CN2211593Y

CN2211593Y - 智能外载测量仪

Info

Publication number: CN2211593Y
Application number: CN 94242598
Authority: CN
Inventors: 崔亦飞; 于建勇; 张经明; 张涤华; 刘开颖
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 1994-09-14
Filing date: 1994-09-14
Publication date: 1995-11-01
Anticipated expiration: 2004-09-14

Abstract

一种新型的智能外载测量仪，是将被测电压、电流、温度、应变、热电偶等信号经各自的输入电路，由多路模拟开关选择送A/D转换器转变成数字信号，再由单片机及外围电路进行被测信号的数据采集、处理、存贮、显示和打印。并通过键盘控制进行功能选择及参数输入，如校零、通讯、快速采样、信号选择、次数选择等。本仪器测量精度高，测量范围广，测量速度快，既可单独使用，又可和上位机联机使用，并具有掉电后数据仍保存功能。

Description

本实用新型涉及微机数据采集及处理技术，更具体地说是一种能够测量多参数如直流电压、直流电流、电阻、热电偶、频率、应变信号的智能外载测量仪。

目前国内外的数据采集系统正朝着功能多样化，数据采集自动化，计算分析微机化方向发展，系统的智能化程度越来越高。其中一些采集系统具有直流电压、直流电流、热电偶、电阻、应变、频率、周期、数字量输入、模拟量输出等测量功能，并具有与微机通讯的接口及打印机接口，但它们还存在着一些问题，如必须要借助于上位机设定参数，以及无显示、无输入功能、数据存储量小等缺点，如TAKER、YJ－22等仪器。

本实用新型的目的就是提供一种智能外载测量仪，它可针对工程中出现的问题以位移、温度、流量、应变、应力等为主要物理量进行采集和数据处理，以完善上述仪器的功能。

本实用新型是由电源电路、信号输入切换电路、应变信号放大电路、对称跟踪稳压电源电路、A／D转换及打印机接口电路、单片微机及外围电路、通讯电路、键盘／显示电路等组成。在信号输入切换电路中，电压输入信号、电流输入信号及温度输入信号经各自信号输入电路后，与放大后的应变信号一起送入多路模拟开关，由多路模拟开关选择被测信号送A／D转换器。对称跟踪稳压电源电路提供对称的±5V电压和±2.4V桥压。由8255并行I／O接口芯片的A口和下C口控制A／D转换器及接收转换结果，使各输入模拟信号通过A／D转换后变成数字信号，并通过8255接口输入单片机8031进行采集和处理。单片微机及外围电路包括8031单片机、锁存器、地址译码器、EPROM程序存贮器、RAM数据存贮器及EEPROM存贮器等，其中：8031单片机控制整个仪器的运行，锁存器用来锁存8031单片机输出的低八位地址以提供存贮器寻址用，地址译码器提供RAM及EEPROM的片选、8255I／O内部寄存器地址、8279键盘／显示接口所占用地址，EEPROM存贮器为电擦除存贮器，作为保存数据之用，RAM数据存贮器存放A／D采集的数据和处理数据结果，固化在EPROM中的软件包括8031控制、采集、计算、系统自检等程序。由8255接口芯片的B口和上C口作为打印机接口电路，控制打印机及向打印机发送打印的数据。通讯电路由一个NPN及一个PNP三极管构成，这是准RS232接口，用于仪器与上位机的通讯，其内容为控制信号的传输及采集的数据转存。键盘／显示电路由8279接口芯片及译码器、驱动器、LED共阴极数码管、键盘等构成，以承担仪器运行的状态信息显示与输入参数的控制。

本实用新型由于采用了单片机技术，其智能化程度大大提高，仪器测量过程中的失真和补偿过程、干扰信号抑制、数据采集、数字滤波及误差分析都由仪器本身完成。该仪器本身可具有32K存储功能，仪器掉电后，数据存于EEPROM中不会丢失。并能以多种数据形式输出，如打印输出和串行口输出等。此外该仪器可以通过按键进行功能选择及参数输入，如校零、采样、通讯、打印、快速采样、信号选择，通道号选择、次数选择、时间选择等。LED数码管随时显示通道号及其结果。本实用新型还可作为集散系统的下位机，由主控机发布命令。本仪器测量精度4 1/2 位，每μV对应一个με（微应变），误差为±2个字。测量电压范围0～5V，测量电流4～20mA，温度范围±200℃，应变片120Ω，测量速度每秒4次。

