基于傳感器數(shù)據(jù)采集的智能縮水率機的設計

時間：2010-08-26 23:45:28

關鍵字：傳感器數(shù)據(jù)采集 CPU INA128

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[導讀] 　縮水率機，顧名思義就是測量織物縮水率的機器，我們的第一代產(chǎn)品用目前的眼光來看，體積龐大，外觀粗糙，電路陳舊不簡潔，可靠性差，主要部件均為自產(chǎn)，如電機等還經(jīng)常損壞。這次，經(jīng)過市場調(diào)查和分析，我們發(fā)現(xiàn)

　縮水率機，顧名思義就是測量織物縮水率的機器，我們的第一代產(chǎn)品用目前的眼光來看，體積龐大，外觀粗糙，電路陳舊不簡潔，可靠性差，主要部件均為自產(chǎn)，如電機等還經(jīng)常損壞。這次，經(jīng)過市場調(diào)查和分析，我們發(fā)現(xiàn)西門子和滾筒式洗衣機的外觀，機械結構、電機、電磁閥等在同行中都較領先，而且和我們的要求相近。因此，我們提出了利用西門子殼體改制縮水率機的構想，通過解剖，摒棄了其所有機械程控部分，改用我們自己設計的新的控制系統(tǒng)。程序按照有關國際和國內(nèi)標準運行，經(jīng)過實踐證明，我們的方案是成功的!

　　本文主要介紹傳感器的數(shù)據(jù)采集過程，并對其器件的用法和電路的整個工作流程都作了詳細的說明。

　　一. 系統(tǒng)結構(圖一)

　　(圖一)

　　1、鍵盤顯示電路，如按鍵的查詢、溫度的顯示、水位的顯示等均要由它來完成。因此，按鍵和面板顯示不能占主CPU太多的時間，因此，我們采用非常成熟的8279芯片來管理鍵盤和顯示，達到了很好的效果。

　　2、傳感器的數(shù)據(jù)采集，單用一片AT89C52作為溫度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)的采集。

　　數(shù)據(jù)采集完成以后通過RS485信號傳給主CPU板。

　　3、外設的驅(qū)動部分通過固態(tài)繼電器完成。固態(tài)繼電器無機械觸點、帶光電隔離、驅(qū)動簡單、無火花，更重要的是有過零觸發(fā)，使用電設備的開關均在輸入AC的零點，減小了干擾。所以，在本機中，這些設備均采用固態(tài)繼電器(其中，電機調(diào)速部分采用DCSSR)。在整個過程中，電機的控制是關鍵，通過對其電機的結構及電路的徹底解剖后，發(fā)現(xiàn)其控制電路是一塊由從MOTOROLA公司產(chǎn)的TDA1085C的專用電路控制，整個控制部分做得簡潔可靠。有鑒于此，我們決定通過間接控制這塊板來達到控制電機的目的。這樣，既節(jié)約了成本，又提高了可靠性

　　4、主CPU板為整個系統(tǒng)的核心，它完成傳感器數(shù)據(jù)的采集并進行處理，然后送顯示，并且按程序要求驅(qū)動外設動作。其中，主CPU和鍵盤顯示電路接口時禁止主CPU數(shù)據(jù)總線直接和外設進行IO操作(通過扁平電纜和對方相連)，保證了顯示的穩(wěn)定，按鍵的正確判斷。主從兩CPU之間采用半雙工RS485接口進行串行通訊，抗干擾能力很強。同時，由于從CPU已將溫度、水位等數(shù)據(jù)處理整合，打包后發(fā)給主CPU，減輕了主CPU的負擔。由于整個系統(tǒng)的需要擴展的口線很多，所以在主電路中采用邏輯整合芯片ISPLSI2064來擴展I/O口以及其它邏輯功能的完成。

　　二.傳感器的數(shù)據(jù)采集電路(圖二)

　　(圖二)

　　1. 水位檢測

　　在技術要求中有實時顯示水位這一要求，按照以前那種方法(浮子法)只能有幾個水位點，而不能連續(xù)測量，而且老是發(fā)生水位失控產(chǎn)生溢出的現(xiàn)象，所以我們選用美國SMI公司微壓傳感器SMI5551，利用原有皮管，用測量水位變化導致氣壓的變化來間接測量水位，原理如圖三：

　　(圖三)

　　2. 信號的放大調(diào)整

　　鑒這種傳感器為微壓傳感器，輸出為毫伏級，所以用儀表放大器進行放大。

　　儀表放大器選用美國TI公司的INA128，它是一種低電壓通用型儀表放大器，

　　其特點如下：

　　低失調(diào)電壓：50μVmax;

