《智能仪器设计》PPT课件.ppt

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1、第第1010章章 智能仪器设计实例智能仪器设计实例 本章内容本章内容 10.1 10.1 数据采集系统设计数据采集系统设计 10.2 10.2 简易单回路温度控制器简易单回路温度控制器首页首页10.1 10.1 数据采集系统设计数据采集系统设计 数据采集系统的核心是计算机，它对整个系统进数据采集系统的核心是计算机，它对整个系统进行控制和数据处理。行控制和数据处理。10.1.1 10.1.1 数据采集系统的组成与结构数据采集系统的组成与结构 数据采集系统的一般组成框图如图。前置放大器，数据采集系统的一般组成框图如图。前置放大器，滤波电路，主放大器及相关电路通常合称为信号调滤波电路，主放大器及相关

2、电路通常合称为信号调理电路。理电路。被测信号一般先送入前置放大器初步放大到后续被测信号一般先送入前置放大器初步放大到后续电路的工作范围内。电路的工作范围内。下 页上 页返 回图图10.1 10.1 数据采集系统的一般组成框图数据采集系统的一般组成框图 对于比较大的被测信号，可通过衰减手段将其调对于比较大的被测信号，可通过衰减手段将其调整到相应的工作范围内。随后送入到滤波电路。整到相应的工作范围内。随后送入到滤波电路。主放大器可将滤波后的信号进一步放大到合适范主放大器可将滤波后的信号进一步放大到合适范围，送到围，送到A/DA/D转换器将信号变换为数字量。转换器将信号变换为数字量。10.1.2 1

3、0.1.2 数据采集系统设计考虑的因素数据采集系统设计考虑的因素 对于放大电路，如果是简单信号，采用一级放大对于放大电路，如果是简单信号，采用一级放大或衰减电路将信号调整到适合后续电路工作的电压或衰减电路将信号调整到适合后续电路工作的电压范围即可。而实际情况会复杂一些，往往要考虑抗范围即可。而实际情况会复杂一些，往往要考虑抗干扰等因素，将其设计成多级放大电路，同时在各干扰等因素，将其设计成多级放大电路，同时在各级放大电路之间加入必要的滤波电路。级放大电路之间加入必要的滤波电路。如果是比较微弱的信号，还要求运算放大器具有如果是比较微弱的信号，还要求运算放大器具有低噪声、低漂移、低输入偏置电流、非

4、线性度小等低噪声、低漂移、低输入偏置电流、非线性度小等特点，避免在放大过程中引入干扰。特点，避免在放大过程中引入干扰。下 页上 页返 回 A/D A/D转换器将原始的模拟信号转换成为计算机能够转换器将原始的模拟信号转换成为计算机能够处理的数字信号。首先需要选择处理的数字信号。首先需要选择A/DA/D转换器的位数，转换器的位数，其次是转换速率。如果使用多次采样取平均值的数其次是转换速率。如果使用多次采样取平均值的数据处理算法，则采集系统应有较快采样速度。据处理算法，则采集系统应有较快采样速度。采样采样/保持电路主要是配合保持电路主要是配合A/DA/D转换器工作。转换器工作。经放大电路经放大电路放

5、大的放大的原始信号含有各种噪声、干扰、原始信号含有各种噪声、干扰、耦合信号等等，需要采用信号调理电路进行必要的耦合信号等等，需要采用信号调理电路进行必要的处理，信号调理电路经常采用各类滤波器对这些影处理，信号调理电路经常采用各类滤波器对这些影响因素进行滤除，如低通滤波、高通滤波、带通滤响因素进行滤除，如低通滤波、高通滤波、带通滤波等。波等。下 页上 页返 回10.1.3 10.1.3 心电数据采集系统设计心电数据采集系统设计 心电数据采集系统是心电图检测仪的关键部件。心电数据采集系统是心电图检测仪的关键部件。人体心电信号的主要频率范围为人体心电信号的主要频率范围为100Hz100Hz，幅度约为

