專利名稱：帶指針指示的數(shù)字式顯示記錄儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于自動(dòng)化儀表、顯示記錄儀，特別涉及一種測(cè)量、顯示和記錄各種工業(yè)參數(shù)的自動(dòng)化裝置。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)工程自動(dòng)化系統(tǒng)中，使用的顯示記錄儀表有模擬顯示記錄和數(shù)字顯示記錄兩種類型。
1、模擬顯示記錄儀表利用物理參量變化的相似性，人們將一些不能直接或不能精確的直接感受的物理量(如溫度、壓力、流量、磁場(chǎng)等)，用人們易于精確觀察的物理量(如線位移、角位移或其他形式)來(lái)表示。模擬顯示儀表就是利用這樣的原理制成的。模擬顯示儀表歷史悠久，其原理、結(jié)構(gòu)、元器件及制造工藝等均已相當(dāng)成熟，在過(guò)程檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域內(nèi)都能滿足一定的精度要求，功能又比較齊全，附加一些裝置，可以實(shí)現(xiàn)指示、調(diào)節(jié)、記錄、報(bào)警和其它多項(xiàng)功能。特別是通過(guò)指針移動(dòng)能連續(xù)、直觀的反映被測(cè)信息的變化趨勢(shì)。
目前模擬顯示記錄儀表分為動(dòng)圈式和電子自動(dòng)平衡式兩種。
動(dòng)圈式顯示儀表是利用固定的永久磁鐵對(duì)通電線圈所產(chǎn)生的作用力(矩)和支承機(jī)構(gòu)的反作用力(矩)的相互作用而工作的一種磁電系儀表。其測(cè)量機(jī)構(gòu)由固定部分和可動(dòng)部分組成。作為儀表固定部分的是由磁鋼、軟鐵芯組成的磁路系統(tǒng)；可動(dòng)部分則是由張絲及其支承的動(dòng)圈和指針等部件組成，通常稱之為張絲彈片支承系統(tǒng)，或簡(jiǎn)稱張絲支承系統(tǒng)。當(dāng)被測(cè)信號(hào)電流通過(guò)張絲流經(jīng)動(dòng)圈時(shí)，動(dòng)圈受到磁場(chǎng)力矩的作用而偏轉(zhuǎn)。動(dòng)圈在受力偏轉(zhuǎn)的同時(shí)，扭轉(zhuǎn)了張絲，張絲則產(chǎn)生反作用力矩以反抗動(dòng)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)。反作用力矩的大小取決于張絲的扭轉(zhuǎn)程度。當(dāng)兩力平衡時(shí)，動(dòng)圈就在某一平衡位置穩(wěn)定下來(lái)，此時(shí)動(dòng)圈偏轉(zhuǎn)角度的的大小就和被測(cè)信號(hào)電流的大小成比例。通過(guò)使用各種形式的變送器以及對(duì)變送器信號(hào)進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，就可以用來(lái)測(cè)量和顯示各種工業(yè)參數(shù)。但是動(dòng)圈式顯示儀表本身沒(méi)有記錄功能。
電子自動(dòng)平衡式顯示記錄儀表是一種閉環(huán)儀表，是采用電壓自動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑?，自?dòng)測(cè)量和顯示記錄各種電參數(shù)的儀表。目前生產(chǎn)的自動(dòng)平衡式顯示儀表，主要是采用電阻位置反饋的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償?shù)?。按照測(cè)量橋路的構(gòu)成，可以將自動(dòng)平衡式顯示記錄儀表分為電子電位差計(jì)和自動(dòng)平衡電橋兩種基本類型。電位差計(jì)用于測(cè)量電壓和電流信號(hào)，而平衡電橋則用于測(cè)量電阻信號(hào)。兩者的工作原理相似。以電子電位差計(jì)來(lái)說(shuō)其工作原理，待測(cè)信號(hào)與電位差計(jì)輸出反饋信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的差值經(jīng)過(guò)放大器放大之后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)測(cè)量橋路中的可變電阻的中間抽頭運(yùn)動(dòng)，使其阻值發(fā)生變化，改變測(cè)量橋路的輸出值。當(dāng)待測(cè)信號(hào)值與電橋輸出值相等時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到平衡。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移就與待測(cè)信號(hào)的大小成正比。電機(jī)可帶動(dòng)指針和記錄筆一起動(dòng)作，這樣就可以起到指示和記錄的目的。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，自動(dòng)平衡式顯示記錄儀表的種類越來(lái)越多，構(gòu)造上也千差萬(wàn)別，但是所采用的電壓補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量原理是相同的，不同的是采用不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓反饋，如電容反饋，電感反饋等等。
