毕业设计（论文）气柜检测仪设计

1、第一章绪论第一节 引言煤气供应站的大型煤气贮柜（简称气柜）的气位高度和贮量检测前，国内使用最原始的目测法，干式柜柜顶的线位移用纯机械的方法转换为角位移，然后用钟式指针显示气位高度，而湿式柜是往复式旋转升降，用柜上事先标示的彩色线条目测其高度，值班人员再将目测结果用专用电话通报到煤气公司的总调度室。调度室根据各站点的数据进行气量的配送，由于检测手段的落后，不仅检测误差大，而且经常发生因气侯和值班员的责任心不强，造成生产和供气事故。近几年，国内各大城市的煤气公司虽然也试用了一些自动检测装置，但因气柜检测技术要求的特殊性均未能达到现场运行的要求，气柜检测的要求是：1、工作现场属易燃易爆场合，检测仪表

2、必需是本安或隔爆式；2、能适应一年四季全天气侯条件的运行；3、干式柜和湿式柜均适应：4、传感器结构简单于现场安装且运行可靠，并能达到较高精度。 由是可以看出，煤气气柜检测仪表的研制关键在易燃易爆场合而又有较高测量精度的位高传感器和信息处理系统；二是电路设计是充分考虑防爆的要求。 电位器式位移传感器广泛应用于线位移及角位移测量，如液位，料位，气位等。然而当今电位器的精度量高为百分这几。这在小位移测量中已能满足要求，但在大位移测量中所产生的误前差却是难以接受的，面进一步提高传感的精度将会给制造工艺带来麻烦。在文献一中，提出了双电位器的精度式传感器扔技术，文中提出的双电位器式传感受器给大位移测量拔术

3、带煤气供应站的大型煤气贮柜（简称气柜）的气位高度和贮量检测前，国内使用最原始的目测法，干式柜柜顶的线位移用纯机械的方法转换为角位移，然后用钟式指针显示气位高度，而湿式柜是往复式旋转升降，用柜上事先标示的彩色线条目测其高度，值班人员再将目测结果用专用电话通报到煤气公司的总调度室。调度室根据各站点的数据进行气量的配送，由于检测手段的落后，不仅检测误差大，而且经常发生因气侯和值班员的责任心不强，造成生产和供气事故。近几年，国内各大城市的煤气公司虽然也试用了一些自动检测装置，但因气柜检测技术要求的特殊性均未能达到现场运行的要求，气柜检测的要求是：1、工作现场属易燃易爆场合，检测仪表必需是本安或隔爆式；

4、2、能适应一年四季全天气侯条件的运行；3、干式柜和湿式柜均适应：4、传感器结构简单于现场安装且运行可靠，并能达到较高精度。 由是可以看出，煤气气柜检测仪表的研制关键在易燃易爆场合而又有较高测量精度的位高传感器和信息处理系统；二是电路设计是充分考虑防爆的要求。 电位器式位移传感器广泛应用于线位移及角位移测量，如液位，料位，气位等。然而当今电位器的精度量高为百分这几。这在小位移测量中已能满足要求，但在大位移测量中所产来突破，并获得国家实用新型专利运该双电位器式位移传感器，王惠秋老师曾在1997年研制出一种“煤气高度贮量检测仪表”，经过两年多的试运行，发现存在以下问题：1、测得的高度在两电位器的“不

5、同步度”（详见本论文第二章）周围环境干扰稍大时，就很容易发生“越区“现象，产生很大误差，给出错误提示。2、在电路和变压器的设计上，未考虑防爆问题。3、电路不够简单；这些严重影响了该问题的推广应用，针对以是问题本论文主要对该仪表进行改进，研制出wwz2型物位贮量显示仪。其优势主要体现在以下方面：1、针对双电位移传感器影响了该仪表的推广作用，本论文在不改变传感受器结构的前题下，提出一种实现起来更为简单的判区算法，软件的方法去除了粗、精电位器的“不同步度”及大干扰的影响，从而采用防止越区事件的发生，同时采用效的滤波方法，进一步提高了测量的精度。2、在变压器设计上，按照国家防爆电气设备标准充分考虑防爆