6、，幅度约为0 04mV4mV。属于低频，微弱信号，且干扰较大。另外。属于低频，微弱信号，且干扰较大。另外心电信号中通常混杂有各种生物电信号，加之体外心电信号中通常混杂有各种生物电信号，加之体外以以50Hz50Hz工频干扰为主的电磁场干扰，使得心电噪声工频干扰为主的电磁场干扰，使得心电噪声背景较强，测量条件比较复杂。要求心电数据采集背景较强，测量条件比较复杂。要求心电数据采集系统具有高精度，高稳定性，高输入阻抗，高共模系统具有高精度，高稳定性，高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声及强干扰能力等性能。抑制比，低噪声及强干扰能力等性能。数据采集系统的硬件设计的系统框图如下图数据采集系统的硬件设计的系统框

7、图如下图。下 页上 页返 回图图10.2 10.2 心电数据采集系统硬件设计框图心电数据采集系统硬件设计框图 图中信号调理部分专指图中信号调理部分专指50Hz50Hz及及35Hz35Hz陷波电路，陷波电路，滤除滤除50Hz50Hz的工频干扰和人体生物电产生的的工频干扰和人体生物电产生的35Hz35Hz肌肌电干扰。电干扰。心电信号由专用电极（电极放在人体各个部位，心电信号由专用电极（电极放在人体各个部位，比如：心脏、左右手，头部等部位）拾取后送入比如：心脏、左右手，头部等部位）拾取后送入前置放大器初步放大，并在对各干扰信号进行一前置放大器初步放大，并在对各干扰信号进行一定抑制后送入带通滤波器，以

8、滤除心电主要频率定抑制后送入带通滤波器，以滤除心电主要频率范围以外的干扰信号。范围以外的干扰信号。而主放大器可将带通滤波后的信号进一步放大而主放大器可将带通滤波后的信号进一步放大到合适范围，再经到合适范围，再经50Hz50Hz和和35Hz35Hz陷波器分别滤除工陷波器分别滤除工频和肌电干扰，然后送入频和肌电干扰，然后送入ADCADC，进行高精度，进行高精度A/DA/D转转换和最后送入单片机进行数据的采集存储处理。换和最后送入单片机进行数据的采集存储处理。下 页上 页返 回 1.1.信号放大电路信号放大电路 采用了两级放大电路，包括前置放大和主放大电采用了两级放大电路，包括前置放大和主放大电路。

9、在两级放大电路之间又接入了一个带通滤波电路。在两级放大电路之间又接入了一个带通滤波电路以使心电信号主频路以使心电信号主频100Hz100Hz通过后再进一步放大。通过后再进一步放大。前置放大约前置放大约1010倍，主放大约倍，主放大约100100倍。倍。前置放大电路前置放大电路 主要是初步放大心电信号，并在对各干扰信号进主要是初步放大心电信号，并在对各干扰信号进行抑制后送入带通滤波电路，以滤除干扰信号行抑制后送入带通滤波电路，以滤除干扰信号 。由于人体心电信号十分微弱，噪声背景强且信号由于人体心电信号十分微弱，噪声背景强且信号源阻抗较大等，通常要求前置放大器具有高输入阻源阻抗较大等，通常要求前置

10、放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能，设计时选用仪用放合适的频带和动态范围等性能，设计时选用仪用放大器大器AD620AD620作为前置放大器，采用差分放大电路。作为前置放大器，采用差分放大电路。下 页上 页返 回 带通滤波电路：带通滤波电路：带通滤波由双运放集成电路带通滤波由双运放集成电路OP2177OP2177构成。构成。OP2177OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片内集成了具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片内集成了两个运放。由于心电信号频带主要集中在两个运放。由于心电信号频带

11、主要集中在100Hz100Hz左右，频带较宽，为此，采用左右，频带较宽，为此，采用OP2177OP2177的两个运放分的两个运放分别设计二阶压控有源高通和低通滤波器并组合成带别设计二阶压控有源高通和低通滤波器并组合成带通滤波器。通滤波器。2.2.信号调理电路信号调理电路 由于心电信号的极其微弱。信号调理采用由于心电信号的极其微弱。信号调理采用50Hz50Hz及及35Hz35Hz陷波电路，滤除陷波电路，滤除50Hz50Hz和和35Hz35Hz的干扰。的干扰。工频干扰是心电信号的主要干扰，且有部分工频工频干扰是心电信号的主要干扰，且有部分工频干扰会以差模信号方式进入电路的，且频率处于心干扰会以差模