模擬顯示儀表存在它固有的局限性，主要表現(xiàn)在顯示精度受到表盤刻度限制，提高較為困難，存在主觀誤差，傳輸信息的距離受到限制，測(cè)量的速度受到限制，不利于信息的處理等。
2、數(shù)字顯示記錄儀表數(shù)字顯示儀表是由于模擬顯示儀表的局限性以及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而相應(yīng)出現(xiàn)的另一類顯示儀表。數(shù)字式顯示儀表是把連續(xù)的被測(cè)模擬電參量自動(dòng)的變成斷續(xù)的用數(shù)字編碼方式并以十進(jìn)制數(shù)字自動(dòng)顯示測(cè)量結(jié)果的一種電測(cè)量?jī)x表。這種儀表把電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的成果與精密電測(cè)量技術(shù)密切的結(jié)合在一起，成為儀器儀表領(lǐng)域中一個(gè)獨(dú)立的分支。如圖1所示為目前使用的功能比較齊全的數(shù)字顯示記錄儀表的硬件框圖。
數(shù)字顯示儀表采用數(shù)字量的方式進(jìn)行顯示，與模擬顯示儀表相比有如下優(yōu)點(diǎn)由于數(shù)字顯示儀表沒(méi)有模擬顯示儀表中所必須的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此儀表的測(cè)量和顯示速度、靈敏度(分辨率)、精度等均大大提高，動(dòng)圈式儀表精確度僅為±1.0％，而數(shù)字顯示儀通常為±0.2％，部分產(chǎn)品為±0.5％少數(shù)已達(dá)到±0.1％；數(shù)字顯示清晰、醒目，便于遠(yuǎn)距離觀測(cè)，又無(wú)視讀誤差，功能多；抗振性好，安裝角度不受限制；輸入阻抗高如配熱電偶或mV型信號(hào)的輸入阻抗可達(dá)MΩ級(jí)，而動(dòng)圈式儀表外接電阻僅5Ω、15Ω，補(bǔ)償導(dǎo)線的允許長(zhǎng)度通常只有幾十米；采用國(guó)際通用電源，電源可選交流、直流兩種供電方式，即220vAC、24vDC。由于開(kāi)關(guān)電源的普遍采用，不少產(chǎn)品適應(yīng)交流電源的變化范圍可達(dá)85-264vAC，50/60Hz；輔助功能多，以往的動(dòng)圈式儀表通常只帶上下限報(bào)警和單參數(shù)PID調(diào)節(jié)功能；而目前的數(shù)字顯示儀擁有種類繁多的輔助功能，如可向變送器提供24vDC工作電源的配電功能、檢測(cè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)變送輸出功能、四限(上上、上、下、下下)報(bào)警功能、報(bào)警接點(diǎn)延時(shí)功能、萬(wàn)能輸入功能、萬(wàn)能輸出功能、運(yùn)算功能(如開(kāi)方、乘除、累積運(yùn)算)、復(fù)雜回路比例微分積分(PID)調(diào)節(jié)功能、數(shù)據(jù)通信功能、多種外形尺寸選擇功能等。
數(shù)字顯示儀表相對(duì)于模擬顯示儀表也有其不足之處。模擬儀表可以做連續(xù)的傾向性顯示，這是數(shù)字儀表至今無(wú)法辦到的，另外，它所具有的對(duì)干擾不靈敏和穩(wěn)定性能較好等優(yōu)點(diǎn)也是受到重視的原因。數(shù)字式儀表的優(yōu)點(diǎn)是精確、高速、分辨力不受表盤刻度的限制，有助于減少人一機(jī)間出現(xiàn)的含糊不清的疑點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)人一機(jī)對(duì)話。但目前只能適用于單臺(tái)顯示儀表與選點(diǎn)顯示中，對(duì)于高密度安裝的儀表盤來(lái)說(shuō)，大量的數(shù)字羅列，還不如模擬式儀表那樣清晰和便于操作人員掌握全面情況。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提出一種帶指針指示的數(shù)字式顯示記錄儀，既要能夠準(zhǔn)確的顯示、記錄參數(shù)大小的變化，并且對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，以便對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控、管理；又要能夠正確的反映出參數(shù)變化的趨勢(shì)，使現(xiàn)場(chǎng)操作人員能夠及時(shí)了解機(jī)器運(yùn)行情況，進(jìn)行相應(yīng)的操作。