附图1为本实用新型的总原理框图。

附图2为本实用新型的信号输入及切换电路。

附图3为本实用新型的应变信号放大电路。

附图4为本实用新型的对称电源电路。

附图5为本实用新型的A／D转换及打印机接口电路。

附图6为本实用新型的单片机及外围电路。

本实用新型的实施例结合附图作进一步说明。

参见附图2和3所示，在信号输入切换电路中，由开关S₁、电阻R₁、R₂、R₃及限幅二极管构成的I／V转换电路，当S₁合上（或打开）时，将4～20mA（或0～10mA）电流信号转换成0.4～2V电压信号送入多路模拟开关U₁（CO4052）的1端；由电阻R₄、R₅、R₆及限幅二极管构成的电压信号输入电路，将输入的0～5V电压信号分压为0～2V的电压信号送入U₁的5端；温度信号输入电路由电桥电路和两级运算放大器组成，其中：由电阻R₁₂、R₁₃、R₁₄及电位器R₂₂构成电桥电路，温度传感器铂热电阻接入一桥臂R_X、R_Y两端，电桥输出送由高精度运放U₃（OP－07）、电阻R₁₅、R₁₆、R₁₉、R₂₀、二极管D₇、D₈构成的差动放大器，差动放大器输出即U₃的6端输出送由高精度运放U₄（OP－07）、电阻R₁₇、R₁₈、R₂₁构成的反相放大器，反相放大器的输出接U₁的2端；由模拟通道开关U₅（CD4052）、运放U₆（ICL7650）构成的应变信号放大电路，是将应变信号输入到U₅的1端，热电偶信号输入到U₅的5端，U₅的2端接地，为U₆校零使用，U₅的10、9、6端分别接单片机U₁₄（8031）的P1.3、P1.4和P1.5。U₅的3端切换输出经电阻R₂₃送运放U₆的5端，U₆和电阻R₂₄、R₂₅、R₂6构成同相放大器，R₂₅和R₂₆决定了U₆的放大倍数，U₆的1端和2端分别经调零电容C₄和C₅接其8端，在U₆的4端与5端之间接钳位二极管D₉、D₁₀，U₆的9端接其4端，U₆的10端输出经电阻R₂₇、电容C₃构成的低通滤波器后送U₁的4端（ε₀）。U₁的10、9、6端分别接单片机U₁₄（8031）的P1.0、P1.1和P1.2，U₁的3端切换输出经电阻R₇、电容C₁构成的低通滤波器后送运放U₂（OP－07）的3端，由运放U₂、电阻R₁₀、R₁₁、R₈、电位器R₉组成的电压跟随器，将各被测信号经二极管D₅、D₆限幅后，再经电阻R₃₈、电容C₁₀构成的低通滤波器后送A／D转换器U₁₃（ICL7135）的INH₀输入端。

参见附图4所示，对称跟踪稳压电源电路有二部分，一部分由三端稳压器U₇（MC7805T）、运放U₈（OP－07）、晶体管T₁（9012）、电阻R₃₄～R₃₇、电容C₈、C₉构成，输出对称的±5V电压供U₆使用。其中：±12V电压通过U₇后输出正电压经R₃₅后分别接U₈的2端和经R₃₆接T₁的发射极，U₈的3端接地，U₈的6端输出接T₁的基极，T₁的集电极经R₃₇接－12V，T₁的发射极输出负电压。另一部分由可调三端稳压器U₉（LM317K）、运放U₁₀（OP－07）、晶体管T₂（9012）、电阻R₂₈～R₃₃构成，输出±2.4V电压供电桥使用。其中：＋12V电压通过U₉后输出正电压，经R₃₀后分别接U₁₀的2端和经R₃₁接T₂的发射极，U₁₀的3端接地，U₁₀的6端输出接T₂的基极，T₂的集电极经R₃₂接－12V，T₂的发射极输出负电压。