12、信号方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等下 页上 页返 回因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰。采用开关电容集成滤波器，它无需外接决定干扰。采用开关电容集成滤波器，它无需外接决定频率的电阻或电容，滤波频率仅由外接或片内时钟频率的电阻或电容，滤波频率仅由外接或片内时钟频率决定，且其频率特性对时钟和外围电路的参数频率决定，且其频率特性对时钟和外围电路的参数不敏感，因而性能较稳定。不敏感，因而性能较稳定。凌特公司的凌特公司的LTC1068-50LTC1068-50集

13、成开关电容滤波器内部集成开关电容滤波器内部集成了四个独立的二阶开关电容滤波器，时钟与中集成了四个独立的二阶开关电容滤波器，时钟与中心频率之比为心频率之比为5050：1 1，误差为，误差为 ，可采用，可采用5V5V、5V5V供电。因此，配合厂家提供的供电。因此，配合厂家提供的FilterCADFilterCAD滤波器设滤波器设计软件，可灵活配置成各类滤波器（低通、高通、计软件，可灵活配置成各类滤波器（低通、高通、带通、全通等）。为较好地滤除工频干扰，设计中带通、全通等）。为较好地滤除工频干扰，设计中利用利用LTC1068-50LTC1068-50的优点专门设计了一个的优点专门设计了一个8 8阶巴

14、特沃阶巴特沃斯斯50Hz50Hz陷波器，采用的时钟信号频率为陷波器，采用的时钟信号频率为下 页上 页返 回。经测试，陷波深度可达。经测试，陷波深度可达5050B B，可衰减，可衰减100100倍左倍左右，效果比较理想。右，效果比较理想。3.3.单片机电路单片机电路 本系统采用本系统采用C8051F206C8051F206单片机。其内部带有单片机。其内部带有A/DA/D转转换和数据存储。图所示是单片机与信号调理电路连换和数据存储。图所示是单片机与信号调理电路连接框图。接框图。下 页上 页返 回图图10.3 10.3 单单片机与信号片机与信号调理电路连调理电路连接框图接框图 C8051F206 C

15、8051F206是一种混合信号是一种混合信号ISPFLASHISPFLASH微控制器，该微控制器，该芯片内含与芯片内含与80518051完全兼容的高速微控制器内核、完全兼容的高速微控制器内核、8K 8K FlashFlash、4 4字节宽的字节宽的I/OI/O端口、硬件端口、硬件UARTUART和和SPISPI总线、总线、1212位高精度位高精度ADCADC和多达和多达3232通道模拟输入多路选择器。通道模拟输入多路选择器。根据系统需要，可将其端口，配置成根据系统需要，可将其端口，配置成1212路心电路心电模拟信号的输入端。模拟信号的输入端。将将1212路来自信号调理部分的信号接入路来自信号调

16、理部分的信号接入C8051F206C8051F206的的已经配置成模拟输入端口的已经配置成模拟输入端口的P1P1口的口的0 07 7和和P3P3口的口的0 03 3引脚。单片机中的逐次逼近式引脚。单片机中的逐次逼近式ADCADC的转换精度可达的转换精度可达1212位。位。A/DA/D转换后的数据被存入数据存储器，转换后的数据被存入数据存储器，C8051F206C8051F206的的SPISPI总线也可将数据传送给其它器件进总线也可将数据传送给其它器件进行数据的后续分析和处理。行数据的后续分析和处理。4.4.数据采集系统中软件部分的设计（略）数据采集系统中软件部分的设计（略）下 页上 页返 回1

17、0.2 10.2 简易单回路温度控制器设计简易单回路温度控制器设计10.2.1 10.2.1 功能需求和总体思路功能需求和总体思路 1.1.功能需求功能需求 设定温度显示、实时温度显示；设定温度显示、实时温度显示；温度上、下限报警；温度上、下限报警；温度上、下限报警值设定；温度上、下限报警值设定；放大电路放大倍数设定；放大电路放大倍数设定；PIDPID控制参数的设定；控制参数的设定；手动加热设定值；手动加热设定值；手动手动/自动设定；自动设定；温度零点标定；温度零点标定；参数保存；参数保存；上位机目标温度值设定；上位机目标温度值设定；上位机实时温度波形曲线图显示；上位机实时温度波形曲线图显示；

