基于隔离和网络技术的新型高精温湿度测量仪表

发布时间:2008/6/2 0:00:00 访问次数:404

　　本文描述的是一种支持实验室温度湿度进行测量、显示并远传的智能化仪表。本仪表不同于市场上众多同类产品，他可以很好地满足现场高精度、高分辨率及网络传输的要求。

l 温湿度显示仪的硬件设计

　　本仪表的硬件电路部分主要是有温、湿度通道独立电源电路，温、湿度采样电路，信号调节电路，模数转换电路，光电隔离电路，处理器采用at89s52单片机，同时还有led显示电路，通讯电路，键盘电路等构成，其结构图如图1所示。以下将对各部分的电路做相应的介绍。

1.1 温度湿度变送器

　　非电量的温度湿度信号通过变送器形成4～20 ma电量信号。本方案中采用了奥地利e+e公司的ee10-ft6的高性能温湿度综合变送器。

ee10一ft6产品特点：

(1)24 v dc供电；

(2)温度量程：o～50℃；湿度量程：0～100％；

(3)温度精度：±0.1℃；湿度精度：1.0％；

(4)输入阻抗：≤500 ω；

(5)接线方式：三线(电源正端、温度输出线、湿度输出线)。

1.2 隔离测量技术

　　常规温度湿度测量，往往将温度、湿度信号共地，利用一套测量电路即可。在本方案中，变送器的输出要先行接入温湿度显示仪(前端)，再串接于ddc(直接数字控制器)后端构成变送器回路，变送器电源由ddc来提供，因此由变送器输出的两路共地信号在前端需要进行隔离测量，以消除对后端测量的影响。即两端串联并同时测量一对共地信号。对于模拟量隔离测量，笔者曾经考虑3套方案：

　　方案一"虚"隔离，即采用差分测量技术，将差分一端经过一适当电阻接地，这种方案成本最低，但是对于运放的要求十分苛刻，而且稳定性不高。

　　方案二采用线性光耦隔离，但线性光耦难以调试，离散性大，需要周边元器件多(运算放大器)，而且光耦前端仍需隔离电源，后端仍需模数转换器。

　　方案三采用两组独立测量电路，然后通过普通光耦与处理器接口，需要两套隔离电源，两组测量部分，成本稍高，但此种方案最可靠，调试方便，因而最终被采用。

l.3 4～20 ma电流测量

　　采样电阻采用125 ω／0.1％精密电阻，这样，只需测量o.5～2.5 v电压信号即可。

1.4放大器及模数转换器应用
　　本温湿度显示仪模拟信号变换采用ti公司的轨对轨运放tlc2252，该放大器最大的特点一是输出可达电源满幅，二是失调电压较小，0.5 mv，价格较低，适合本仪表应用。

　　模数转换器(adc)采用ti公司的ads1286u，此芯片主要性能有：

(1)分辨率：12位；

(2)最高采样频率：20 khz；

(3)inl：±2lsb／max；

(4)dnl：±1lsb／max；

(5)接口方式：两线制

(6)参考电压：外接。

1.5分辨率及精度

　　本仪表需要满足的要求：分辨率方面，温度显示到o.01℃，湿度显示到0.1％；精度方面，要达到与自控系统的ddc测量值之间的绝对误差不得大于±0．03℃。这样的苛刻要求使得本仪表在软硬件方面都必须做的非常到位。

1.6数字滤波技术

　　为满足以上分辨率及精度的要求，除了在硬件上选择性价比高的元器件以及较高的pcb板技术外，在软件上做了较多的工作。因为温度湿度物理量是惯性环节，时间常数较大，量值不会产生突变，故滤波时间可以很长。本仪表中采用多次测量排序取中值然后再进行一阶惯性滤波的方法，数学表达式如下：

　　其中xn-1为上次实际温湿度值；xn-2本次经过排序取来的中值；xn为当前的温湿度值；a为滤波时间常数，作为系数。

　　这样做的目的是防止某些测量突变，以及满足惯性物理量的测量，使得测量值不会频繁跳跃，可以满足需求。

1.7 网络通信技术

　　本仪表采用rs 485通信，通信规约为modbus-rtu，然后通过modbus-profibus网关与西门子ddc通信，波特率为38.4 kb／s。总线采用轮询方式，后台
机对各个房间温湿度进行采集，作为房间温度湿度集中监控的依据。

1.8精度校准及参数
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