手操器的設計

手操器的設計

1手操器的工作原理手動操作器是自動儀表的輔助單元。它的主要用途是與不帶手動操作裝置的調節(jié)器配合使用,實現(xiàn)從自動到手動或手動到自動的無擾動切換。也可在調節(jié)器出故障時或系統(tǒng)投運時,利用它對調節(jié)器的負載進行手動遙控。它的工作原理,就是當調節(jié)器由自動切換到手動以后,自動電流就不通過負載。改變手操器的輸出電流,負載電流相應改變,同時向調節(jié)器提供手動電流,用以調節(jié)器跟蹤手操器,做到無擾切換。手操器以89S51為核心,有兩路模擬信號輸入通路、兩路模擬信號輸出通路和兩路交流開關信號輸出。由A/D轉換、D/A轉換、顯示、開關量輸出和看門狗電路等組成。A/D轉換器接受來自調節(jié)器的電流信號(4～20mA),D/A轉換器輸出(4～20mA)電流信號驅動電動執(zhí)行單元。2a/d轉換方案輸入手操器的4～20mA模擬信號先經過I/V轉換,變成1～5V的電壓信號,再進入A/D轉換器ICL7135。ICL7135具有4位半的精度(相當于14位二進制數(shù)),屬于雙積分型。在本方案中,ICL7135的時鐘輸入是利用單片機的系統(tǒng)時鐘經4分頻得到的,即2MHz。一次A/D轉換可以分成4個過程。A/D轉換電路圖略。2.1充電電壓偏移量的測定基準電壓電容C31充電至基準電壓,零點校正電容C34充電電壓用來補償由緩沖器、積分器和比較器產生的電壓偏移。這個偏移量是由系統(tǒng)噪音產生的,經此校正被限制在10μV之內。這個過程需要10001個時鐘周期。2.2計算過程積分電容C33通過積分電阻R153充電,積分過程需10000個時鐘周期。2.3反之亦然處積分電容C33放電,放電時間長短(已轉換成計數(shù)值)與輸入電壓成正比。其最大計數(shù)值為20001個。2.4積分器輸出電壓擺動幅和積分電容c大概100～200個時鐘周期。積分電阻R153與量程有關,應選擇精密電阻,其值由下式決定:R153=滿量程電壓值/IINT式中:IINT-積分電容充電電流,一般為20μA。在本方案中,滿量程電壓設計為2V,因此R153選做100kΩ。積分電容的計算公式為:C33=10000×1fCLΚ×ΙΙΝΤ積分器輸出電壓的擺動幅值C33=10000×1fCLK×IINT積分器輸出電壓的擺動幅值由于ICL7135采用CMOS工藝,所以積分器輸出電壓的擺動幅值選4V,此時應取的電容值為:C33=10000×12×106×20×10-64=0.025μFC33=10000×12×106×20×10?64=0.025μF在實際應用中考慮到可靠性,應使積分器的輸出電壓擺幅稍小一些,所以本次設計中C33取0.027μF,實際積分器輸出電壓的擺動幅值略小于4V。此外,積分電容一個很重要的特性是當它只有很小的介質吸收系數(shù)時,才可阻止過沖翻轉。通常選聚丙烯電容器或聚碳酸酯電容器作積分電容。自動調零電容C34的大小對系統(tǒng)的噪聲有些影響,選用較大容量的電容可以減小噪聲,典型值為1μF?；鶞孰娙軨31應大到足以使結點對地的寄生電容可以被忽略為止,典型值為1μF。由于手操器采用動態(tài)掃描顯示,顯示內容有自動調節(jié)指示和手操輸出指示,顯示元件有數(shù)碼管、光柱和LED等,所以未使用ICL7135的并行數(shù)據(jù)輸出線B1、B2、B4、B8,而是獨具匠心,采取了一種鮮為人知的措施——串行。只用ICL7135的積分器。ICL7135的轉換狀態(tài)標志輸出端BUSY接單片機的外部中斷INT1,ICL7135的時鐘信號與單片機的外部計數(shù)器T1同步。在A/D轉換期間(積分和反向積分)BUSY為高電平,計數(shù)器T1計數(shù)。