18、下 页上 页返 回下 页上 页返 回2.2.总体设计思路总体设计思路图图10.4 10.4 单回路温度控制器组成框图单回路温度控制器组成框图下 页上 页返 回 3.3.操作模式操作模式 本系统可用本系统可用3 3个按键实现模式切换和参数修改操个按键实现模式切换和参数修改操作，这作，这3 3个键分别定义为模式键、数值增加键和数个键分别定义为模式键、数值增加键和数值减少键。值减少键。用用8 8个数码管显示模式和对应的参数，左边个数码管显示模式和对应的参数，左边4 4个数个数码管显示模式值，右边码管显示模式值，右边4 4个数码管显示相应模式对个数码管显示相应模式对应的参数值。应的参数值。1010种工

19、作模式种工作模式模式模式0 0：温度设定值和温度实时值显示（前：温度设定值和温度实时值显示（前4 4位数码位数码管显示温度设定值，后管显示温度设定值，后4 4位显示实时温度值）；位显示实时温度值）；模式模式1 1：设置和显示温度上限报警值（：设置和显示温度上限报警值（0 012001200）；）；模式模式2 2：设置和显示温度下限报警值（：设置和显示温度下限报警值（0 012001200）；）；模式模式3 3：设置和显示温度设定值（：设置和显示温度设定值（0 012001200）；）；下 页上 页返 回模式模式4 4：设置实时温度采集放大电路的放大倍数；：设置实时温度采集放大电路的放大倍数；模

20、式模式5 5：设置和显示：设置和显示PIDPID中的比例系数（中的比例系数（）；）；模式模式6 6：设置和显示：设置和显示PIDPID中的积分系数（中的积分系数（）；）；模式模式7 7：设置和显示：设置和显示PIDPID中的微分系数（中的微分系数（）；）；模式模式8 8：设置和显示手动输出值（：设置和显示手动输出值（0 0100100）模式模式9 9：手动：手动/自动切换（自动切换（1 1：手动；：手动；0 0：自动）：自动）模式模式1010：标定和显示实时温度的零点：标定和显示实时温度的零点下 页上 页返 回10.2.2 10.2.2 温度测控电路设计温度测控电路设计 1.1.温度检测电路温

21、度检测电路图图10.5 10.5 热电偶温度检测电路热电偶温度检测电路下 页上 页返 回 本系统采用镍铬本系统采用镍铬-镍硅（镍硅（K K分度）热电偶作为温度分度）热电偶作为温度传感器。冷端处于室温，热端为加热炉温度，单片传感器。冷端处于室温，热端为加热炉温度，单片机的机的A/DA/D通道可以直接采集热电偶信号，经冷端温度通道可以直接采集热电偶信号，经冷端温度补偿后，再查表补偿后，再查表K K分度则可以得到热端温度值。分度则可以得到热端温度值。室温测量采用室温测量采用AD590AD590将室温变化为电压信号，经放将室温变化为电压信号，经放大后直接送给单片机的大后直接送给单片机的A/DA/D通道

22、，提供冷端信号。通道，提供冷端信号。2.2.温度控制电路温度控制电路 控制方式：对于加热炉的温度控制可以采用移相控制方式：对于加热炉的温度控制可以采用移相控制或周波控制方式。控制或周波控制方式。移相控制方式：通过改变可控硅的导通角来控制移相控制方式：通过改变可控硅的导通角来控制输出电压。输出电压。周波控制方式：通过调节一定时间周期内的供电周波控制方式：通过调节一定时间周期内的供电时间比例（即交流周波数）来控制加热对象在本周时间比例（即交流周波数）来控制加热对象在本周期内获得的电能。期内获得的电能。下 页上 页返 回周波控制的输出电路周波控制的输出电路 图图10.6 10.6 周波控制的输出电路

23、周波控制的输出电路 单片机的单片机的I/0I/0脚输出低电平时，控制脚输出低电平时，控制SSRSSR使加热元使加热元件接通件接通220V220V交流电源，加热元件获得电能，温度升交流电源，加热元件获得电能，温度升高；高；I/0I/0脚输出高电平时，脚输出高电平时，SSRSSR开路，加热元件两端开路，加热元件两端无电压，停止加热，对象的温度开始下降。无电压，停止加热，对象的温度开始下降。下 页上 页返 回 控制的具体方法控制的具体方法 设设定定一一个个标标准准的的加加温温周周期期T T，以以T T为为周周期期对对温温度度进行采样，获得温度测量值；进行采样，获得温度测量值；根据设定值和测量值的偏差

