测量”远远丰富的范畴，是检测设备模仿人类专家信息综合处理能力的结晶1 3 1 。自动检测系统充分开发利用计算机资源，在人工最少参与的条件下尽量以软件实现系统功能。因此，自动检测系统具有以下特点。( 1 ) 测量过程软件控制自动检测系统可实现自稳零放大、自动极性判断、自动量程切换、自动报警过载保护、非线性补偿、多功能测试和自动巡回检测。由于有了计算机，上述过程可采用软件控制。测量过程的软件控制可以简化系统的硬件结构，缩小体积，降低功耗，提高检测系统的可靠性和自动化程度。( 2 ) 智能化数据处理智能化数据处理是自动检测系统最突出的特点。计算机可以方便、快捷地实现各种算法。因此，自动检测系统可用软件对测量结果进行及时、在线处理，提高测量精度。另一方面，自动检测系统可以对测量结果进行再加工，获得并提供更多更可靠的高质量信息。自动检测系统中的计算机可以方便地用软件实现线性化处理、算术平均值处理、数据融合计算、快速傅立叶变换。相关分析等各种信息处理功能。( 3 ) 高度的灵活性自动检测系统以软件为工作核心，生产、修改、复制都较容易，功能和性能指标更改方便。而传统的硬件检测系统，生产工艺复杂，参数分散性较大，每次更改都牵涉到元器件和仪器结构的改变。( 4 ) 实现多参数检钡4 与信息融合自动检测系统配备多个测量通道，可以由计算机对多路测量通道进行高速扫描采样。因此，自动检测系统可以对多种测量参数进行检测。在进行多参数检测的基础上，依据各路信息的相关特性，可以实现自动检测系统的多传感器信息融合，从而提高检瞩系统的准确性、可靠性和容错性。( 5 ) 测量速度快四川大学工程硕士研究生学位论文高速测量是自动检测系统追求的目标之一。所谓检测速度，是指测量开始，经过信号放大、整流滤波、非线性补偿、a j ) 转换、数据处理和结果输出的全过程所需的时间。目前，高速a d 转换的采样速度在2 0 0 m h z 以上，j 2 位p c 机的时钟频率也在5 0 0 m h z 以上。随着电子技术的迅猛发展，高速显示、高速打印、高速绘图设备也日臻完善。这些都为自动检测系统的快速检测提供了条件。( 6 ) 自动化功能强以计算机为信息处理核心的自动检测系统具有较强的自动功能，可以满足各类用户的需要。典型的自动功能有：1 ) 测量选择功能自动检测系统能够实现量程转换、信号通道和采样方式的自动选择j 使系统具有对被测对象的最优化跟踪检测能力。2 ) 故障诊断功能自动检测系统结构复杂，功能较多，系统本身的故障诊断尤为重要。系统可以根据检测通道的特性和计算机本身的自诊断能力，检查各单元故障，显示故障部位、故障原因和应采取的故障排除方法。3 ) 其他自动功能自动检测系统还可以具备人机对话、自校准、打印、绘图、通信、专家知识查询和控制输出等自动功能。 7 】【8 】 9 11 4 智能化仪表的概念及工作原理1 4 1 智能化仪表的概念智能化仪表是自动检测技术一种典型应用。所谓智能化仪表实质上是以微型计算机为主体代替传统仪表中常规电子电路而设计出来的一代新型仪表。由于将微处理器嵌入测量控制仪表中，使得它不但能够解决传统仪表不能解决或不易解决的问题，而且能够实现一部分人工智能的工作，例如：记忆存储、四则运算、逻辑判断、命令识别等功能。尽管目前智能化仪表的智能水平有限，但是随着科学技术和自动控制理论的进一步发展，这类仪表所具有的智能化程度将会越来越高“”“。4婴型查堂三堡堡主旦塞皇堂焦丝苎1 4 2 智能化仪表的工作原理智能仪表的工作原理是：由传感器产生的被测控对象的输入信号先在过程输入通道中进行变换、放大、整形、滤波、补偿等预处理；如果是模拟量信号，还需要经过模拟量输入通道的a d 转换器变成数字信号，再通过输入接口送入主机，由c p u 对输入的数字量数据进行一系列加工处理，并将运算结果存储在数据存储器r a m 中，同时可以通过接口送至显示器、打印机、语音设备等，也可以输出开关量信号或经过模拟量输出通道中的d a 转换器转换成模拟量信号，输出去实现调节控制作用。还可以通过并行标准接口和串行标准接口实现数据通信，完成更复杂的测量、控制任务。必要的参数、命令可以通过键盘等输入设备送入内行r a m 中。仪表的整个工作是将预先编制并调试正确的程序写入程序存储器r o m 中，c p u 执行r o m 中的程序来完成任务的“。