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：
本發(fā)明屬于自動化儀表、顯示記錄儀，特別涉及一種測量、顯示和記錄各種工業(yè)參數(shù)的自動化裝置。
背景技術(shù)：
在當今工業(yè)生產(chǎn)工程自動化系統(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成熟，在過程檢測及實驗研究領(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，可以實現(xiàn)指示、調(diào)節(jié)、記錄、報警和其它多項功能。特別是通過指針移動能連續(xù)、直觀的反映被測信息的變化趨勢。
目前模擬顯示記錄儀表分為動圈式和電子自動平衡式兩種。
動圈式顯示儀表是利用固定的永久磁鐵對通電線圈所產(chǎn)生的作用力(矩)和支承機構(gòu)的反作用力(矩)的相互作用而工作的一種磁電系儀表。其測量機構(gòu)由固定部分和可動部分組成。作為儀表固定部分的是由磁鋼、軟鐵芯組成的磁路系統(tǒng)；可動部分則是由張絲及其支承的動圈和指針等部件組成，通常稱之為張絲彈片支承系統(tǒng)，或簡稱張絲支承系統(tǒng)。當被測信號電流通過張絲流經(jīng)動圈時，動圈受到磁場力矩的作用而偏轉(zhuǎn)。動圈在受力偏轉(zhuǎn)的同時，扭轉(zhuǎn)了張絲，張絲則產(chǎn)生反作用力矩以反抗動圈的轉(zhuǎn)動。反作用力矩的大小取決于張絲的扭轉(zhuǎn)程度。當兩力平衡時，動圈就在某一平衡位置穩(wěn)定下來，此時動圈偏轉(zhuǎn)角度的的大小就和被測信號電流的大小成比例。通過使用各種形式的變送器以及對變送器信號進行一定的轉(zhuǎn)換，就可以用來測量和顯示各種工業(yè)參數(shù)。但是動圈式顯示儀表本身沒有記錄功能。
電子自動平衡式顯示記錄儀表是一種閉環(huán)儀表，是采用電壓自動補償?shù)脑?，自動測量和顯示記錄各種電參數(shù)的儀表。目前生產(chǎn)的自動平衡式顯示儀表，主要是采用電阻位置反饋的方法來實現(xiàn)電壓補償?shù)?。按照測量橋路的構(gòu)成，可以將自動平衡式顯示記錄儀表分為電子電位差計和自動平衡電橋兩種基本類型。電位差計用于測量電壓和電流信號，而平衡電橋則用于測量電阻信號。兩者的工作原理相似。以電子電位差計來說其工作原理，待測信號與電位差計輸出反饋信號進行比較，兩者的差值經(jīng)過放大器放大之后驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)，伺服電機的運動帶動測量橋路中的可變電阻的中間抽頭運動，使其阻值發(fā)生變化，改變測量橋路的輸出值。當待測信號值與電橋輸出值相等時，系統(tǒng)達到平衡。電機轉(zhuǎn)動的角位移就與待測信號的大小成正比。電機可帶動指針和記錄筆一起動作，這樣就可以起到指示和記錄的目的。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，自動平衡式顯示記錄儀表的種類越來越多，構(gòu)造上也千差萬別，但是所采用的電壓補償?shù)臏y量原理是相同的，不同的是采用不同的方法來實現(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)代科學技術(shù)的發(fā)展而相應出現(xiàn)的另一類顯示儀表。數(shù)字式顯示儀表是把連續(xù)的被測模擬電參量自動的變成斷續(xù)的用數(shù)字編碼方式并以十進制數(shù)字自動顯示測量結(jié)果的一種電測量儀表。這種儀表把電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)的成果與精密電測量技術(shù)密切的結(jié)合在一起，成為儀器儀表領(lǐng)域中一個獨立的分支。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)字量的方式進行顯示，與模擬顯示儀表相比有如下優(yōu)點由于數(shù)字顯示儀表沒有模擬顯示儀表中所必須的機械運動機構(gòu)，因此儀表的測量和顯示速度、靈敏度(分辨率)、精度等均大大提高，動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)已達到±0.1％；數(shù)字顯示清晰、醒目，便于遠距離觀測，又無視讀誤差，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型信號的輸入阻抗可達MΩ級，而動圈式儀表外接電阻僅5Ω、15Ω，補償導線的允許長度通常只有幾十米；采用國際通用電源，電源可選交流、直流兩種供電方式，即220vAC、24vDC。由于開關(guān)電源的普遍采用，不少產(chǎn)品適應交流電源的變化范圍可達85-264vAC，50/60Hz；輔助功能多，以往的動圈式儀表通常只帶上下限報警和單參數(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、檢測參數(shù)的標準化信號變送輸出功能、四限(上上、上、下、下下)報警功能、報警接點延時功能、萬能輸入功能、萬能輸出功能、運算功能(如開方、乘除、累積運算)、復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)字儀表至今無法辦到的，另外，它所具有的對干擾不靈敏和穩(wěn)定性能較好等優(yōu)點也是受到重視的原因。數(shù)字式儀表的優(yōu)點是精確、高速、分辨力不受表盤刻度的限制，有助于減少人一機間出現(xiàn)的含糊不清的疑點，并能實現(xiàn)人一機對話。但目前只能適用于單臺顯示儀表與選點顯示中，對于高密度安裝的儀表盤來說，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