24、，进行根据设定值和测量值的偏差，进行PIDPID运算；运算；将将PIDPID的的输输出出转转换换为为SSRSSR的的通通断断时时间间。PIDPID的的输输出出为为0 0，则则SSRSSR接接通通时时间间为为0 0，即即本本周周期期无无输输出出；如如果果PIDPID输输出出为为100%100%，则则SSRSSR接接通通时时间间为为T T，即即本本周周期期为为全全输输出出；如如果果PIDPID的的输输出出为为MVMV（百百分分数数表表示示），则则SSRSSR的接通时间为的接通时间为TMV/100TMV/100，断开时间为，断开时间为T-TMV/100T-TMV/100。例例如如：T=120T=12

25、0秒秒，PIDPID计计算算结结果果为为1 1分分3030秒秒，则则本本次次2 2分分钟钟内内就就应应加加温温9090秒秒，停停3030秒秒；又又如如T=120T=120秒秒，PIDPID的的计计算算结结果果为为1 1分分2525秒秒，则则本本周周期期就就应应加加温温8585秒秒，停停3535秒。秒。下 页上 页返 回10.2.3 PID10.2.3 PID控制算法的实现控制算法的实现 位置式位置式PIDPID算法计算公式算法计算公式 Pout(t)=Kpe(t)+KiSum_e(t)+Kd(e(t)-e(t-1)Pout(t)=Kpe(t)+KiSum_e(t)+Kd(e(t)-e(t-1)

26、基基本本偏偏差差为为e(t)e(t)，表表示示当当前前测测量量值值与与设设定定目目标标值值之之间间的的差差值值，结结果果可可以以是是正正或或负负，设设定定目目标标作作为为被被减减数数的的话话，正正数数表表示示还还没没有有达达到到设设定定值值，负负数数表表示示已经超过了设定值。已经超过了设定值。累累计计偏偏差差Sum_e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+Sum_e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+e(1)+e(1)是是每次偏差值的代数和。每次偏差值的代数和。相相对对偏偏差差e(t)-e(t-1)e(t)-e(t-1)是是用用本本次次的的基基本本偏偏差差减减去去上上一一次次

27、的的基基本本偏偏差差，以以考考察察当当前前被被控控量量的的变变化化趋趋势势，有有利于快速反应。利于快速反应。下 页上 页返 回10.2.4 10.2.4 控制器和控制器和PCPC之间的数据通信之间的数据通信 表表10.1 10.1 单回路控制器单回路控制器RS-232RS-232简易数据通信命令格式简易数据通信命令格式命令字节数字节字节1 1字节字节2 2字节字节3 3字节字节4 4传送方向传送方向启动通信2 20 xaa0 xaa0 x010 x01PC 控制器停止通信2 20 xaa0 xaa0 x020 x02PC 控制器改设定值4 40 xaa0 xaa0 x030 x03dataLd

28、ataLdataHdataHPC 控制器返回数据3 30 xaa0 xaadataLdataLdataHdataHPC 控制器10.2.5 10.2.5 温度控制器软件流程及参考程序温度控制器软件流程及参考程序 控制器的软件由主控制模块、显示按键处理模块控制器的软件由主控制模块、显示按键处理模块和头文件三大模块组成。和头文件三大模块组成。主控制模块主要包括主控制模块主要包括PIDPID计算、控制以及温度采集计算、控制以及温度采集等部分。等部分。显示按键处理模块主要包括按键扫描、按键处理、显示按键处理模块主要包括按键扫描、按键处理、显示刷新等部分。显示刷新等部分。下 页上 页返 回头文件模块主要头文件模块主要用于全局变量声用于全局变量声明，在其他模块明，在其他模块可以直接调用此可以直接调用此模块内声明的变模块内声明的变量。量。图图10.7 10.7 主控制主控制 模块流程模块流程 下 页上 页返 回图图10.8 10.8 温度采集程温度采集程序流程图序流程图 下 页上 页返 回图图10.9 PID10.9 PID算法流程图算法流程图下 页上 页返 回图图10.10 10.10 串口中断串口中断 服务程序流程图服务程序流程图下 页上 页返 回图图10.11 10.11 发送数据子发送数据子 程序流程图程序流程图下 页上 页返 回下 页上 页返 回END