1 5 本课题的研究目的及意义1 5 1 研究目的本课题来源于中国工程物理研究院机械制造工艺研究所课题“装配温、湿度及静电实时自动监测报警系统研制”。其研究的主要目的是提供装配环境的温度、湿度及周围人员、物品的静电电位，具有高性能、高可靠性、高效率、集成化、多功能特点的监测报警装置。1 5 ，2 研冤意义温度、湿度和静电是装配中常见的重要被测、被控参数，在机械、食品、医疗、化工等工业生产中经常会遇到对温度、湿度和静电这些参数进行精确检测和严格控制的问题。以往使用常规模拟仪表监测，人工操作控制，复杂繁琐；而且，由于手动操作往往具有较严重的滞后性，因而会给监测和报警带来较大的误差和滞后，影响监测系统的精确性，系统可靠性随之下降，由此还会带来操作人员劳动强度大、维修困难等问题。而基于单片机的嵌入式实时测控技术的应用通过将计算机技术与测量控制技术的融合，使传统的测控方法和手段发生了根本性变革。用单片机为核心的嵌入式测控系统取代采用传统仪器、仪表的常规测控系统，可以方便地实现测控过程的自动化、测量结果的数字化处理以及测控仪表功能的多样化”1 ，并对大幅度提高装配过程的监测精度、降低操堕型盔堂三翌堡兰婴塑竺兰堡堡塞作人员劳动强度具有十分重要的促进作用。鉴于此，我们采用嵌入式测控技术，选用微控制器作为控制系统的智能核心，设计出了一种新型的温、湿度及静电实时自动监测报警装置。1 6 项目的主要研究内容和方案1 6 1 项目主要研究内容a ) 温、湿度及静电参数的测量原理，数据处理方法b ) 温、湿度及静电参数的测量单元的结构原理方案c ) 实时自动监测报警系统的总体集成方案；d ) 实时自动监测报警系统的工程设计；e ) 实时自动监测报警系统的制造、调试；f ) 实时自动监测报警系统的标定、鉴定。1 6 2 项目的关键技术a ) 温、湿度及静电监测系统的防爆性研究f”温、湿度及静电监测系统的低能耗与采用直流干电池供电的研究及设计；c ) 温、湿度及静电实时自动监测报警系统的结构设计。1 6 3 项目的研究过程和技术路线：根据装配技术要求及装配环境条件要求进行温、湿度及静电监测的方案研究设计及方案论证、评审。温、湿度监测采用温、湿度传感器直接测量装配空间的温度和湿度。静电监测采用测量带电物体的静电电压( 电位) 的方法，如测量导体、绝缘体及人体等的静电电位。由于接触式静电电压表测量时接触被测物体会放电，测量过程就存在放电引燃的危险。因此，我们采用非接触式静电电压表进行测量。本装置传感器采集信号经过放大器和a d 转换器等，由液晶显示出装配空间的温、湿度以及被测物体的静电电压。为保证读数的准确和及时更换电池，本装置还设有电池欠压显示电路以及读数保持等电路。进行温、湿度及静电监测报警装置的结构设计及技术研究攻关、评审。因为在爆炸性危险场所使用，因此是有防爆要求。探头设计得不合理，如探头的四川大学工程硕士研究生学位论文金属部分直接露在外面，甚至没有保护措施，这样在测量时若偶然与被测物体接触，则可能会发生放电，有可能造成事故。因此我们采用“防放电一自我保护”的新型防爆电容感应探头，防爆探头置于壳内，且金属探头的外侧有绝缘屏蔽层，这样最大限度地减小了放电的概率和减弱了放电的强度，而且装置本身也不会受到外来静电( 如人体触摸探头) 的损坏，有效的解决设备的防爆要求。进行了总体设计，加工制造样件。论文论述项目中，本人主要负责了实时自动监测报警系统的原理设计和工程研制等工作。7四川大学工程硕士研究生学位论文2 检测工艺流程及要求2 1 温、湿度及静电实时自动监测报警装置检测工艺流程温、湿度及静电实时自动监测报警装置的工艺流程主要由环境检测和报警两部分组成。其中环境检测的目的是检测装配环境中的温、湿度及静电等参数；报警的目的是提示工作人员工作环境已经不能满足装配要求。检测时，打开监测报警装置的电源开关，监测报警装置自动监视、记录装配环境中温、湿度及静电等参数，当上述参数在设定的范围之外时，能自动报警。2 2 监测报警装置功能及参数指标a ) 可对装配环境的温度、湿度和静电进行实时检测；b ) 检测得到的静电及温、湿度数据可以实时显示，静电显示的不确定度为 2 5 0 0 v 。光电耦合器在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间有一定的延迟时间，4 n 2 5 的导通延迟。