本實(shí)用新型的一種帶指針指示的數(shù)字顯示記錄儀，包括電信號(hào)連接的信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、放大電路以及與信號(hào)處理器電信號(hào)連接的閃存Flash存儲(chǔ)器，其特征在于(1)所述放大電路由依次電信號(hào)連接的前端放大單元、光電隔離單元和功率放大單元組成；
(2)功率放大單元輸出電信號(hào)驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)、后者連接并可帶動(dòng)光電碼盤和指針旋轉(zhuǎn)；(3)光電碼盤輸出信號(hào)依次經(jīng)脈沖處理電路和可逆計(jì)數(shù)電路送入信號(hào)處理器，構(gòu)成反饋回路。
所述的帶指針指示的數(shù)字顯示記錄儀，其進(jìn)一步特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路的功能集成由微計(jì)算機(jī)完成。
所述的帶指針指示的數(shù)字顯示記錄儀，所述微計(jì)算機(jī)可以包括兩片單片機(jī)，其中一號(hào)單片機(jī)將由其集成的A/D轉(zhuǎn)換電路采集的輸入信號(hào)與來(lái)自所述反饋回路的信號(hào)相比較，通過(guò)積分逼近的控制算法經(jīng)由其集成的D/A轉(zhuǎn)換電路輸出控制信號(hào)，并通過(guò)串行外圍設(shè)備SPI接口將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的輸入信號(hào)送至二號(hào)單片機(jī)；二號(hào)單片機(jī)完成對(duì)閃存Flash存儲(chǔ)器的讀寫操作、鍵盤顯示并連接通信接口。
本實(shí)用新型的帶指針指示的數(shù)字式顯示記錄儀是一種集合模擬顯示儀表和數(shù)字顯示記錄儀優(yōu)點(diǎn)的新型顯示記錄儀。它是一個(gè)由微處理器、伺服電機(jī)和光電碼盤組成的數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)具有數(shù)字顯示記錄和多圈模擬指針指示兩種顯示方式。既有精確的數(shù)字顯示，又能由指針表示出信號(hào)變化的趨勢(shì)，解決了單獨(dú)的模擬和數(shù)字儀表都不能解決的問(wèn)題。
本實(shí)用新型使用高轉(zhuǎn)度的A/D轉(zhuǎn)換器，大容量的Flash存儲(chǔ)器，使系統(tǒng)數(shù)字顯示精度達(dá)到千分之一，并且具有記錄兩萬(wàn)組數(shù)據(jù)信息的能力；使用了積分逼近的控制算法，控制輸出為一系列等間距、變脈寬的脈沖信號(hào)，使得系統(tǒng)響應(yīng)速度快，上升時(shí)間短，而且沒(méi)有超調(diào)量和振蕩過(guò)程；以交流伺服電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、微處理器作為數(shù)字控制器、光電碼盤作為反饋元件構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)光電碼盤的輸出信號(hào)進(jìn)行倍率處理，提高了反饋回路的分辨率。指針在多圈連續(xù)指示時(shí)能反應(yīng)1°的位置變化。
本實(shí)用新型能夠接受電壓、電流、熱電偶、熱電阻等多種形式的信號(hào)輸入；還可以通過(guò)通信接口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)，由上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析、管理，滿足了生產(chǎn)和用戶的需求。


圖1為目前通用的一種數(shù)字顯示記錄儀表硬件框圖；圖2為本實(shí)用新型的一種實(shí)施情況；
圖3為本實(shí)用新型采用兩片單片機(jī)的實(shí)施情況；圖4為本實(shí)用新型表盤部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實(shí)用新型表盤外形示意圖；圖6(a)表示控制信號(hào)變化過(guò)程，圖6(b)表示系統(tǒng)響應(yīng)曲線；圖7(a)表示光電碼盤輸出信號(hào)處理，圖7(b)表示處理后對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖解釋本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
。
