第十一章工業(yè)自動化儀表與現(xiàn)代檢測系統(tǒng)設(shè)計11.1工業(yè)自動化儀表11.1.1工業(yè)自動化儀表簡介

工業(yè)自動化儀表是檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)與控制儀表、執(zhí)行器及其輔助器件和設(shè)備的總稱，是與工業(yè)生產(chǎn)緊密關(guān)聯(lián)的應(yīng)用性設(shè)備或裝置。

工業(yè)自動化儀表是實現(xiàn)自動控制的基礎(chǔ)條件和功能設(shè)備，是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的硬件單元，它是反映自動化水平的標(biāo)尺，也反映出工業(yè)自動化儀表的動向。

儀表是用于測量各種自然量（如壓力、溫度、速度、電量等）、并作一定信號處理，按指定方式輸出（如顯示）的設(shè)備（儀表）。工業(yè)自動化儀表是檢測儀表、顯示儀表、控制儀表、執(zhí)行儀表和智能儀表、虛擬儀表及其輔助器件等各類儀表總稱。11.1.2儀表的發(fā)展及其趨勢1.自動化儀表的現(xiàn)狀

儀表的發(fā)展簡單歸納為：儀表行為（工業(yè)革命)）→單體（人工）儀表（戰(zhàn)爭）→化工儀表（戰(zhàn)后）→熱工儀表（控制)）→自動化儀表（集成電路）→數(shù)字儀表（計算機、單片機）→智能儀表（軟件）→虛擬儀表（網(wǎng)絡(luò)）→網(wǎng)絡(luò)儀表。

從現(xiàn)在國內(nèi)儀表應(yīng)用情況分析，在今后的幾年內(nèi)，儀表市場仍然呈現(xiàn)種類多樣、國內(nèi)外儀表并存的狀況，主要表現(xiàn)為：（1）常規(guī)的簡單型儀表；（2）常規(guī)的調(diào)節(jié)型儀表；（3）先進的智能型儀表；（4）創(chuàng)新的虛擬型儀表。

2.自動化儀表的發(fā)展趨勢（1）微型化：利用新技術(shù)研制出新的微型傳感器、微型執(zhí)行器，配以專業(yè)集成電路、液晶顯示和高能量電池形成微型化儀表，如現(xiàn)場檢測、惡劣環(huán)境的隨時監(jiān)測、便攜式儀表等。（2）組合化：組合儀表包括了較多的儀表單元，如檢測單元、顯示單元、調(diào)節(jié)單元、手動操作單元、電源單元等。（3）智能化：將計算機技術(shù)和集成電路應(yīng)用于儀表中，這種采用數(shù)字信號的儀表功能強勁、覆蓋面寬，往往一臺數(shù)字式儀表可以完成工業(yè)自動化儀表定義中的大部分工作。它可以完成檢測、顯示、控制，可以完成打印、記錄，更可以完成對信號的轉(zhuǎn)換、存儲、發(fā)送和接收。特別是對信號可以判斷、分析、運算，具備了“智能”的特點。人們將這種數(shù)字式儀表稱為智能儀表。

（4）軟件化：軟件化儀表也可稱為可編程儀表。軟件就是儀表。（5）集成化：工業(yè)自動化儀表內(nèi)部功能電路的集成化，形成集傳感器、檢測、處理甚至顯示等為一體的專用集成電路。（6）就近化（7）通信化：各種信號傳遞模式逐漸取代電流信號的傳遞模式，在一定的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，通過有線通信和無線通信共同組合成局域的基于通信模式下的工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)。（8）節(jié)能化：光伏電池、高性能電池以及其他再生能源，將逐漸取代現(xiàn)場儀表的傳統(tǒng)電模式。低功耗技術(shù)也使得現(xiàn)場儀表能夠在電池供電模式下連續(xù)運行較長時日。

11.1.3工業(yè)自動化儀表的分類（1）按儀表安裝可分為基地式（單一功能）、組合式、就地式（多功能、智能）、可編程式等。（2）按儀表進程可分為單元基地式儀表、組合式儀表、數(shù)字式儀表、智能式儀表、虛擬式儀表、網(wǎng)絡(luò)式儀表、特殊功能式儀表等。（3）按儀表使用可分為工業(yè)儀表、實驗室儀表、分析儀表、特殊性專用儀表等。（4）按儀表內(nèi)容可分為熱工儀表、分析儀、機械儀、調(diào)節(jié)儀、執(zhí)行器、顯示儀等。