参见附图5所示，A／D转换电路由并行I／O接口芯片U₁₁（8255）、非门U₁₂（74LS04）、A／D转换器U₁₃（ICL7135）、电阻R₃₉～R₄₅、电容C₁₁～C₁₄、二极管D₁₁、稳压二极管Z₁构成。其中：非门U₁₂：A、U₁₂：B和电阻R₃₉、R₄₀、电容C₁₂组成振荡器，其输出接U₁₃的22端，作为U₁₃的工作时钟；U₁₃的24端、3端、9端接地，1端接－5V，11端接＋5V，7端与8端之间接电容C₁₃；由稳压二极管Z₁、电位器R₄₄、电阻R₄₅组成的参考电源接U₁₃的2端，作为A／D转换的参考电压；U₁₃的6端经电阻R₄₁后分别经电容C₁₁接其5端和经电容C₁₄、电阻R₄₂接其4端，U₁₃的4端经反接二极管D₁₁、电阻R₄₃接地。U₁₃的25端接U₁₁的10端，U₁₃的26端接U₁₁的13端，U₁₃的BCD数据线16、15、14、13端（即B₈、B₄、B₂、B₁）分别对应接U₁₁的1、2、3、4端（即PA₃、PA₂、PA₁、PA₀），U₁₃的20端、18端、12端、23端分别应接U₁₁的40、39、38、37端（PA₄～PA₇）。这样，单片机只根据U₁₃的位选信号D₁～D₅中的D₁、D₃、D₅来判断五位输出数据的到来。U₁₁的27～34端（D₇～D₀）接单片机U₁₄的数据总线。U₁₁的18～25端（PB₀～PB₇）和14、16端（PC₀、PC₂）作为打印机接口，送接微型智能打印机μP－40。U₁₁的6端接译码器U₁₉的片选端，U₁₁的35端接单片机复位端，U₁₁的8、9端分别接地址线的A₁、A₀端，U₁₁的36端和5端接单片机U₁₄的16端（

线）和17端（

线）。由此，被测信号经A／D转换后送单片机处理和打印。

参见附图6所示，由单片机U₁₄（8031）、锁存器U₁₅（74LS373）、译码器U₁₉（74LS138）、EPROM程序存贮器U₁₆（2764）、RAM数据存贮器U₁₇（6264）、EEPROM存贮器U₁₈（2864）、键盘／显示接口电路U₂₀（8279）构成的单片微机及外围电路，是将U₁₄的18、19两端外接晶振电路，U₁₄的9端（复位端）接由R₄₆、C₁₇构成上电复位电路，U₁₄的10、11两端外接RS232接口电路，U₁₄的P0.0～P0.7接数据总线，U₁₄的P2.0～P2.4接U₁₆、U₁₇、U₁₈的高5位地址线A₈～A₁₄，U₁₄的P2.5、P2.6、P2.7分别接U₁9的1、2、3端，U₁₄的线接U₁₆的

端，U₁₄的

、

线分别接U₁₇的

、

和U₁₈的

、

及U₂₀的

、，U₁₄的ALE线接U₁₅的11端，U₁₅的D₀～D₇接数据总线，U₁₅的Q₀～Q₇输出分别接U₁₆、U₁₇、U₁₈的低8位地址线A₀～A₇，U₁₆、U₁₇、U₁₈、U₂₀的D₀～D₇接数据总线；U₁₉的

输出接U₁₇的

端，U₁₉的

输出接U₁₈的，U₁₉的输出接U₂₀的

端，U₂₀的21端接地址线A₀，U₂₀的9端接单片机U₁₄的复位端，U₂0的3端接U₁₄的ALE线，U₂₀的4端经反门U₁₂：C（74LS04）后接U₁₄的INT₀端。这里：RS232接口电路主要是TTL电平与RS232电平的转换，U₁₄的TXD为输出端，RXD为信号输入端；键盘／显示电路为通用的8279键盘／显示电路，接16个键，七位LED数码管显示及一组八个二极管的显示，以提供仪器的人机对话功能。