圖2表示了本實(shí)用新型的一種實(shí)施情況，其中單片機(jī)作為信號(hào)處理器。在這里，我們用到了單片機(jī)的總線操作功能、口線輸入輸出功能、邏輯判斷能力和運(yùn)算功能。單片機(jī)讀入由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一定的處理之后得到輸入信號(hào)的測(cè)量值。單片機(jī)把這個(gè)信號(hào)送至顯示單元顯示，送到Flash存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。同時(shí)單片機(jī)讀入可逆計(jì)數(shù)器的值，了解反饋信號(hào)的大小。將反饋信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)積分逼近的控制算法后輸出控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)經(jīng)過(guò)D/A、放大、隔離、功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通信接口可以讓單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出指令后，單片機(jī)通過(guò)通信口將Flash存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)圖、表輸出等功能。鍵盤的使用可以完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)置，時(shí)間標(biāo)定等等。
圖3表示本實(shí)用新型采用兩片單片機(jī)的實(shí)施狀況，一號(hào)單片機(jī)Aduc836與放大電路、交流伺服電機(jī)、光電碼盤和脈沖處理電路一起構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后輸入到一號(hào)單片機(jī)Aduc836，由其集成的A/D轉(zhuǎn)換器采集并與由光電碼盤和脈沖處理電路產(chǎn)生的反饋信號(hào)相比較，通過(guò)一定的控制算法，由單片機(jī)集成的D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制信號(hào)，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行前端放大、光電隔離、功率放大單元后驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)，帶動(dòng)指示指針旋轉(zhuǎn)。由于普通Flash存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度相對(duì)較慢，為了不影響閉環(huán)系統(tǒng)的控制效果，Aduc836通過(guò)SPI接口把對(duì)輸入信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的采集結(jié)果送至二號(hào)單片機(jī)89C51。對(duì)Flash存儲(chǔ)器的寫入操作、數(shù)據(jù)顯示、人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)通信等功能皆由二號(hào)單片機(jī)89C51完成。
圖4表示本實(shí)用新型表盤部分的一種結(jié)構(gòu)，其中交流伺服電機(jī)1和表盤4均由支架2固定，電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)光電碼盤3和指針5旋轉(zhuǎn)。
在圖5中，表盤4上安裝有指針5、數(shù)字顯示6、發(fā)光二極管指示7和按鍵8，指針主要完成連續(xù)多圈指示的功能；數(shù)字顯示的部分則精確的反映出輸入信號(hào)的大小；發(fā)光二極管表明目前指針已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了多少圈，它與指針指向的刻度一起說(shuō)明指針指示的位置；按鍵主要用來(lái)完成一些人機(jī)接口工作，如調(diào)零等。
設(shè)輸入信號(hào)為4-20mA，指針滿量程旋轉(zhuǎn)4圈。圖6(a)、(b)給出了一個(gè)輸入8mA階躍信號(hào)時(shí)控制信號(hào)的變化過(guò)程以及系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。由圖(a)可以看出，控制信號(hào)是一個(gè)等間距、變脈寬的脈沖序列，位置積分值越接近給定值，脈寬越窄，直至系統(tǒng)的輸出落在一定的死區(qū)范圍內(nèi)；整個(gè)系統(tǒng)的上升時(shí)間主要卻決于電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速，沒(méi)有超調(diào)量和震蕩過(guò)程。