（5）按儀表功能可分為檢測型儀表、指示型儀表、變送型儀表、記錄型儀表、數(shù)字顯示型儀表、屏幕顯示型儀表、調(diào)節(jié)型儀表、執(zhí)行型儀表等。（6）按儀表能量可分為電動儀表、氣動儀表、液動儀表、光電儀表、手持儀表等。（7）按儀表規(guī)模可分為單元儀表（電路）、單體儀表、組合儀表、組裝儀表、綜合儀表、尖端儀表等。

11.1.4信號制DDZⅢ型儀表現(xiàn)場傳輸信號用4～20mA，控制室內(nèi)各儀表間的聯(lián)絡(luò)信號用1～5VDC；DDZ-Ⅱ型儀表現(xiàn)場傳輸信號采用0～10mA，控制室內(nèi)各儀表間的聯(lián)絡(luò)信號用0～5VDC；QDZ系列儀表，采用20～100kPa氣源信號。

采用電流信號的優(yōu)點主要有：（1）不受傳輸線及負(fù)載電阻變化的影響，不容易受干擾。由于電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，適于信號的遠(yuǎn)距離傳送。（2）由于電動單元組合儀表很多是采用力平衡原理構(gòu)成的，使用電流信號可直接與磁場作用產(chǎn)生正比于信號的機械力；

（3）對于要求電壓輸入的受信儀表和元件，只要在電流回路中串聯(lián)電阻便可得到電壓信號，使用比較靈活。（4）若信號為直流信號，傳輸過程中易和交流感應(yīng)干擾相區(qū)別，不存在相移問題，不受傳輸線中電感、電容和負(fù)載性質(zhì)的限制。DDZⅡ型儀表需要2根電源線（或帶保護地線，兩相三線制），加上2根電流輸出線，總共要接4～5根線，這稱之為四線制變送器。

采用兩線制輸出接線具有如下優(yōu)點：（1）不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細(xì)的雙絞線導(dǎo)線；（2）在電流源輸出電阻足夠大時，經(jīng)磁場耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會產(chǎn)生顯著影響，這是因為干擾源引起的電流極小，一般情況利用雙絞線就能降低干擾；（3）電容性干擾會導(dǎo)致接收器電阻有誤差，對于4～20mA兩線制環(huán)路，接收器電阻通常為250Ω（取樣U0=1～5V），這個電阻小到不足以產(chǎn)生顯著誤差，因此，可以允許電線長度比電壓遙測系統(tǒng)更長更遠(yuǎn)；（4）各個讀數(shù)裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道進行接換，不因電線長度的不等造成精度的差異；（5）在兩線輸出口容易增設(shè)防浪涌，防雷器件，有利于安全防雷爆。11.1.5檢測儀表

檢測儀表可以是傳感器或變送器，也可以是兼有檢測元件和顯示裝置的儀表。當(dāng)傳感器的輸出為單元組合儀表中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號（4~20mADC/1~5VDC，0~10mADC/0~5VDC、20~100kPa）時，通常稱為變送器。

檢測儀表（也稱測量儀表）包括信號獲取、信號處理和信號顯示及輸出。

11.1.6變送器1.基本概念

變送器是傳感器的一種標(biāo)準(zhǔn)化模式，以輸出與輸入成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電信號為技術(shù)點，在常規(guī)的自動控制系統(tǒng)中與顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表能夠很好地連接。它是傳感器中的一個重要分支。變送器的傳統(tǒng)輸出直流電信號有0~5V、0~10V、1~5V、0~20mA、4~20mA等，目前工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mADC電流來傳輸模擬量。

將被測物理量轉(zhuǎn)換成可傳輸直流電信號的設(shè)備稱為變送器。工業(yè)上通常分為電量變送器和非電量變送器。2.溫度變送器

溫度變送器一般分為熱電阻和熱電偶型兩種類型。

熱電組溫度變送器由基準(zhǔn)單元、R/V轉(zhuǎn)換單元、線性電路、反接保護、限流保護、V/I轉(zhuǎn)換單元等組成。測溫?zé)犭娮栊盘栟D(zhuǎn)換放大后，再由線性電路與電阻的非線性關(guān)系進行補償，經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路后輸出一個與被測溫度成線性關(guān)系的4～20mA的恒流信號。