　　低漂移：0.5μV/℃max;

　　低輸入漂流：5nA max;

　　高共模抑制比：120dB min;

　　寬通帶：200kHz (G=100);

　　輸入過壓保護：±40V;

　　寬電源電壓范圍：±2.25～±18V;

　　低靜態(tài)電流：700μA;

　　8腳塑料DIP和SO-8封裝。

　　由于特性優(yōu)良，加之體積小，并可用一個外部電阻方便地從1到10000設定增益，使得INA128能夠廣泛應用于信號采集放大、醫(yī)用儀器及多通道系統(tǒng)等很多領域，可以在低至±2.25V的電源電壓下工作并且靜態(tài)工作電流很小，是便攜式和其它用電池供電系統(tǒng)的理想器件。

　　A. INA128應用注意事項

　　增益設定

　　圖二表示了INA128的基本連接。用一個獨立的外部電阻RG可以獲得的放大倍數(shù)為：G=1+50kΩ/RG。

　　式中50kΩ為INA128內(nèi)部的兩個放大器反饋電阻之和，它們都經(jīng)過激光校正，具有很高的精度和很小的溫度系數(shù)，手冊給定的器件性能已經(jīng)包括了它們的影響。外接電阻的精度及溫度穩(wěn)定性直接影響增益，特別是增益較大時(G≥100)，連線及插口的電阻也會對增益帶來附加誤差。也就是說，式中的RG值應為外接電阻與連線等雜散電阻的總和。

　　噪聲干擾

　　INA128的內(nèi)部噪聲很小，當G≥100時，0.1到10Hz的低頻噪聲大約只有0.2μVp-p,這比目前最新的低噪聲斬波放大器還要小很多。為減小外部干擾和電源噪聲的影響，應在緊靠電源引腳的地方加接去耦電容器。

　　另外，輸出電壓是以Ref端為參考點的，一般情況下，Ref應該良好接地，以保證放大器良好的共模抑制比。在引腳Ref增加8Ω的串聯(lián)電阻，就會使共模抑制比下降80dB(G=1)。

　　本例中在Ref端接1.2V基準是為了配合微壓傳感器SMI5551的輸出范圍以及后級AD轉換的輸出范圍。

　　失調(diào)補償

　　INA128經(jīng)過激光校正，因此，失調(diào)和溫漂都很小，多數(shù)情況下無需調(diào)整，必要時可對電路進行外部補償。加電壓跟隨器將調(diào)零電路與儀表放大器加以隔離，維持引腳Ref的低阻抗，保證了放大器良好的共模抑制比。電流源可用集成電路(例如REF200)，也可用電阻代替。當然，用電阻時，電源不穩(wěn)會對輸出產(chǎn)生影響。

　　輸入端電荷泄放通路

　　INA128的輸入阻抗很高，容易產(chǎn)生電荷積累，使輸入端電壓超過共模電壓容許范圍，造成輸入放大器飽和。但可為電荷提供泄放通路的幾種方法。利用變壓器的次級中心抽頭作為泄放通路。對于熱電偶這類低阻抗信號源，在一端接泄漏電阻。而對于高阻信號源，象話筒和水下檢測器等，應采用對稱電路，以減小輸入失調(diào)，提高共模抑制比。

　　共模輸入信號范圍

　　若輸入信號中的共模電壓過大時，會使輸入放大器飽和。在臨界飽和時，VO的輸出電壓為VO=VCM-VO/2。INA128的線性輸入范圍大約從負電源以上1.7V到正電源以下1.4V。對于確定的電源電壓，輸出電壓Vo越大，允許的共模信號越小。如果過大的共模輸入AO使得飽和。

　　低電壓運行

　　INA128的最大特點是適用的電源電壓范圍很寬。電源電壓從±2.25V到±18V變化時，大部分參數(shù)仍能維持很好的性能，INA128可在低電壓下使用，可以作為便攜式或電池供電系統(tǒng)的理想器件。但在低電壓使用時要特別注意，保證輸入信號被限制在線性范圍之內(nèi)，共模輸入電壓也不能太大。

　　輸入保護

　　INA128的輸入保護電路都可提供±40V的過壓保護，即是說，一個輸入端加-40V電壓、另一個輸入端加+40V電壓也不會帶來損壞。在正常信號條件下，過壓保護電路呈現(xiàn)低串聯(lián)阻抗;當輸入電壓過大時，保護電路可使輸入電流限制在1.5～5mA的安全范圍之內(nèi)。INA128在不加電源的情況下，對輸入端可能產(chǎn)生的靜電電荷也具有過壓保護作用。