本仪器加电后处于键盘等待状态，当键入信息后，CPU开始处理键工作。单片机控制仪器的运行。单片机通过8255控制ICL7135进行数据采集。频率信号是8031单片机T₀端输入单片机进行测量。电流、电压、铂电阻、热电偶、应变等信号的测量是由P₁口控制模拟开关切换到ICL7135转换后再进行测量。其中铂电阻、热电偶、应变等信号是经过放大进入模拟开关的。模拟信号经7135转成数字信号后，8031进行处理再暂存到EEPROM2864之中。仪器断电后，还可保存信息。本仪器可以通过微型智能打印机输出结果，或通过RS232接口电路与其它微机通讯，将数据转存于其它微机。本仪器还可通过键盘选择信号、选样通道范围、选择工作方式。

Claims

1、一种新型的智能外载测量仪，是由电源电路、信号输入切换电路、应变信号放大电路、对称跟踪稳压电源电路、A/D转换及打印机接口电路、单片微机及外围电路、通讯电路、键盘/显示电路组成，其特征在于：

a.在信号输入切换电路中，由开关S₁、电阻R₁、R₂、R₃及限幅二极管构成的I/V转换电路，当S₁合上(或打开)时，将4～20mA(或0～10mA)电流信号转换成0.4～2V电压信号送入多路模拟开关U₁(CO4052)的1端；由电阻R₄、R₅、R₆及限幅二极管构成的电压信号输入电路，将输入的0～5V电压信号分压为0～2V的电压信号送入U₁的5端；温度信号输入电路由电桥电路和两级运算放大器组成，其中：由电阻R₁₂、R₁₃、R₁₄及电位器R₂₂构成电桥电路，温度传感器铂热电阻接入一桥臂R_X、R_Y两端，电桥输出送由高精度运放U₃(OP-07)、电阻R₁₅、R₁₆、R₁₉、R₂₀、二极管D₇、D₈构成的差动放大器，差动放大器输出即U₃的6端输出送由高精度运放U₄(OP-07)、电阻R₁₇、R₁₈、R₂₁构成的反相放大器，反相放大器的输出接U₁的2端；由模拟通道开关U₅(CD4052)、运放U₆(ICL7650)构成的应变信号放大电路，是将应变信号输入到U₅的1端，热电偶信号输入到U₅的5端，U₅的2端接地，为U₆校零使用，U₅的10、9、6端分别接单片机U₁₄(8031)的P1.3、P1.4和P1.5。U₅的3端切换输出经电阻R₂₃送运放U₆的5端，U₆和电阻R₂₄、R₂₅、R₂₆构成同相放大器，U₆的1端和2端分别经调零电容C₄和C₅接其8端，在U₆的4端与5端之间接钳位二极管D₉、D₁₀，U₆的9端接其4端，U₆的10端输出经电阻R₂₇、电容C₈构成的低通滤波器后送U₁的4端(ε₀)；U₁的10、9、6端分别接单片机U₁₄(8031)的P1.0、P1.1和P1.2，U₁的3端切换输出经电阻R₇、电容C₁构成的低通滤波器后送运放U₂(OP-07)的3端，由运放U₂、电阻R₁₀、R₁₁、R₈、电位器R₉组成的电压跟随器，将各被测信号经二极管D₅、D₈限幅后，再经电阻R₃₈、电容C₁₀构成的低通滤波器后送A/D转换器U₁₃(ICL7135)的INH_O输入端；

b.对称跟踪稳压电源电路有二部分，一部分由三端稳压器U₇(MC7805T)、运放U₈(OP-07)、晶体管T₁(9012)、电阻R₃₄～R₃₇、电容C₈、C₉构成，输出对称的±5V电压供U₆使用，另一部分由可调三端稳压器U₉(LM317K)、运放U₁₀(OP-07)、晶体管T₂(9012)、电阻R₂₈～R₃₃构成，输出±2.4V电压供电桥使用；