是2 8 雕，关断延迟r 。，是4 5 埘。光电耦合器输入端的电流一股为1 0 1 5 m a ，发光二极管的压降约为1 2 1 5 v 。输入端1 ：3 电路( 2 ) 中光电耦合器输入端限流电阻可由下式计算：r ：= v c c - v e ( 3 - 1 、lf式中：为电源电压四川大学工程硕士研究生学位论文为输入端发光二极管的压降取1 5 v，。为发光二极管的工作电流如图3 - 6 电路要求，为1 5 m a 则限流电阻r 4 1 的阻值计算如下r ：v c c - v f ：型：1 5 0 0 q1 f0 0 1 53 7 功率输出驱动电路设计该监测报警装置拥有的4 个独立输出端口均采用了固态继电器s s r 来实现控制回路( 输入端) 的弱电信号与负载回路( 输出端) 的强电负载驱动之间数字地与模拟地的隔离及信号耦合。固态继电器是一种无触点通断功率型电子开关。当对其输入端旌加触发信号时，其输出主回路呈导通状态；当输入端无信号时，其输出主回路呈阻断状态。由于是全固态电子元件组成，与机械继电器m e r 相比，固态继电器没有任何可动的机械部件，工作中也没有任何机械动作：固态继电器由电路的工作状态变换实现“通和“断”的开关功能，没有电接触点，所以它有一系列机械继电器不具备的优点，即工作高可靠、长寿命( 有资料表明固态继电器的开关次数比一般机械继电器高几百倍) ：无动作噪声；耐振耐机械冲击；安装位置无限制：很容易用绝缘防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能；在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳。图3 7所示为输出端口中其中一个通道的电路图，其它通道的电路与该通道电路相似。图3 7 输出端口电路基于低能耗设计原则，在各输出通道中采用了c m o s 集成门电路7 4 h c 0 4作为逻辑信号的输出驱动。由于c m o s 电路驱动能力较低，而固态继电器一般要求有0 5 2 0 m a 的输入驱动电流，故在7 4 h c 0 4 逻辑门驱动器后增加了一级1 7刚川大学工程硕士研究生学位论文由n p n 型晶体管9 0 1 3 和电阻交5 i 、r 6 5 组成的晶体管驱动放大电路“。同时，为了防止固态继电器输入电压超过额定值，在固态继电器的输入端设置一限流电阻r 4 5 。由于各输出通道中固态继电器输出端的负载多为非稳定性负载或电磁阀等感性负载，所以在固态继电器的输出回路中设置了一个由电阻r 7 5 、电容c 3 4 和齐g f l 一- 极管d 5 构成的瞬态抑制电路，它可以有效的抑制加至继电器的瞬态电压和电压指数上升率d 矿d t ，以保护固态继电器不致被输出回路中的电流浪涌损坏峭j 。3 8 串口通讯单元设计微处理器a t 8 9 c 5 2 内部有一个可规划的串行端口，为个全双工( f u l ld u p l e x ) 的通讯端口，可以同时发送和接收数据，串行端口具有使用较少的传输线即可完成数据传输的优点，故可利用微处理器a q 8 9 c 5 2 的串行端口满足该监测报警装置需要具备上下位机通讯的功能。考虑到在该控制系统中上下位机的数据传输距离不会超过l m ，故选用了在异步串行通讯中应用最广的标准总线r s 2 3 2 c 。由于r s 2 3 2 c 信号电平与单片机信号电平( t t l 电平) 不一致，因此在采用r s 2 3 2 c 标准时，必须进行信号电平转换。在串行通讯的接口电路中则选用了m a x 2 3 2 芯片作为信号电平转换芯片。m a x 2 3 2 芯片包含两路接收器和驱动器的i c 芯片，其内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+ 5 v 电压变换成为r s 2 3 2 c 输出电平所需的1 2 v 电压。“。所以，采用此芯片接口的串行通讯系统只需单+ 5 v 电源就可以了。由此可见，采用的芯片可以极大地简化串口通讯电路的设计。在电路设计中，从芯片中的两路发送接收器中任选路作为接口，发送和接收的引脚对应。该测控系统的串口通讯接口电路如图3 - 8 所示。