6、孤要求，采用隔离等办法达到了煤气简测的防爆标准。3、在电路设计上，采用先进的集成度和精度均较高的芯片简化电路结构，同时考虑防爆要求，在现场信号采集和信号处理部分采用光电隔离，不公使系统硬件电路大为简化，提高了精度，同时又能达到防爆要求。实验证明，该仪表结构简单，传感器安全方便，性能安全可靠，对周围环境条件要求不很严格，测量精度高，值班员可以在仪表室监视气柜的高度，贮量仪表本身也可以通过专用电话线或无线数传机向煤气总站伟传送相关数据，可实现生产调度的自动化和信息化。该仪表的研制填补了国内在煤气气柜检测方面的一项空白。将对我国煤气生产，供应，管理，安全等方面具有深远意义。第二节 总体功能及技术指标

7、一、整机功能本气柜检测仪表具有如下功能：1、直柜和旋转柜的高度检测和显示；2、直柜和旋转煤气贮量检测和显示；3、气柜高度和贮量超限报警；4、双电位器传感器的粗、精电位器阴值的实时显示；5、高度值或贮量转换成4-20ma电流值输出；6、将检测到的气柜信息通过串行口有线发送给中心主机（即总站）；7、根据量和范围，可通过软件选择合适分辨率（mm或cm）；8、具有以下设定功能：1) 通过按键对上、下限报警高度值设定；2) 通过按键对粗、精电位器阻值调满；3) 总站主机通过通信线路对上、下报警值设定；4) 总站主机通过通信线路对粗、精电位器调满；5) 按键设定正常显示内容，包括高度、贮量，粗电位器和精电

8、位器的实时数据。二、主要技术参数1）测量范围：065m;2）分辨率：根据量程，可为mm或cm;3）粗、精电位器满度值2k;4)报警高度上限设定最大值：65m;5报警高度下限设定最小值：0 m;6）工作温度范围：传感器：-50-+70 显示仪：0-50；7）整机误差：0.025%8)rs232或rs485传输波特率9.6kb或其它;9)420ma电流输出线形度为约0.12%，负载能力0-500;10）信息传输误码率小于0.1%.第二章 传感器原理及旋转柜数学模型第一节 双电位器式位移传感器工作原理及数学模型211双电位器位移传感器工作原理（详见文献1）双电位器式传感器其基本工作原理（如图（2-1

9、）近似于电度表，时钟及码盘等。它主要由粗、精两只电位器和变速机构构成，两只电位器的最大阻值分别记为rmax和rmax，其中精电位器为一可旋转的圆形电位器，其阻值随它的旋转呈周期变化。两只电位器经两个变比为n的齿轮咬合。被测位移机构推动精电位器作周而复始的变化，精电位器的变化经齿轮推动粗电位器阻值做相应变化，记最大位移量为smax,位移每变化,精电位器变化一周，粗电位器变化。若某一时刻两电位器的阻值分别为rx和rx，实际上我们取rmax=rmax，由图2-2可以看出，该时刻总的位移量sx与rx和rx有一一对应关系。其大小取决于精电位器转过的圈数i和精电位器的电阻值读数rx。即有：sx=i*+*

10、=i*+k*rx 其中k=*；k为精电位器电阻值每欧姆代表的位移量（mm/），精电位器转过的圈数i可由粗、精电位器阻值rx和rx，判出（其方法详见下文）。由些可见，只要测得rx和rx的值即可算出总位移量sx。2.1.2精电位器转过圈数的计算方法首先将某一时刻粗电位器的阻值rx(此处及下面所述的rx和rx均指经单片机系统采集计算得的值)对做求整求余运算，得：rx=i*+r余 (2.1.2)其中：i为整数； r余为余数部分；实际运用时我们取rmax=rmax，在理想情况下，由该传感器的结构可知，i等于精电位器实际转过的圈数，并有r余=。但由于每只电位器本身存在非线性误差，长期使用电阻线的磨损及引线