本發(fā)明提出一種帶指針指示的數(shù)字式顯示記錄儀，既要能夠準確的顯示、記錄參數(shù)大小的變化，并且對其進行相應的處理，以便對生產(chǎn)進行監(jiān)控、管理；又要能夠正確的反映出參數(shù)變化的趨勢，使現(xiàn)場操作人員能夠及時了解機器運行情況，進行相應的操作。
本發(fā)明的一種帶指針指示的數(shù)字顯示記錄儀，包括電信號連接的信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、放大電路以及與信號處理器電信號連接的閃存Flash存儲器，其特征在于(1)所述放大電路由依次電信號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驅(qū)動交流伺服電機、后者連接并可帶動光電碼盤和指針旋轉(zhuǎn)；(3)光電碼盤輸出信號依次經(jīng)脈沖處理電路和可逆計數(shù)電路送入信號處理器，構(gòu)成反饋回路。
所述的帶指針指示的數(shù)字顯示記錄儀，其進一步特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換電路、信號處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路的功能集成由微計算機完成。
所述的帶指針指示的數(shù)字顯示記錄儀，所述微計算機可以包括兩片單片機，其中一號單片機將由其集成的A/D轉(zhuǎn)換電路采集的輸入信號與來自所述反饋回路的信號相比較，通過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，并通過串行外圍設備SPI接口將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的輸入信號送至二號單片機；二號單片機完成對閃存Flash存儲器的讀寫操作、鍵盤顯示并連接通信接口。
本發(fā)明的帶指針指示的數(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)點的新型顯示記錄儀。它是一個由微處理器、伺服電機和光電碼盤組成的數(shù)字隨動系統(tǒng)，同時具有數(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變化的趨勢，解決了單獨的模擬和數(shù)字儀表都不能解決的問題。
本發(fā)明使用高轉(zhuǎn)度的A/D轉(zhuǎn)換器，大容量的Flash存儲器，使系統(tǒng)數(shù)字顯示精度達到千分之一，并且具有記錄兩萬組數(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，使得系統(tǒng)響應速度快，上升時間短，而且沒有超調(diào)量和振蕩過程；以交流伺服電機為執(zhí)行機構(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)，對光電碼盤的輸出信號進行倍率處理，提高了反饋回路的分辨率。指針在多圈連續(xù)指示時能反應1°的位置變化。
本發(fā)明能夠接受電壓、電流、熱電偶、熱電阻等多種形式的信號輸入；還可以通過通信接口將數(shù)據(jù)實時傳送至上位機，由上位機軟件對數(shù)據(jù)進行有效的分析、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為本發(fā)明的一種實施情況；
圖3為本發(fā)明采用兩片單片機的實施情況；圖4為本發(fā)明表盤部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明表盤外形示意圖；圖6(a)表示控制信號變化過程，圖6(b)表示系統(tǒng)響應曲線；圖7(a)表示光電碼盤輸出信號處理，圖7(b)表示處理后對應脈沖信號。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖解釋本發(fā)明的具體實施方式
。
圖2表示了本發(fā)明的一種實施情況，其中單片機作為信號處理器。在這里，我們用到了單片機的總線操作功能、口線輸入輸出功能、邏輯判斷能力和運算功能。單片機讀入由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換而來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的處理之后得到輸入信號的測量值。單片機把這個信號送至顯示單元顯示，送到Flash存儲器存儲。同時單片機讀入可逆計數(shù)器的值，了解反饋信號的大小。將反饋信號與輸入信號進行比較，通過積分逼近的控制算法后輸出控制信號。控制信號經(jīng)過D/A、放大、隔離、功率放大后驅(qū)動電機。通信接口可以讓單片機與上位機進行聯(lián)系，當上位機發(fā)出指令后，單片機通過通信口將Flash存儲器中的數(shù)據(jù)傳送至上位機，由上位機實現(xiàn)圖、表輸出等功能。鍵盤的使用可以完成對整個系統(tǒng)的設置，時間標定等等。