图3 - 8 串口通讯接臼电路其中，电容c 5 9 、c 6 0 、c 6 1 、c 6 2 用于电源变换。考虑到实际应用中m a x 2 3 2对电源噪声的敏感性，在其v c c 引脚端对地加去耦电容c 5 8 ，其值为0 u f 。电容c 5 9 、c 6 0 、c 6 1 、c 6 2 取同样数值的电解电容1 0 # f 1 6 v ，用以提高串口通讯接口电路的抗干扰能力“。3 9l c d 显示单元设计l c d 显示器都是以点矩阵的显示方式来显示文字或图形数据。温、湿度及静电实时自动监测报警装置需要检测和显示温度、湿度和静电三种信号的数据信息，而且该装置在检测过程中还需要显示多种工作状态，故在设计该装置的显示器时选用了香港精电公司的4 0 x 2 文字型l c d 显示器。在该测控系统中对l c d 显示器的控制采用了间接控制方式( 4 位总线) 。间接控制方式是利用h d 4 4 7 8 0 所具有的4 位数据总线的功能，简化电路接口的一种接口方式。其电路接线如图3 - 9 所示。1 9四川大学工程硕士研究生学位论文图3 - 9l e 0 接口电路图实际上，l c d 显示器是由一些专为l c d 设计的芯片所控制，如日立公司的h d 4 4 7 8 0 ，这些芯片与l c d 构成一个l c m 模块( l c dm o d _ u k ) 。字符型液晶显示模块由字符型液晶显示屏( l c d ) ，控制驱动主电路h d 4 4 7 8 0 及其扩展驱动电路h d 4 4 1 0 0 或与其兼容的i c ，少量阻、容元件，结构件等装配在p c b板上而成。字符型液晶显示模块目前在国际上已经规范化，无论显示屏规格如何变化，其电特性和接口形式都是统一的【28 1 。l c d 显示器每行可显示4 0 个字符，可显示的行数为2 行。这种l c d 显示器共有1 4 根引脚，其中有用来与微电脑联机的数据线7 根( d b 0 d b 7 ) 和控制信号线3 根( r s 、r 旷、e ) ，另外3 根引脚为电源信号线( v s s 、v d d 、v o ) 3 1 1 。四川大学t 程硕士研究生学位论文3 1 0 打印机接口单元设计温、湿度及静电实时自动监测报警装置外接豹打印机选用目前流行的t p p- - 4 0 a 微型打印机。皿胛- - 4 0 a 是一种由单片机控制的智能型打印机，其主要技术性能有【2 9 】：a ) 采用单片机控制，具有2 k b 控打程序及标准并行接口，便于与各种计算机应用系统或智能仪器仪表联机使用；b ) 具有丰富的打印命令，命令代码均为单字节，格式简单；c ) 可产生全部标准的a s c 代码字符，以及1 2 8 个非标准字符和图符。有1 6 个代码字符( 6 7 点阵) 可由用户通过程序自行定义。并可通过命令用此1 6 个代码字符去更换任何驻留代码字型，以便用于多种文字的打印；d ) 可打印出8 2 4 0 点阵的图样( 汉字或图案点阵) 。代码字符和点阵图样可在一行中混合打印；e ) 字符、图符和点阵图可以在宽和高的方向放大为2 4 倍；f ) 每行字符的点行数( 包括字符的行间距) 可用命令更换，即字符行间距空点行在0 2 5 6 间任选；西带有水平和垂直制表命令，便于打印表格：h ) 具有重复打印同一字符命令，以减少输送代码的数量：i ) 带有命令格式的检错功能，当输入错误命令时，打印机立即打印出错误信息。t p 妒- - 4 0 a 微型打印机与计算机应用系统通过机匣后部的2 0 芯扁平电缆及接插件相连。在测控系统中，t p 胪- - 4 0 a 直接与单片机应用系统的总线相接，即数据线与微处理器a t 8 9 c 5 2 单片机的p 0 口相接。t p 妒一4 0 a 没有读、写信号线，只有一对握手线7 百、b u s y ，在系统设计中用一根地址线( a 1 1 ) 来控制读、写信号选通丽百和读取打印机的b u s y 状态。3 1 1 节能设计温、湿度及静电实时自动监测报警装置要求在电池供电的情况下能够正常工作并完成各项检测程序，因此装置电气控制系统的节能设计就尤其重要。在该装置电气控制系统的硬件设计中广泛采用了功耗较小的c m o s 器件；另外，婴查兰三望堡主塑塞生堂垡堕塞在装置耗电相对较多的显示器部分也选用7 功耗较小的l c d 器件。