11、电阻（含接触电阻），另外测量过程中电磁干扰等因素均影响致使单片机采集到的电粗、精电位器阻值，使其偏离粗、精电位器所对应的理论值，我们称其为不同步。测量结果的处理方法就不能象电度表、钟表等纯机械系统那样简单。如上所述，由于实际上单片机采集到的粗、精电位器阻值存在不同步现象，这就会导致当精电位器实际转过i圈时粗电位器的读数小于i*或大于等于（i+1）*，此时就会出现由粗电位器数值经（2.1.2）式算得的i不为精电位器实际转过圈数，同时也会有r余。为保证测量的精确度，需要对由（2.1.2）式求得的圈数i进行修正。考虑到上述因素的影响，我们可以选择合适的变比n使粗电位器的这种不同步（相对于精电位器来说

12、即以精电位器的阻值在粗电位器上的对应值为参考值）误差小于*，不同步度越小，n值可选的越大。以下就以该条件为前提讨论由（2.1.2）式算得的精电位器转过圈数i的修正问题。用i实表示实际上精电位器转过的圈数，r表示由精电位器实际转过的圈数i实和精电位器的阻值rx计算得到的粗电位器的理论值，由该传感器系统的结构可知：r=i实*+ （2.1.3）由于系统存在一个小于*的不同步误差，故表现在宜电位器的理论值r和实际的读数rx上即为如下关系:| r - rx|* (2.1.4)将(2.1.2)(2.1.3)两式代入(2.1.4)得:|实*|即 -实*-由于r余易知 即 -r余下面的不等式（2.1.6）分三

13、种情况进行讨论：1）：当-：不等式（2.1.5）式可化简为：（将不等式（2.1.5）左端取最小值，右端取最大值，扩大了（2.1.5）式的范围，下同）0（i）*即 0i由于i为整数，所以有：i=1,即i+1;2）当-: 不等式（2.1.5）式可化简为： - 即 -1i1 由于i为整数，所以有：i=0，i；3）：当：不等式（2.1.5）式等到效为：-i)即 -i0由于i为整数，所以有：i=-1,即i-1;由上南的分析可知，在粗、精电位器阻值的相对不同步误差小于，精电位器实际转过的圈数和由粗电位器读数求得的圈数之间存在确定的对应关系，而当误差大于这个值时，很明显将会出现i之间存在不确定的关系。这就是

14、我们确定最大允许不同步误差范围的依据。实际上这样大的容差范围已远可满足该系统的需要。综上所述，在容许系统存在一个粗当大不同步误差的情况下，我们何证了被测位移区间即精电位器转过圈数判断的正确性。传感器电阻值测量接口电路及计算方法详见第三章硬件部分。2.1.3 误差分析由2.1.1式可得： sx=由前文所示的方法，已完全可以保证sx=式中-精电位器转过圈数测量误差； rx精电位器阻值误差；sx总位移误差； -位移的相对误差。由2.1.8式可以看出,在电位器精度保持不变的前提下,采用双电位器式传感器和本处理算法可以将系统的测量精度提高n倍。2.1.4传感器的安装调试及运动调试传感器的安装结构示意图如

15、图2-3所示,传感器的整体结构除了粗、精电位器外，还有变速机构，连轴节等其他辅助元件。传感器在使用前心须检查并校准电阻零点。方法：使粗电位器的阻值为0时，精电位器的阻值也为零。若不为零，松开连轴节，将粗精电位器都调至零再拧紧连轴节。rr12341 精电位器 2 变速器 3连细节 4 粗电位置 图 2-3 传感谢器结构不意图在上面已经详细的讨论了位移传感器的原理，以及从传感器的电阻值到位移之间的关系，从中我们可以看出该转换数学模型已经在很大的干扰范围内保证了量的精确度，但是我们也可以看出，测量的位移值与精电位器的阻值存在的直接关系，当精电位器的外，粗电位器的测量值对结果也有间接的作用，由于电位器

16、期使用磨损，其电阻值会漫漫偏离设计的标准值，使测量不准确。为尽量减小两位器的“不同步度”和测量的精度、应对测得得的两电位器的阻值进行“软”调使其总是等于设计时的标准值。用rs表示粗电位器的满度标准值，rs表示某一位置处粗电位器的标准值，rs表示用过一段时间表后的满度值。rc用过一段时间后的该处实际电阻值易知：rcrs；且任一位置的标准电阻值与实际值成正常比关系。即：rc=n*rsrc=n*rs其中n为比例因子。精电位器也具有同样的关系。由上式可知，在运行时只要根据满度时的实际满度值计算一个比例因子，然后其他地方的电阻都乘以该比例因子，就要求以补偿该误差。故该因子可以称为补偿比例因子。程序中的具

