|
隨著社會的發展，人民生活水平不斷提高，人們對生活質量的追求也在提高。衣食住行，服裝得先行，市場上不斷推出各種流行面料和流行時尚，幾乎每一天都有新面料的問世。這樣，就對這些面料的測試提出了更高的要求，而對面料織物的各種技術性能測試中，縮水率的測定又是很重要的一項，它是面料測試中十分關鍵的技術指標。因此，研制出性能優良，價格適宜，質量可靠、智能化高的新一代縮水率機便成了當務之急。 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，如電機等還經常損壞。這次，經過市場調查和分析，我們發現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。程序按照有關國際和國內標準運行，經過實踐證明，我們的方案是成功的！ 本文主要介紹傳感器的數據采集過程，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、 傳感器的數據采集，單用一片AT89C52作為溫度數據和壓力數據的采集。 數據采集完成以后通過RS485信號傳給主CPU板。 3、 外設的驅動部分通過固態繼電器完成。固態繼電器無機械觸點、帶光電隔離、驅動簡單、無火花，更重要的是有過零觸發，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繼電器（其中，電機調速部分采用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，發現其控制電路是一塊由從MOTOROLA公司產的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，既節約了成本，又提高了可靠性 4、 主CPU板為整個系統的核心，它完成傳感器數據的采集并進行處理，然后送顯示，并且按程序要求驅動外設動作。其中，主CPU和鍵盤顯示電路接口時禁止主CPU數據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、水位等數據處理整合，打包后發給主CPU，減輕了主CPU的負擔。由于整個系統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．傳感器的數據采集電路（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，而不能連續測量，而且老是發生水位失控產生溢出的現象，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； 低靜態電流：700μA； 8腳塑料DIP和SO－8封裝。 由于特性優良，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、醫用儀器及多通道系統等很多領域，可以在低至±2.25V的電源電壓下工作并且靜態工作電流很小，是便攜式和其它用電池供電系統的理想器件。 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為：G=1＋50kΩ/RG。 式中50kΩ為INA128內部的兩個放大器反饋電阻之和，它們都經過激光校正，具有很高的精度和很小的溫度系數，手冊給定的器件性能已經包括了它們的影響。外接電阻的精度及溫度穩定性直接影響增益，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。 失調補償 INA128經過激光校正，因此，失調和溫漂都很小，多數情況下無需調整，必要時可對電路進行外部補償。加電壓跟隨器將調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，電源不穩會對輸出產生影響。 輸入端電荷泄放通路 INA128的輸入阻抗很高，容易產生電荷積累，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，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，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，過壓保護電路呈現低串聯阻抗；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。INA128在不加電源的情況下，對輸入端可能產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轉換為數字量。 AD轉換器選用用美國TI公司的高速8位模數轉換器TLC0820AC。 TLC0820AC是先進LinCMOS 8位模數轉換器。均由兩個4位快閃轉換器、一個4位數模轉換器、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以1.18μs完成8位轉換。片內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模擬信號而無需外部采樣器件。與TTL兼容的3態輸出驅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 片內采樣與保持 單5伏電源 用TLC0820AC轉換為數字信號后，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、水位等數據處理整合，打包后發給主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差分數據線收發器商業標準兼容，片內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境中的合用數據總線應用的許多特點。差分驅動器設計成限斜率的，這種設計，通信數據率仍可達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。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 將收發器和瞬變電壓抑制器集成在一起，節省電路板空間，特別適合于野外或工業現場的通信。 SN75LBC184提供8腳塑料DIP（N）封裝和SOIC（D）封裝。 SN75LBC184：0℃～70℃ 五．總結 通過以上對硬件的介紹，再配合適當的軟件本系統就可穩定可靠的完成各傳感器的數據采集并實時發送給主CPU以實現對整各系統的控制。 |