　　三. AD轉換電路(圖二)

　　INA128把毫伏級信號放大為1.2V---5V,再由AD轉換為數(shù)字量。

　　AD轉換器選用用美國TI公司的高速8位模數(shù)轉換器TLC0820AC。

　　TLC0820AC是先進LinCMOS 8位模數(shù)轉換器。均由兩個4位快閃轉換器、一個4位數(shù)模轉換器、一個加法(誤差)放大器、控制邏輯及一個結果鎖定電路構成。改進的快閃技術可使低功率集成電路在整個溫度范圍內(nèi)以1.18μs完成8位轉換。片內(nèi)采樣與保持電路具有100ns采樣窗，允許這些器件以高達100mV/μs的斜升速率轉換連續(xù)模擬信號而無需外部采樣器件。與TTL兼容的3態(tài)輸出驅(qū)動器及兩種工作方式允許與不同微處理器接口。其特點如下：

　　先進的LinCMOS硅門技術

　　8位分辨率

　　差分基準輸入

　　并行微處理器接口

　　在溫度范圍內(nèi)轉換及存取時間，讀方式：2.5μs Max

　　無需外部時鐘或振蕩器

　　片內(nèi)采樣與保持

　　單5伏電源

　　用TLC0820AC轉換為數(shù)字信號后，再參照量化曲線算出水位，并且取多次水位的平均值以消除由于滾桶的轉動而引起水位的變化。用軟件自動完成了放大器的漂移的消除和調(diào)零功能。

　　四.通訊接口電路(圖四)

　　圖四

　　主從兩CPU之間采用半雙工RS485接口進行串行通訊，抗干擾能力很強。同時，由于從CPU已將溫度、水位等數(shù)據(jù)處理整合，打包后發(fā)給主CPU，減輕了主CPU的負擔。

　　RS485串行通訊接口選用用美國TI公司75LBC184，并通過光藕TIL191和SN7400進行電氣隔離。

　　SN75LBC184差分數(shù)據(jù)線收發(fā)器商業(yè)標準兼容，片內(nèi)A、B引腳接有高能量瞬變干擾保護裝置，這種結構能承受峰值為400W(典型值)的過壓瞬變(如雷電、靜電放電和交流電故障)，從而顯著地提高了器件抗過壓瞬變的可靠性。普通的RS-485收發(fā)器很容易被過壓瞬變損壞，如果要有效地加以保護，一般需外加包括隔離變壓器在內(nèi)的保護器件。若使用LBC184，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件，這提供了一種可靠、低價和簡單的設計方案。

　　本器件還具有適合于電噪聲環(huán)境中的合用數(shù)據(jù)總線應用的許多特點。差分驅(qū)動器設計成限斜率的，這種設計，通信數(shù)據(jù)率仍可達250kbit/s，并使電磁干擾減到最小，同時能減少傳輸線終端不匹配引起的反射，因而可降低對傳輸線匹配的要求。接收器的獨特設計是當輸入端開路時，其輸出為高電平，這一特性保證接收器輸入端電纜有開路故障時，不影響系統(tǒng)的正常工作。接收器的另一特點是輸入阻抗為RS-485標準輸入阻抗的2倍(≥24kΩ)，故可以在總線上連接64個收發(fā)器。

　　SN75LBC184將RS485通信中各種故障(包括瞬變電壓、ESD、電磁干擾、總線開路、熱故障等)的防范措施集成到一個芯片內(nèi)。SN75LBC184不僅可以抑制瞬變電壓(如雷電等)，還有其它多種故障抑制特性，是RS485通信中常見故障最完全的集成解決方案。

　　特性

　　具有瞬變電壓抑制功能，能防雷電和抗靜電放電沖擊

　　限斜率驅(qū)動器,使電磁干擾減到最小,并能減少傳輸線終端不匹配引起的反射

　　總線上可掛64個收發(fā)器

　　具有熱關斷保護

　　低禁止電源電流：300μA(最大)

　　接收器輸入端開路故障保護

　　ESD電壓可達±8kV

　　將收發(fā)器和瞬變電壓抑制器集成在一起，節(jié)省電路板空間，特別適合于野外或工業(yè)現(xiàn)場的通信。

　　SN75LBC184提供8腳塑料DIP(N)封裝和SOIC(D)封裝。

　　SN75LBC184：0℃～70℃