17、体实现是：先将电位器调至某位置，然后软件检测其值，若不够该处的标准值，则通过三个键即或确认键，移位键和加1键将其显示并调至标准值，软件计算一个比例因子并保存，以后计算就乘以该比例因子。这样就可充分保证传感器磨损的情况下不影响测量的精度。第二节 煤气气柜的数学模型通用的媒气气柜有直升降式两种，对于直升式媒乞乞柜，气柜的高度即为测得的绳长，而对旋转式煤气气柜，由于绳长随罐的旋转升降，故高度并不等于绳长，而是存在一定的对应关系，下面就对旋转柜的结构进行分析进而得到绳长和气柜高度之间的关系。2.2.1 旋转式煤气气柜的结构旋转式煤气气柜的整体结构如图 2-4 所示，整个气柜是由n节旋转上升的气柜组合而

18、成，最底节固定节，高度一定，上升时，第1节先上升，然后依次上升第2节直到第n节，而下降时则相反，即第n节先下降，第1节最后降，每节的上升过程或下降过程相对于其上下两节均为反向，即若第i节正向旋转至最大高度，则第i-1节相对第i节反向旋转最大高度。每节旋转过程的平而展开图如图2-5所示。实际上使用的煤气气柜的每节均是以45度角旋转上升的，即有时该节的上升到最大高度，图中对应的弧长，最大上升高度与最大旋转角度之间的关系为： （2.2.1）其中： 的单位为弧度；则任意时刻的高度和旋转过的弧度与旋转角度和该节的直径关系为： 即 （ 2 . 2 . 2 ）将2.2.1带入2.2.2得： （ 2 . 2

19、. 3 ）为保证在气柜旋转过程中，绳不紧缚于气柜上，即当气柜旋转到最大角度时绳和气只相切实与一点，则绳的活动端到中心（即或绳的最大的旋转半径）应大天所有节中最大的气柜外径，旋转柜过程的侧视图如图2-7示，气柜俯视图如图2-6所示，a，b两点为绳的两个固定点，r为各节约中半径的最大值，为各节可旋转角的最大值，r为绳的旋转半径，由图中可以看到出，r r和之间的关系为： （ 2 . 2 . 4 ）我们选绳垂直时绳和柜的中心线组成的平面为一固定期的参考平面，旋转上升过程中某一时刻绳相对于参考平面转过了一个角度则此时得绳长与总结上升高度及旋转角度之间的关系为： （ 2 . 2 .5 ）假定正在上升的为第

20、i节，则有： 令 则 （ 2 . 2 . 6 ）其中第i节的上升高度。令 则 （ 2 . 2 . 7 ）将2.2.2式代入2.2.7得： （ 2 . 2 . 8 ）将2.2.6和2.2.8代入2.2.5得 （ 2 . 2 . 9 ）由上式可以看出，间是一个分段对应函数关系，式中当总高度逐渐增加时，由于不是一个递增或递减的变量，故并不一定随高度的增加而增加，即可能出现不同的高度对应同一个绳长，由于在单片机检测系统中我们检测到的是绳长，然后通过查表得到对应的高度，所以为得到正确的高度，我们应保证绳长和高度之间是一一对应关系。这使高度和绳长之间是这种对应关系，可以通过增加架设高度（人为增加绳的未端在

21、顶节的架的架设位置）来达到，图2-8是在不同的架设高度下的对应关系图。从图中可以看出，架设高度越大，绳长和气柜高度间的单值对应关系越好即高度随绳长变化为所附软盘中的文件htol.m。图中，四条曲线代表的旋转模型队假设高度外其他参数均相同。四条曲线由下到上不断增加假设高度，由图中可以年出，当架设高度较小时，出现多值现象，而当将架设高度增加到一定值时，无多值现象。第三章 系统硬件部分第一节 系统硬件整体原理框图本检测装置可对干、湿气柜的高度和贮量进行实时测量、显示及远程通信。整个硬件系统设计中最主要的部分有：变压器防爆设计，防爆电路和其他电路的隔离设计（包括电路和pcb板布置），通信，硬件抗干扰等