光電碼盤輸出信號(hào)處理及結(jié)果反映在圖7(a)和圖7(b)中。光電碼盤的輸出是兩路相位差為90°的方波信號(hào)，設(shè)其為A、B兩相。當(dāng)碼盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)A相超前B相，反之則B相超前A相。如圖7(a)所示，將A、B兩相信號(hào)相反，得到相位差別分別為90°的四路信號(hào)，然后對(duì)每一條路信號(hào)都進(jìn)行微分處理?？梢钥吹?，A、B兩相信號(hào)的上跳沿和下跳沿都被作為有用信號(hào)加以了利用，這樣就提高了反饋的精度。如果反饋回路要反應(yīng)出1的位置變化，那么90線的光電碼盤即可滿足要求。
A、B兩相信號(hào)之間的相位關(guān)系可以用來(lái)判斷碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。利用一定的門電路可以得到兩列脈沖，分別對(duì)應(yīng)碼盤的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖7(b)所示。將這兩列脈沖分別連接到Aduc836的計(jì)數(shù)器T1，T2，將兩計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相減就可以得到電機(jī)當(dāng)前的角位移。如果計(jì)數(shù)器記數(shù)溢出則產(chǎn)生中斷，此時(shí)記錄下兩個(gè)計(jì)數(shù)器的差值為基數(shù)值，并將兩個(gè)計(jì)數(shù)器一起清零，以后兩計(jì)數(shù)器的差值加上基數(shù)值就是電機(jī)所處的位置。
權(quán)利要求1.一種帶指針指示的數(shù)字顯示記錄儀，包括電信號(hào)連接的信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、放大電路以及與信號(hào)處理器電信號(hào)連接的閃存Flash存儲(chǔ)器，其特征在于(1)所述放大電路由依次電信號(hào)連接的前端放大單元、光電隔離單元和功率防大單元組成；(2)功率放大單元輸出電信號(hào)驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)、后者連接并可帶動(dòng)光電碼盤和指針旋轉(zhuǎn)；(3)光電碼盤輸出信號(hào)依次經(jīng)脈沖處理電路和可逆計(jì)數(shù)電路送入信號(hào)處理器，構(gòu)成反饋回路。
2.如權(quán)利要求1所述的帶指針指示的數(shù)字顯示記錄儀，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路的功能集成由微計(jì)算機(jī)完成。
3.如權(quán)利要求2所述的帶指針指示的數(shù)字顯示記錄儀，其特征在于所述微計(jì)算機(jī)包括兩片單片機(jī)，其中一號(hào)單片機(jī)將由其集成的A/D轉(zhuǎn)換電路采集的輸入信號(hào)與來(lái)自所述反饋回路的信號(hào)相比較，通過(guò)積分逼近的控制算法經(jīng)由其集成的D/A轉(zhuǎn)換電路輸出控制信號(hào)，并通過(guò)串行外圍設(shè)備SPI接口將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的輸入信號(hào)送至二號(hào)單片機(jī)；二號(hào)單片機(jī)完成對(duì)閃存Flash存儲(chǔ)器的讀寫操作、鍵盤顯示并連接通信接口。
專利摘要帶指針指示的數(shù)字式顯示記錄儀，屬于自動(dòng)化儀表、顯示記錄儀，解決既要準(zhǔn)確顯示、記錄參數(shù)大小變化，又要正確反映參數(shù)變化趨勢(shì)，便于直觀了解的問(wèn)題。本實(shí)用新型包括電信號(hào)連接的信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、前端放大單元、光電隔離單元、功率放大單元、交流伺服電機(jī)；交流伺服電機(jī)帶動(dòng)光電碼盤和指針旋轉(zhuǎn)；光電碼盤輸出經(jīng)脈沖處理電路和可逆計(jì)數(shù)電路送入信號(hào)處理器、構(gòu)成反饋回路。本實(shí)用新型能夠接受電壓、電流、熱電偶、熱電阻等多種形式信號(hào)輸入，同時(shí)具有數(shù)字顯示記錄和多圈模擬指針指示兩種顯示方式，還可以通過(guò)通信接口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)，滿足了生產(chǎn)和用戶需求。
文檔編號(hào)G01D21/02GK2663933SQ200320116019
公開(kāi)日2004年12月15日 申請(qǐng)日期2003年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月25日
發(fā)明者李昌禧, 趙射 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)