熱電偶溫度變送器一般由基準(zhǔn)源、冷端補償、放大單元、線性化處理、Ｖ/Ｉ轉(zhuǎn)換、斷偶處理、反接保護、限流保護等電路單元組成。它是將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢經(jīng)冷端補償放大后，再由線性電路消除熱電勢與溫度的非線性誤差，最后放大轉(zhuǎn)換為4～20mA電流輸出信號。

2.壓力變送器

壓力變送器，主要由測壓傳感器、模塊電路、顯示表、表殼和過程連接件等組成。它能將接收的氣體、液體等壓力信號轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電流電壓信號，以供給指示報警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進行測量、指示和過程調(diào)節(jié)。

壓力變送器根據(jù)測壓范圍可分成一般壓力變送器（0.001～20MPa）和微差壓變送器（0～30kPa）兩種。

3.液位變送器

液位變送器主要有浮球式液位變送器、浮筒式液位變送器和靜壓式液位變送器。4.超聲波變送器

超聲波變送器分為普通超聲波變送器（無表頭）和一體化超聲波變送器兩類，一體化超聲波變送器較為常用。一體化超聲波變送器由表頭（如ICD顯示器）和探頭兩部分組成，并且組裝在一起，體積更小、重量更輕、價格更便宜。超聲波變送器可用于液位、物位的測量和開渠、明渠等流量測量，并可用于測量距離。

5.智能變送器

智能式變送器是由傳感器和微處理器相結(jié)合而成的。

這種變送器具有以下特點：（1）性能穩(wěn)定、可靠性好，測量精度高，基本誤差僅為±0.1%，量程范圍可達(dá)100:1，時間常數(shù)可在0～36s內(nèi)調(diào)整，有較寬的零點遷移范圍。（2）可通過軟件對傳感器的非線性、溫漂、時漂等進行自動補償，通電后可對傳感器進行自檢和自診斷，數(shù)據(jù)處理方便準(zhǔn)確。（3）具有雙向通信功能，微處理器不但可以接收和處理傳感器數(shù)據(jù)，還可將信息反饋至傳感器，從而對測量過程進行調(diào)節(jié)和控制。（4）具有數(shù)字量、模擬量兩種輸出功能，可將輸出的數(shù)字信號方便地和計算機或現(xiàn)場總線等連接。（5）可以進行遠(yuǎn)程通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控。

11.2現(xiàn)代檢測系統(tǒng)11.2.1現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的組成

現(xiàn)代檢測系統(tǒng)通常會以一個或多個單片機、數(shù)字信號處理器、工業(yè)控制計算機等廣義計算機作為數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)控制和管理的核心，因此現(xiàn)代檢測系統(tǒng)通常也稱之為計算機檢測系統(tǒng)。

11.2.2信號調(diào)理技術(shù)1.濾波器（1）濾波器類型

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在檢測系統(tǒng)中添加濾波器的目的是讓有用信號通過，而阻止其它無用的干擾信號。根據(jù)濾波器的選頻作用，一般將濾波器分四類，即低通、高通、帶通和帶阻濾波器。

（2）實際濾波器

用來描述實際濾波器性能的主要參數(shù)有，波紋幅度d

、截止頻率fc1和fc2、帶寬B、品質(zhì)因數(shù)Q值、倍頻程選擇性以及濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）λ

等。

在測試系統(tǒng)中，常用的實際濾波器為RC濾波器。這種濾波器電路簡單、抗干擾性強、有較好的低頻特性。根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)，可分為無源濾波器和有源濾波器兩類。RC低通濾波器起著積分器的作用，而高通濾波器則起著微分器的作用。

有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運算放大器（有源器件）組成。運算放大器既可起級間隔離作用，又可起信號幅值的放大作用。RC網(wǎng)絡(luò)則通常作為運算放大器的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。運算放大器的負(fù)反饋電路若是高通濾波網(wǎng)絡(luò)，則得到有源低通濾波器；若用帶阻網(wǎng)絡(luò)做負(fù)反饋，則得到帶通濾波器。

（3）恒帶寬濾波器

利用RC元件組合而成的帶通、帶阻濾波器都是恒帶寬比的。對這樣一組增益相同的濾波器，若基本電路選定以后，每一個濾波器都具有大致相同的Q值及帶寬比。顯然，其濾波性能在低頻區(qū)較好，而在高頻區(qū)則由于帶寬增加而使分辨力下降。欲使濾波器在所有頻段都具有同樣良好的頻率分辨力，可采用恒帶寬的濾波器。

（4）數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波是通過一定的程序?qū)Σ蓸有盘栠M行平滑加工，提高有用信號的比重，減少乃至消除各種干擾和噪音，又稱之為程序濾波、軟件濾波等。