22、。图3-1为本系统的工作原理图。本检测系统的硬件部分可分为两大部分，即以传感器接口检测电路及a/d与d/a转换为主的模拟部分和以89c55芯片，该芯片除在基本功能及指令上和51系列的其他芯片一样（具有256字节的ram，2个定时器等）外，它内部还包含有20k的eeprom，由于内部集成有20k的程序存储器，另外孙女考虑到该系统运行过程中需要保存的数据少，计算占用的内存不大，为尽量减小系统的复杂度该系统设置外部rom和ram，需要长期保存的数据比如粗、精电位器的电阻调节系数及报警上、下限设定值则保存在外围芯片x25045内，该芯片内部具有512字节约的eeprom，同时还兼做看门狗。该系统的硬件

23、结构主要包括以下几个模块：1. 传感器接口电路；2. a/d转换；3. led显示；4. v/i转换；5. 串行通信转换电路；6. 报警电路；7. 电源；8. 微处理器。在以下章节里详细分析每一模快的原理及具体实现电路。双电位器位移传感器图4-1整机硬件框图 传感器接口电路电源系统 a/d转换器tlc2543接口电路pc机 232/485转换光源隔离621 键盘接口电路232接口电路（adm202e） 斯密特整形器74ls14 9 8 c 5 5反向驱动器74ls04反向驱动器74ls04 25045看门狗接口电路mlax219led驱动电路光电隔离113 光向隔离512 反向驱动器74ls1

24、46位led数码显示报警电路r d/a转换 v/i替换电路第二节 硬件的选择与原理3.2.1 前向模拟通道1：传感器接口部分气位的变化通过机械结构带动双器式位移传感器随之变化，输出的是电阻值的变化，进而得到位移量，需将电阻值转换为可供直接检测的电压量或电流量，这里我们将功赎罪其转化为电压量。为得到两电位器的阻值，至少需要测两组对应的电压值，但由于传感器安装现场距仪表室有很长的距离，引线电阻带来很多误差，为提高测量精度，引线电阻的影响不可忽略。考虑到引线电阻及基准电压源小波动带来的影响，我们采用如图3-2所示的接口电路。图中：rs为引线电接口电路；为传感器中粗电位器的阻值；为传感器中精电位器的阻

25、值；由图3-2可以得： （ 3 . 2 . 1 ） （ 3 . 2 . 2 ） （ 3 . 2 . 3 ） （ 3 . 2 . 4 ）为简化计算，实际上我们取：则有： （ 3 . 2 . 5 ）令： （ 3 . 2 . 6 ）将3 . 2 . 1 ， 3 . 2 . 2 ，3 . 2 . 3 ，代入3 . 2 . 6 得： （3 . 2 . 7 ）则有： （ 3 . 2 . 8 ） （3 . 2 . 9 ） （3 . 2 . 10 ）由3 . 2 . 9 得： （ 3 . 2 . 11）由3 . 2 . 10 得： （ 3 . 2 . 12 ）由3 . 2 . 11 得： ( 3 . 2 .

26、13 ) 令 （ 3 . 2 . 14 ）将式 3 . 2 . 1 ，3 . 2 . 2 ，3 . 2 . 3 ，3 . 2 . 7 代入3 . 2 . 14 计算可得： （ 3 . 2 . 15 ）令 （ 3 . 2 . 16 ）将式 3 . 2 . 1 ，3 . 2 . 2 ，3 . 2 . 3 ，3 . 2 . 7 代入3 . 2 . 16 计算可得： （ 3 . 2 . 17 ）将 3 . 2 . 11 ，3 . 2 . 15 ，3 . 2 . 17 分别代入3 . 2 . 12和3 . 2 . 13 得： （ 3 . 2 . 18 ） （ 3 . 2 . 19 ）当我们侧得后，我们即