在積分器反向積分過零時,BUSY翻轉,向CPU申請中斷。計數(shù)器T1從計數(shù)開始到計數(shù)結束受BUSY控制。計數(shù)值中除了含有轉換值外,還含有固定的積分時鐘10001,因此,必須從計數(shù)值中減去10001。積分器輸出時序見圖1,零點自校時間需10001個時鐘周期,采樣周期是固定的10000個時鐘,而反向積分時間的長短與輸入量的大小成正比,計算公式:Τ=10000×VΙDVrefT=10000×VIDVref式中:VID-輸入差動電壓;Vref-電壓基準。其最大值是20000個時鐘。A/D轉換的結果需從計數(shù)值中減去10000。與采用B1、B2、B4和B8并行接口向單片機傳送數(shù)據(jù)相比,串行方式具有結構簡單、造價低等優(yōu)點。ICL7135的驅動程序框圖見圖2。3tlc5615的程序轉換電路圖見圖3。IC6是數(shù)模轉換專用集成電路TLC5616。TLC5616是10位電壓輸出數(shù)模轉換器,外部基準電壓輸入、輸出電壓范圍等于基準電壓的兩倍。采用三線傳輸方式(SPI)易于與單片機接口。數(shù)字量串行進入TLC5615的移位寄存器中,高位在前,在SCLK的上升沿,TLC5615把移位寄存器中的內容送入內部輸入寄存器存放。在ˉCSCSˉˉˉˉ的上升沿,結束A/D轉換,TLC5615把數(shù)字量最終送入DAC寄存器,并把數(shù)字量轉換成模擬量。TLC5615串行輸入數(shù)據(jù)位數(shù)有12位或16位兩種,區(qū)分的方法是:當ˉCSCSˉˉˉˉ的上升沿來臨時,此次A/D轉換結束。在本文提供的驅動程序中,采用12位有效數(shù)據(jù)。TLC5615的引腳分布說明:DIN-串行數(shù)據(jù)輸入;SCLK-串行時鐘輸入;ˉCS-CSˉˉˉˉ?片選,低電平有效;DOUT-串行數(shù)據(jù)輸出(串級);AGND-模擬地;REFIN-電壓基準輸入;OUT-DAC模擬電壓輸出;VDD:+5V。驅動程序見圖4。4比例運算電路V/I轉換放大器由IC7和晶體管N2等組成,見圖5。它將1～5V的直流信號按比例地轉換并放大成4～20mA的輸出電流。其基本原理是:當正的輸入信號Vi通過電阻R38加到運算放大器IC7的同相輸入端時,IC7的輸出電壓增加,于是晶體管N2的電流增大,即Ie增大,Io亦增大。由圖可見,Ve=V+,組成一個比例運算電路。使Ve與Vi有一一對應的關系,即Ie與Vi成比例關系。所以Io取決于Vio,當忽略三極管的基極電流時,有如下關系:Io=Ie-If⑴{Vi-V+R38=V+-VsR42+V+-VfR39Vf=R44R′43+R44V+Ιe=VfR44???????????Vi?V+R38=V+?VsR42+V+?VfR39Vf=R44R′43+R44V+Ie=VfR44式中:R′43為R43/W3。解上述3方程式得:Vf=R44(Vi+4Vs)9R′43+5R44Ιe=Vi+4Vs9R′43+5R44⑵If的求取:在相同的條件下,由圖6可求得:Ιf=Vf-V+R39Ιf=-R′43(Vi+4Vs)R39(9R′43+5R44)⑶把式⑵和⑶代入⑴,得:Ιo=Vi+4Vs9R′43+5R44-R′43(Vi+4Vs)R39(9R′43+5R44)⑷當R′43=13Ω,Vi=1～5V時,Ie=4～20mA。5輸出電流為20ma時的誤差從式⑷可知,運算誤差為:ΔΙo=R′43(Vi+4Vs)R39(9R′43+5R44)⑸最大運算誤差發(fā)生在Vi=5V時,ΔIo=0.026mA,即實際的輸出電流Io比Ie(4～20mA)小一個誤差項,而且誤差是個變量。在輸出電流為20mA時,誤差最大。為了減小轉換誤差,當輸出電流為20mA時調節(jié)量程電位器W3。從式⑸可