常用的數(shù)字濾波算法有程序判斷濾波（如限幅濾波、限速濾波）、中值濾波、算術(shù)平均濾波、低通濾波、滑動平均濾波等。

2.放大電路（1）標(biāo)準(zhǔn)信號輸入前置放大電路

標(biāo)準(zhǔn)信號常為0～10mA、4～20mA、0～5V、1～5V等，對放大器的放大倍數(shù)要求不高，而主要考慮阻抗匹配和高頻噪聲問題。

（2）毫伏信號放大電路

工業(yè)中常使用的熱電偶、熱電阻等，其輸出均在毫伏級電信號，此類信號必須經(jīng)過放大后才能與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍適應(yīng)。毫伏信號放大電路對輸入阻抗、放大倍數(shù)、零點漂移等均有一定的要求，通常選用低零點漂移的放大器，如ADOP07、5G7650等。

（3）隔離放大器

隔離放大器用于高共模電壓下的小信號放大，將被測對象和后端采集系統(tǒng)隔離，提高共模抑制比，同時也起到保護人身和設(shè)備安全的作用。根據(jù)隔離方法的不同，隔離放大器分為變壓器耦合、電容耦合、光電耦合等。3.采樣保持電路

采樣保持器一般有模擬開關(guān)、儲能元件和放大器組成。當(dāng)控制信號為高電平時，開關(guān)S閉合，儲能元件電容CH迅速充電達(dá)到輸入電壓的Ux的幅值，同時充電電壓Uc對Ux進行跟蹤。當(dāng)控制信號為低電平時，開關(guān)S斷開，電容CH上的電壓Uc保持不變，通過A2輸出到A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中電壓維持不變，從而確保模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。

以LF398為例，保持電容CH的選擇取決于維持時間的長短，當(dāng)CH=0.01μF時，其上的電壓達(dá)到0.01%精度時需25μs，CH上的電壓下降率為3mV/s，若A/D轉(zhuǎn)換需要10μs，CH上的電壓僅下降0.03μV?？刂贫擞糜诳刂乒ぷ饔诓蓸舆€是保持狀態(tài)，OFFSET用于電位調(diào)零。

11.2.3信號采集與轉(zhuǎn)換1.模擬信號的數(shù)字化A/D轉(zhuǎn)換器按分辨率分為8位、10位、14位、16位等。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，A/D轉(zhuǎn)換器分為逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法、Delta-Sigma（∑-△）調(diào)制型等。

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是較為常見的一種A/D轉(zhuǎn)換電路，其本質(zhì)是利用D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)A/D，轉(zhuǎn)換時間通常為微秒級。采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器由一個比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成。

雙積分A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成?；驹硎菍⑤斎腚妷鹤儞Q成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

采用電壓頻率轉(zhuǎn)換法的A/D轉(zhuǎn)換器，由計數(shù)器、控制電路及時鐘電路等組成。它的工作原理是V/F轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號。

2.A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計（1）A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計要點A/D轉(zhuǎn)換器的引腳分類：一是數(shù)據(jù)線，負(fù)責(zé)向單片機等處理器中傳輸A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，根據(jù)數(shù)據(jù)是串行還是并行的傳輸方式，對應(yīng)的A/D器件稱之為串行A/D轉(zhuǎn)換器和并行A/D轉(zhuǎn)換器；二是控制線；三是A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入引腳；四是供電電源、參考電壓等電源信號，其中參考電壓作為A/D轉(zhuǎn)換中的基準(zhǔn)電壓，必須確保其穩(wěn)定。

所謂功能對應(yīng)，是指根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器引腳的不同功能將數(shù)據(jù)和控制引腳連接至單片機等處理芯片對應(yīng)的I/O口，將供電電源、參考電源等與A/D轉(zhuǎn)換器的電源、參考電壓等引腳相連。

所謂數(shù)據(jù)位寬一致，是指A/D的數(shù)據(jù)輸出線位數(shù)與處理器相連時兩者要能一一對應(yīng)。

所謂電信號匹配，對數(shù)據(jù)、控制等數(shù)字信號而言，主要指電平匹配，如AT89S51單片機等5V系統(tǒng)，當(dāng)要與采用3.3V甚至更低的A/D轉(zhuǎn)換器相連時，為穩(wěn)妥起見就應(yīng)考慮在兩者之間加上電平轉(zhuǎn)換芯片。