27、可由3.2.18和3.2.19算得粗、精电位器的电阻值并且由上述式子可以看出，只要我们在连接时保证4条同样长度，则此时引电阻不影响我们要测的粗、精电位器的电阻值。同时可以抑制基准电源的波动带来的影响。2：a/d转换器tlc2543与cpu的接口电路在该系统中，a/d转换和传感器接口电路属于防止爆模块，设计时考虑到应尽量减小防爆电路的复杂度，所以采用了解具有串行输出行功能的11路a/d转换器tlc2543。该芯片是12位开关电容逐次逼近模数转换器，它提供11路选通模拟输入。该芯片有三个控制输入信号，即片选信号cs，输入/输出时钟clk和地址输入端（data input）。这种结构使之可以通过串行

28、若无事或通用i/o口和主处理器或外围设备进行串行数据传输。该芯片具有转换速度快，且具有通用控制能力，另外，芯片内部具有14路复用器，可供选择外部的11路模拟输入和内部3路自测电压。工作时芯片内部可以进行自动采样保持。每次转换结束。eoc端输出一个由低到高的跳变以表明转换结束。在该系统中tlc2543与cpu的接口电路线如图3-3所示。由于该系统工作现场的条件比较恶劣，干扰因素比较多，另外考虑到煤气防爆的要求，在a/d转换器与cpu的确接口电路中加入了光电耦合电路，使两部分电路无电的连接，将输入信号即传感器一边的地方浮空，而cpu边的地接机壳或大地，这样可以避免现场干扰对单片机电源的影响，同时，

29、也避免系统出现故障时高压进入现场，引起爆炸事故。考虑到传输速率（不小于10k）及防爆系统耐压值（3000v）的要求，在该系统中先用东芝公司生产的tlp621，它具有最大600%，最小100%的电流传输比，工作速度为10k。耐压值5000v。另外考虑到防爆电路中爬电距离的要求，均采用单光耦。由于光电耦合器对传输的信号有延迟，并使脉冲号的沿变缓，而该a/d转换器对时钟信号沿有严格的要求，且其内部输入端无斯密特整形器，所以在信号经过光电耦合器需要进行整行，本系统中选用了具有斯密特整形功能的反相器74ls14。实际证明效果良好，由于光电耦合器的延时，在实际的程序中，我们向a/d送信号时，需要调用一个延

30、时，函数，实际上，我们取延时0.2ms，证明可以正确的完成a/d转换，此时的传送速率为5kb。3.2.2 后向通道1：数模转换部分这部分主要包括d/a转换器与单片机接口及v/i转换两部分，其电路原理图如图3-4所示。d/a转换用tlc5615，它是带有缓冲基准输入（高阻抗）的10位电压输出数模转换器，该dac具有基准电压两倍的输出电压范围，且dac是单调变化的，器件使用简单，用单5v电源工作。且具体有上电复位（power-on-reset）功能以确保可重复启动。tlc5615的数据和控制信仅用3线串行传输，它是cmos兼容的且易于和工业标准微处理器和微控制器相接。器件接受16位数据以产生模拟输

31、出，数字输入端的内部带有斯密特触发器，具有高噪声抑制能力，它的最大串时钟速率这14mhz。由于是后向早路与cpu采用了光电隔离，避免了外部设备对单片机的干扰，提高了解单片机运动行的可靠性。2：显示接口部分该系统中我们采用maxim公司推出的max7219串行led显示驱动器。max7219是串行输入共阴极显示驱动器，直接与微机串行口连，每片可驱动8个led数码管。片内有移位寄存器，b码译码器，多通道扫描电路，段和位驱动器，存储每位数据的8*ram等。用户只需对位和控制寄存器编程，就可选择译码方式，led个数，显示高度，关闭等一些功能。与单片机仅有三条线相接如图3-5示。3：串行口通信在系统对现

32、场监测过程中，为增强人机功能，需要将检测到的结果上传到pc机，这里我们采了解ps-485。单片机输油管出先将电平通过max202e芯片，转化为ps-232，然后经过一个232/485转换插头，和pc机进行通信。在此这里。我们使用了mx202e芯片作为ttl电平到ps-232电平的转换芯片。max202e是为在苛刻的环境下ps-232c通信设计的。每个驱动器的输入端和输出端都没有保护装置，确保受15v静电放（esd）冲击而不致闭锁。每片包括2个驱动吕梁和平2个接受受器。它的数据速率高达120kbps。为保证传输的数据的可靠性，在软件实现上，需要对接收的数据进行纠错。通信的传统输距离提高到1km.