这样就在极大的程度上降低了装置系统的功耗，可以延长电池的单次像用时间”。3 1 2 抗干扰设计在系统中，影响系统可靠工作的主要因素是各种干扰。这些干扰主要是来自应用系统的内部和外部。内部干扰是指元器件本身产生的干扰，通过电源、地线、分布电容和电感等途径影响系统工作。外部干扰是指雷电干扰、其它电气设备产生的干扰、电源地线引入的干扰等。为了保证能系统能否安全可靠工作，温、湿度及静电实时自动监测报警装置采取行之有效的抗干扰措施。形成干扰的基本要素有三个 3 4 】：a ) 干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。b ) 传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。敏感器件，指容易被干扰的对象。如：a d 、d a 变换器、m p u 、数字i e 、弱信号放大器等。因此，抗干扰设计的基本原则就是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。首先，抑制干扰源。抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源主要是通过在干扰源两端并联电容和在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。在该系统中抑制干扰源采取的措施如下：继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。在继电器接点两端并接火花抑制电路( 一般是r c 串联电路，电阻一般选几k 到几十k ，电容选o 0 1 u f ) ，减小电火花影响。电路板上每个i c 并接一个o o l 肛o 1 庐高频电容，以减小i c 对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则；等于增大婴型查堂三堡堡主翌塞兰兰堡丝壅一了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。布线时避免9 0 度折线，减少高频噪声发射。其次，切断干扰传播路径。按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大，要特别注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加屏蔽罩。在该测控系统中切断干扰传播路径采取的措施如下p 6 ：充分考虑电源对系统的影响。电源做得好整个电路的抗干扰就解决了一大半。单片机对电源噪声很敏感，因此，系统中使用的电源采用了成品一体化不间断电源，并在单片机系统各芯片的电源输入端增加滤波电路以减小电源噪声对单片机系统的干扰。注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可在系统调试时解决许多疑难问题。电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源( 如继电器) 与敏感元件( 如单片机) 远离。用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。a d 芯片布线也以此为原则。在单片机f o 口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。最后，高敏感器件的抗干扰性能。提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。5 。在该测控系统中提高敏感器件抗干扰性能采取的措施如下：1 ) 布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。2 ) 布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。3 ) 为了避免系统中各芯片的未用i o 引脚引入干扰噪声，也采取了将各芯片所有未用输入引脚全部接数字地，所有未用输出引脚全部接数字回路的电源。