圖3表示本發(fā)明采用兩片單片機的實施狀況，一號單片機Aduc836與放大電路、交流伺服電機、光電碼盤和脈沖處理電路一起構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號經(jīng)過調(diào)理電路后輸入到一號單片機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)生的反饋信號相比較，通過一定的控制算法，由單片機集成的D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制信號，對控制信號進行前端放大、光電隔離、功率放大單元后驅(qū)動交流伺服電機，帶動指示指針旋轉(zhuǎn)。由于普通Flash存儲器的存儲速度相對較慢，為了不影響閉環(huán)系統(tǒng)的控制效果，Aduc836通過SPI接口把對輸入信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的采集結(jié)果送至二號單片機89C51。對Flash存儲器的寫入操作、數(shù)據(jù)顯示、人機對話、數(shù)據(jù)通信等功能皆由二號單片機89C51完成。
圖4表示本發(fā)明表盤部分的一種結(jié)構(gòu)，其中交流伺服電機1和表盤4均由支架2固定，電機軸旋轉(zhuǎn)帶動光電碼盤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明指針指示的位置；按鍵主要用來完成一些人機接口工作，如調(diào)零等。
設輸入信號為4-20mA，指針滿量程旋轉(zhuǎn)4圈。圖6(a)、(b)給出了一個輸入8mA階躍信號時控制信號的變化過程以及系統(tǒng)的響應曲線。由圖(a)可以看出，控制信號是一個等間距、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)；整個系統(tǒng)的上升時間主要卻決于電機本身的轉(zhuǎn)速，沒有超調(diào)量和震蕩過程。
光電碼盤輸出信號處理及結(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，設其為A、B兩相。當碼盤順時針轉(zhuǎn)動時A相超前B相，反之則B相超前A相。如圖7(a)所示，將A、B兩相信號相反，得到相位差別分別為90°的四路信號，然后對每一條路信號都進行微分處理?？梢钥吹剑珹、B兩相信號的上跳沿和下跳沿都被作為有用信號加以了利用，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兩相信號之間的相位關(guān)系可以用來判斷碼盤轉(zhuǎn)動的方向。利用一定的門電路可以得到兩列脈沖，分別對應碼盤的順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)，如圖7(b)所示。將這兩列脈沖分別連接到Aduc836的計數(shù)器T1，T2，將兩計數(shù)器的計數(shù)值相減就可以得到電機當前的角位移。如果計數(shù)器記數(shù)溢出則產(chǎn)生中斷，此時記錄下兩個計數(shù)器的差值為基數(shù)值，并將兩個計數(shù)器一起清零，以后兩計數(shù)器的差值加上基數(shù)值就是電機所處的位置。
權(quán)利要求
1.一種帶指針指示的數(shù)字顯示記錄儀，包括電信號連接的信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、放大電路以及與信號處理器電信號連接的閃存Flash存儲器，其特征在于(1)所述放大電路由依次電信號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驅(qū)動交流伺服電機、后者連接并可帶動光電碼盤和指針旋轉(zhuǎn)；(3)光電碼盤輸出信號依次經(jīng)脈沖處理電路和可逆計數(shù)電路送入信號處理器，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、信號處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路的功能集成由微計算機完成。
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算機包括兩片單片機，其中一號單片機將由其集成的A/D轉(zhuǎn)換電路采集的輸入信號與來自所述反饋回路的信號相比較，通過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，并通過串行外圍設備SPI接口將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的輸入信號送至二號單片機；二號單片機完成對閃存Flash存儲器的讀寫操作、鍵盤顯示并連接通信接口。
全文摘要
帶指針指示的數(shù)字式顯示記錄儀，屬于自動化儀表、顯示記錄儀，解決既要準確顯示、記錄參數(shù)大小變化，又要正確反映參數(shù)變化趨勢，便于直觀了解的問題。本發(fā)明包括電信號連接的信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號處理器、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；交流伺服電機帶動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數(shù)電路送入信號處理器、構(gòu)成反饋回路。本發(fā)明能夠接受電壓、電流、熱電偶、熱電阻等多種形式信號輸入，同時具有數(shù)字顯示記錄和多圈模擬指針指示兩種顯示方式，還可以通過通信接口將數(shù)據(jù)實時傳送給上位機，滿足了生產(chǎn)和用戶需求。
文檔編號G01D11/00GK1544887SQ200310111459
公開日2004年11月10日 申請日期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 申請人:華中科技大學