33、4：报警输出部分报警输出部分主要有两个光耦和两个报警继电器组成，报警继电器采用单刀双掷开关，实现对气柜高度上下限的报警，超限或低限时，通过非门驱动光耦，光耦再驱动相应的继电器动作，输出开关接受点信号。报警电路如图3-6示。3.2.3电源模块该系统的传感器接口路部分工作在易爆场合，应满足本质安全型电路的要求，所以要电源供电上，让该模块的供电电源和其他电路隔开。电源模块的电路如图3-7所示。虚线以上的部分为本安模块的供电电源，在电路布线上，该组早源和其他两组电源距离均大于7mm，以防事故发生。第三节 硬件抗干扰措施3.3.1干扰的耦合方式干扰源产生的干扰是通过耦合通道对微机测控系统发生电磁干扰作用

34、的。耦合通道包括导线，空间和大地。按耦合的方式可以分为以下几种：1、直接耦合方式；2、公共阻抗耦合方式；3：电容耦合方式；4、电磁感应耦合方式；5、辐射耦合等等。3.3.2干扰的危害性各种电气干扰，以及系统结构设计，无件的选择，安装。制造工艺和外部环境条件等因素对测控系统的影响主要求表现在以下几个方面：3.3.3硬件抗干扰措施1：在电路中加入退耦电容数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流，并在传输线和供电电源内阻上产生较大的压降，并在传输线和供电电源内阻止产生较大的压降，使供电电压跳动，从而形成严重干扰。为抑制这种干扰，在电路中适当配置去耦电容。试验表明，电源尖峰电流可达40-50ma

35、，持续时间要求电源端电压跳动则有上式可以看出，通过在门电降线和地线端加接大约0.01uf电容可以有效提供和吸收集成电路瞬间充放电能量，减小冲击电流的影响，同时可一旁路掉该器件的耦合进入的高频噪声。另外在重要的信号线输入端加上去耦电容。也可以滤掉直接耦合进信号的高频噪声，例如图3.1中的电容c1等。2：屏蔽技术运用屏蔽技术可以将通过空间进行电场，磁场和电磁场耦合的部分隔离开来，割断其空间的耦合通道，屏蔽的措施主要是采用金属机壳，将测控包围起来。3：隔离技术隔离的目的是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来。本系统主要采要光电隔离的办法。在现场的信号检测部分和微机处理部分间，微机处理部分和电流输出

36、部分间加入光电耦合器，如图3-3，3-5中光电耦合器，由于光电耦合器的输入和输出在电气上是完全隔离的，输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在办入回路一侧。除此之外，由于光电耦合器的输入和输出回路之间有很高的耐压值，可达5000v，可以起到安全保障的作用。4：布线技术将微弱信号电路和易产生噪声污染的电路分开布线，本系统在布线上将数量字信号线和模拟信号梯级开发相对分开，电源线路和信号线分开，受现场影响较大的信号输入部分和处理部分分开。这样有效的减小相互之间的影响。另外，线条安排上。将公共地线和电源线画的尽量宽些，并让它们尽可能靠近需要供电的电路，减小电源线和地线的长度，这样可以减小电源线的地线的公共阻

37、抗，减小耦合干扰的发生。5：多组电源供电该系统在供电上三组独立电源供电，其中，传感器接口和a/d转换用一组电源，单片机系统及显示部分一组，电流输出部分及报警一组，各组电源有自己独立的地线，加上光线电耦合的隔离，这样极大的减小公共阻抗耦合带来的影响。6：接地技术将金属机壳接地，可以起到抑制变化电场干扰的作用。7：采用硬件看门狗技术本系统采用的是看门狗专用芯片x25045作为硬复位系统。它和cpu之间的连接如图3-8所示，它对微控制器提供了独立的保护系统，可以对该芯片内部状态寄存器的写来设置看门狗超时周期的时间内对芯片的片选信号cs输入一个下降沿，以复位看门狗定量器，当系统故障时，程序可能跑飞，在