4 ) 在系统中增设看门狗电路，以防单片机系统在受到干扰后，程序发生紊四川大学工程硕士哿f 究生学位论文乱，从而提高整个电路的抗干扰性能。5 ) i c 器件尽量直接焊在电路板上，少用配座。在设计中，电气控制系统的开关量的输入和输出通道中都采用了光电隔离的抗干扰措施，这样就可以减少开关量的输入和输出通道中引入很强的干扰噪声。另外，为了避免电气控制系统中各芯片的未用y o 引脚引入干扰噪声，也采取了将各芯片所有未用输入引脚全部接数字地，所有未用输出引脚全部接数字回路的电源的抗干扰措施。同时，在攘个系统中模拟回路用电源与数字回路用电源以及模拟地与数字地都是完全隔离的。四川大学工程硕十研究生学位论义4 传感器的设计4 1 静电传感器直感式仪表工作原理如图4 - 1 所示。图中，a 为被测带电体，t 为测量探头，在a 和t 之间的c o 表示被测物体与探头间的电容，c l 为探头的对地电容，r 和c 分别为仪表的输人电阻和电容”“。假定a 上对地的实际静电压为u 0 ，则由于c o 的存在，将在t 上感应出静电压u ，感应电荷的一部分会经过r 对地泄漏。于是，所测得的电压将为：u o ) = 丧即一去( 4 1 )可见，探头上的感应电压u ( t ) 随着测量时间t 而衰减。当仪表与被测带电体位置相对回定，则c 0 即定。c o ( c o + c ) 可视为常数，通过探头上测得的感应电压u 可求出被出物体上的电压u o 。显然，通过改变探头与被测物体之间的相对位置，即改变c o ，可蛆改变u 与u o 之间的比例关系，即改变仪器的量程。ac o卜一图4 1 直感式仪表工作原理图通过计算可知，测得的电压u 与时间t 有关，t 越长，电荷从r 上的泄漏删川大学工程硕士研究生学位论文越多，u 将越小，即与实际被测电压u 0 的误差将越大。为增大仪表| 勺放电时问常数。( 要求t 1 8 0 s ) ，要求仪表的输人电阻r 足够大。显然，此类仪表不适于作长期监测之用。由于感应的信号微弱，实际测量机构中设置各种直流放大器以放大信号。此类仪表结构简单，体积小重量轻，故具有便携性能，但是灵敏度较低，稳定性也差。根据直感式静电测量仪表的型号、特点，我们与北京市劳动保护科学研究的合作研制了e s t 9 0 2 型静电检测探头。探头设计得不合理，如探头的金属部分直接露在外面，甚至没有保护措施，这样在测量时若偶然与被测物体接触，则可能会发生放电，有可能造成事故。因此我们研制的e s t 9 0 2 型静电检测探头采用“防放电一自我保护”的新型防爆电容感应探头，防爆探头置于壳内，且金属探头的外侧有绝缘屏蔽层，这样最大限度地减小了放电的概率和减弱了放电的强度，而且装置本身也不会受到外来静电( 如人体触摸探头) 的损坏有效的解决设备的防爆要求啪1 。4 2 温度传感器我们采用铂热电阻作为测量元件。铂的物理、化学性能非常稳定，是目前制造热电阻的最好材料，铂电阻主要用作标准电阻温度计 3 引。被广泛应用于作温度的基准，标准的传递。它的长时间稳定复现性可达1 0 4 k ，是目前测温复现性最好的一种温度计。铂的纯度通常用w ( 1 0 0 ) 来表示，即w ( 1 0 0 ) = r l p - o ，r 1 0 0 为水沸点( 1 0 0 ) 时的电阻值；r 。为水冰点( 0 ) 时的电阻值。w ( 1 0 0 ) 越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为标准器的铂电阻，其比值w ( 1 0 0 ) 不得小于1 3 9 2 5 ，目前技术水平已达到w ( 1 的) 为i 3 9 j o ，与之相应的铂的纯度为9 9 9 9 9 5 ，工业用铝电阻的纯度w ( 1 0 0 ) 为1 3 8 亨1 3 9 0 。我们采用p t l 0 0 ，精度等级为i 级，r l o d r o 为1 3 9 1 土0 。0 0 7 。我们设计热电阻温度传感变送器电路采用x t r l 0 3 集成电流变送器的基本r t d 温度测量电路“，如图4 2 所示。圈4 - 2 温度测量电路x t r l 0 3 是一个单片4 2 0 m a 、二线电流变送器，用于铂电阻温度传感器。