所謂速度匹配，主要指兩方面，一是A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度與信號本身的變化速度要符合采樣定理的基本要求；二是后續(xù)的處理器要能及時把A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)讀走。

（2）A/D轉(zhuǎn)換器典型接口電路設(shè)計①串行A/D轉(zhuǎn)換器的接口電路設(shè)計

串行A/D轉(zhuǎn)換器是指其與處理器的數(shù)據(jù)傳輸采用串行通信方式，一般采用如I2C、SPI、1-Wire等串行通信協(xié)議，相比并行通信方式具有需要的數(shù)據(jù)傳輸引腳數(shù)量少、可節(jié)省處理器I/O口、A/D轉(zhuǎn)換器體積可以設(shè)計得更小等優(yōu)點。

TLC0831是美國德州儀器公司生產(chǎn)的八位逐次逼近式串行AD轉(zhuǎn)換器，它有一個差分輸入通道（也可輸入單端輸入信號），采用Microwire串行協(xié)議。

②并行A/D轉(zhuǎn)換器的接口電路設(shè)計ADC0809是較為典型的8通道8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)有模擬量通道選擇開關(guān)及相應(yīng)的通道鎖存、譯碼電路，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由三態(tài)鎖存器輸出，其片內(nèi)無時鐘電路，需外接時鐘輸入信號。

11.3現(xiàn)代檢測檢測系統(tǒng)設(shè)計及實例11.3.1現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的設(shè)計1.設(shè)計步驟（1）總體方案的確定（2）硬件設(shè)計：硬件設(shè)計是在系統(tǒng)方案確定的基礎(chǔ)上，對具體硬件的選型和電路設(shè)計。（3）軟件設(shè)計：現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中，軟件是系統(tǒng)的靈魂和指揮棒，因此軟件設(shè)計是否高效和穩(wěn)定直接決定了系統(tǒng)的設(shè)計水平。檢測系統(tǒng)中軟件的設(shè)計應(yīng)注意軟件的實時性、針對性、靈活性和通用性以及可靠性。（4）調(diào)試2.設(shè)計原則（1）可靠性高（2）人機界面友好。檢測系統(tǒng)中通常需要進行人和機器的交互，人和機器交互的手段和方式稱之為人機界面，人機界面應(yīng)注意操作方便、結(jié)實可靠、便于維護，兼顧用戶的原有操作習(xí)慣。（3）通用性好。選用的各硬件應(yīng)盡量選擇市場上主流的、保有量大產(chǎn)品，既可以降低成本，也可以確保后續(xù)的供應(yīng)，以方便設(shè)備的維護，延長使用壽命。（4）性價比高。

11.3.2基于1-Wire總線的多點溫濕度測量系統(tǒng)應(yīng)用實例1.設(shè)計要求

溫度、濕度測量在倉庫儲藏、蔬菜大棚種植等領(lǐng)域都有較多需求，其需求呈現(xiàn)如下特點：數(shù)據(jù)采集點較多，分散于一定的空間范圍，要求布線方便。

考慮該系統(tǒng)主要面向倉庫、蔬菜大棚等應(yīng)用，要求成本低、布線簡單，因此以AT89S52單片機為核心，利用1-Wire總線器件DS2438和集成式濕度傳感器HiH3610組成溫濕度采集單元，不但能同時檢測溫度、濕度，而且由于1-Wire的遠(yuǎn)距離傳輸特性和總線接口方式，可以方便實現(xiàn)多點溫濕度數(shù)據(jù)的采集。2.主要技術(shù)指標(biāo)測量點數(shù)：1-50點。測量距離：<500米溫度測量范圍：－40℃～80℃，精度：±0.5℃

。濕度測量范圍：0～100％RH，精度：±2%RH。3.總體設(shè)計和工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上位PC機、下位機、各溫濕度采集單元、鍵盤和液晶顯示模塊等組成，當(dāng)只需要溫濕度測量、顯示時可不需要上位PC機的參與。下位機中AT89S52為控制核心，通過軟件模擬1-Wire總線的工作時序與具有1-Wire接口的DS2438交換數(shù)據(jù)和發(fā)送命令，由DS2438和HiH3610構(gòu)成的多個溫度、濕度采集單元則由DS2438內(nèi)固有的器件地址來區(qū)分，采用字符液晶模塊輪流顯示各采集單元的溫度、濕度數(shù)據(jù)，通過鍵盤配合液晶顯示提示進行參數(shù)設(shè)置。

通過單片機串行通行接口與RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片相連，使得單片