c.A/D转换电路由并行I/O接口芯片U₁₁(8255)、非门U₁₂(74LS04)、A/D转换器U₁₃(ICL7135)、电阻R₃₉～R₄₅、电容C₁₁～C₁₄、二极管D₁₁、稳压二极管Z₁构成。其中：非门U₁₂∶A、U₁₂∶B和电阻R₃₉、R₄₀、电容C₁2组成振荡器，其输出接U₁₃的22端，作为U₁₃的工作时钟；U₁₃的24端、3端、9端接地，1端接-5V，11端接+5V，7端与8端之间接电容C₁₃；由稳压二极管Z₁、电位器R₄₄、电阻R₄₅组成的参考电源接U₁₃的2端，作为A/D转换的参考电压；U₁₃的6端经电阻R₄₁后分别经电容C₁₁接其5端和经电容C₁₄、电阻R₄₂接其4端，U₁₃的4端经反接二极管D₁₁、电阻R₄₃接地。U₁₃的25端接U₁₁的10端，U₁₃的26端接U₁₁的13端，U₁₃的BCD数据线16、15、14、13端(即B₈、B₄、B₂、B₁)分别对应接U₁₁的1、2、3、4端(即PA₃、PA₂、PA₁、PA₀)，U₁₃的20端、18端、12端、23端分别应接U₁₁的40、39、38、37端(PA₄～PA₇)；U₁₁的27～34端(D₇～D₀)接单片机U₁₄的数据总线，U₁₁的18～25端(PB₀～PB₇)和14、16端(PC₀、PC₂)作为打印机接口，送接微型智能打印机μP-40，U₁₁的6端接译码器U₁₉的

片选端，U₁₁的35端接单片机复位端，U₁₁的8、9端分别接地址线的A₁、A₀端，U₁₁的36端和5端接单片机U₁₄的16端( 线)和17端(

线)；

d.由单片机U₁₄(8031)、锁存器U₁₅(74LS373)、译码器U₁₉(74LS138)、EPROM程序存贮器U₁₆(2764)、RAM数据存贮器U₁₇(6264)、EEPROM存贮器U₁₈(2864)、键盘/显示接口电路U₂₀(8279)构成的单片微机及外围电路，是将U₁₄的18、19两端外接晶振电路，U₁₄的9端(复位端)接由R₄₆、C₁₇构成上电复位电路，U₁₄的10、11两端外接RS232接口电路，U₁₄的P0.0～P0.7接数据总线，U₁₄的P2.0～P2.4接U₁₆、U₁₇、U₁₈的高5位地址线A₈～A₁₄，U₁₄的P2.5、P2.6、P2.7分别接U₁₉的1、2、3端，U₁₄的

线接U₁₆的

端，U₁₄的

、线分别接U₁₇的、

和U₁₈的

、

及U₂₀的、

，U₁₄的ALE线接U₁₅的11端，U₁₅的D₀～D₇接数据总线，U₁₅的Q₀～Q₇输出分别接U₁₆、U₁₇、U₁₈的低8位地址线A₀～A₇，U₁₅、U₁₇、U₁₈、U₂₀的D₀～D₇接数据总线；U₁₉的 ₀输出接U₁₇的 ₁端，U₁₉的

₁输出接U₁₈的 ₁，U₁₉的 ₂输出接U₂₀的

端，U₂₀的21端接地址线A₀，U₂₀的9端接单片机U₁₄的复位端，U₂₀的3端接U₁₄的ALE线，U₂₀的4端经反门U₁₂∶C(74LS04)后接U₁₄的INT₀端；

e.键盘/显示电路为通用的8279键盘/显示电路，接16个键，七位LED数码管显示及一组八个二极管的显示。

2、根据权利要求1所述的智能外载测量仪，其特征在于：对称跟踪稳压电源电路的一部分是将＋12V电压通过U₇后输出正电压经R₃₅后分别接U₈的2端和经R₃₆接T₁的发射极，U₈的3端接地，U₈的6端输出接T₁的基极，T₁的集电极经R₃₇接－12V，T₁的发射极输出负电压；另一部分是将＋12V电压通过U₉后输出正电压，经R₃₀后分别接U₁₀的2端和经R₃₁接T₂的发射极，U₁₀的3端接地，U₁₀的6端输出接T₂的基极，T₂的集电极经R₃₂接－12V，T₂的发射极输出负电压。