电路电源v p s ( 9 4 0 v ) 给全部电路供电，用测串联负载电阻r l 上的电压降方法测输出回路电流，x t r l 0 3 的两个匹配0 8 m a 电流源驱动铂电阻r t d 和r z ，x t r l 0 3 输入电压v 【n 为r t d 和r z 上的电压差。在测量范围下限即最低测量温度时，选择舭值等于r t d 阻值，并校准x t r l 0 3 输人偏置电压和基准匹配电流，调节r z 使输出电流为4 m a ，r c m 提供x t r l 0 3 的偏置输人电压。r g 调增益，满量程时输入电压v n 为vf s 则r g = 2 5 0 0 ( v f s - 1 ) 0 。当r g不连接( r g = 幽时，v l n ：o 1 v 输人，产生4 2 0 m a 电流输出。r g =2 5 f 时，v i n ：o 1 0 m v 输人，产生4 2 0m a 电流输出。r g 为其他值时可按图示公式计算输出电流i o 三极管t 传导大部分电流。没有三极管t 时，x t r l 0 3 管脚l l 和1 4 短接。r i 刖为线电阻。4 3 湿度传感器4 3 1 湿度绝对湿度：每立方米湿空气中含有的水蒸汽的质量，称为绝对湿度。也就婴型查堂三塑堡主竺塑生堂堡堡苎是湿空气中水蒸汽的密度。空气中水蒸汽的含量是有限的。在一定温度和压力下，空气中所含水蒸汽达到最大可能的含量时，这时的空气叫饱和空气。相对湿度：每立方米湿空气中，水蒸汽的实际含量( 即未饱和空气的水蒸汽密度) 与同温度下最大可能的水蒸汽含量( 即饱和水蒸汽密度) 之比叫相对湿度m 3 。4 3 2 湿敏传感器及电路我们采用氯化锂湿敏电阻作为检测元件。氯化钾湿敏电阻是利用吸湿性盐潮解，离子导电率发生变化而制成的湿敏元件【4 2 。它的结构是在条状绝缘基片的两侧面，用化学沉积或真空蒸发的方法做上电报，再浸渍一定配方的氯化俱聚乙烯醇混合溶液，经一定时间的老化处理，即可制成湿敏电阻。氯化理是典型的离子晶体，高浓度的氯化钾溶液中，l i 和c i 仍以正、负离子的形式存在：而溶液中的离子导电能力与溶液的浓度有关。实践证明，溶液的当量电导随着溶液浓度的增高而下降。当溶液置于一定温度的环境中时，若环境的相对湿度高，溶液将因吸收水分而使浓度降低，反之，当环境的相对湿度低时，则溶液的浓度就增高，因此氯化理湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现了对湿度的电测量。我们设计湿敏传感器是一种工作温度为一1 0 9 0 。c ，测量范围为0 1 0 0 r h ，阻抗称值在3 0 r h 时为1 m f l ，9 0 r h 时为1 5 k o 。电路的工作原理如图4 3 所示。四川大学工程硕士研究生学位论文r 斗d 菩图4 - 3 湿度传感器检测电路传感器检测的信号经3 、4 端送人控制器，经d 5 d 8 的全桥整流变成直流信号，由湿度控制设定调节电位器r p l 取样，与比较器i c l 的7 脚相连。7 脚电位随湿度变化而变化，当7 脚电位高于6 脚时，比较器i c l d 的1 脚为高电平，d 触发器l 脚亦为高电平，三极管导通，继电器j 吸合，随着湿度下降，湿度传感器的电阻增大，输人电压下降，i c 2 的4 脚电位下降，当i c 2 的4 脚电位低于5 脚电位时，i c 2 的2 脚电位变为高电平，d 触发器复位，1 脚变为低电位，三极管截止，继电器j 释放，从而实现湿度自动控制“”。从上述原理可知，转动电位器p , - p l 可实现湿度控制设定。如果有特殊需要，将r 4 换成可调电位器，便可实现区域调节设定，即可完成对湿度区域的控制要求。4 4 温、湿度和静电传感器数据转换在本系统中采用温湿度传感器的温度和湿度输出信号都为4 2 0 m a 的电流输出，静电电压输出是l 5 v 的电压，信号的输出与电量的是线性关系，温湿度传感器湿度的输出信号为4 2 0 r a h 的电流值，对应于0 1 0 0 ，四川大学工程硕士研究生学位论文那么湿度和输出的电：f c 信号有下面的关系：y i = 1 6 x l + 4( 4 - 2 )且有y l = 2 0 m a ，x l = 0 0 其中y 代表电流值，五代表相对湿度。温湿度传感器温度的输出信号为o 2 0 m a 的电流值，对应手 o 5 0 的温度，温度与电流是线性的，则有：2y 2 。j 上2(