38、大于超时周期时，如果不给出cs端的下降沿信号，看门狗将以peset信号做出响应，得位微控制器。另外，x25045的低vcc检测电路可以保护系统使之免受低电压状况的影响，当vcc低于vcc转换点以下时，也使系统复位。vccrst p1.5 p1.6 p1.7 p2.0 p2.1rstsicssosckwp 图3-8看门狗与cpu连接图第四节 防爆技术措施安装于危险场所的传感器属本质安全型（简称本安型）装置，安装在控制室的测控仪有虽然属于非危险场子所，但它与传感器之间有四根线连接，为确保整个测控系统的本安型，与传感器相关联的电路和供电必须是本安型的，根据电气设备防爆标准的技术要求，本系统采用如下的

39、防爆措施：3.4.1与传感器接口电路（简称本安电路块）1）：本安电路人和非路之间的信息传输采用光电耦合方式，其输入和输出之间的耐压值为5kv（有效值），片脚间距为7mm直接焊接到印刷版上，并绝缘化覆盖片脚和焊孔及焊点。2）：本安电路块与其他电路及固定螺钉（即机壳）之间的爬电距离均大于10mm。3）：本安电路块与其传感器的连接每条信号线输入端均采用双重化齐纳二极管保护。3.4.2 引线和后端子1）：本安路块在机内的引线与非本安引线和电气元件的空间距离均大于6mm。2）：俯表后的本安端子与非本安端子之间的爬电距离均大于10mm，并在外部高保护罩。3.4.3 防爆变压器防爆变压器的结构如图3-9所示

40、。变压器设计时的技术要求是：1）：本安电路块与非本安电路供电绕组分别绕在c型铁心的两侧；2）：非本安绕组按普通变压器绕制；3）：本安绕组与铁芯的绝缘强度要大于3kv（有效值）；4）：本安绕组与铁芯的爬电距离要大于10mm；5）：本安与非本安绕组，接地金属紧固件，以及铁芯之间的空间距离均应大于6mm；6）：本安绕组输出，0-220v输入均设置一只容量适宜的保险丝；7）：本安与非本安绕组的引出线均用高强绝缘胶软线，绝缘胶的耐压应大于2kv（有效值）。本安线圈的剖面图如图3-9示，变压器的机构图如图3-10示。其中聚酯薄膜和绝缘纸每层耐压6kv。第五节 系统子程序模块3.5.1一阶差分滤波子程序一阶

41、差分滤程序主要对付计算得到的高度值进行滤去除大的干扰影响，当以现实际采集值偏离估计值过大时，用估计值代替实际采集值，以最大限度的减小干扰的影响。其主要原理见第4节反抗干扰部分，其程序流程图见图书4-2。其中表示由前两个位移测量值估算出来的确当前位移值，为当前测到的实际位移值。为一丰对误差参数。3.5.2 键盘查询服务程序本系统只有三个按键，用来实际位移，粗、精电位器值，上下限报警位移值的显示及粗、精电位器值调整数参数和上下限报警位移值的设定。按键采用查询方式，采用定时器0定时，每隔一定时器产生中娄时，查询一次按键，如果有键按下，则根据按键判断调用显示或参数设置程序。图4-4为其程序流程框图。图

42、中：enter代表回车键（确认）按下的次数；add代表某位加1后的结虹；shift代表移位键按后进行加操作的位极人臣数；change代表是否对显值进行了加操作。3.5.3通信子程序在该系统中通信采用psc-232/485接口和上位机的串行口进行通信。单片机系统为下位机，pc为上位机，上位机给下位机发送命令，下位机根据主机的命令发送目前的气柜的高度，粗、精电位器的阴值以及上下限报警设置，并且上位机可以设置这些值，并发送给下位机，下位机根据这些值，来修改粗、精电位器的阻值系数及上下限报警值，并保存入watch-dog内eeprom中。通信程序的调用采中断方式，由于rcs-232/485通信易于受到

43、干扰，传输的误码率相对较高，为保证通信的正确率，减少事故发生，需要对传输的数据进行校验，在该程序中使用了校验和方法，当发现通信错误时，给出提示，要求重发，另外下位机采用串行口的传输模式1，即8位数据1位起始停止位，波特可为9600或其他。单片机部分的通信程序流程图见图4-5，上位机部分的通信采用dos下的c编程，直接对串行口进行控制，其流程图见图4-6。第六节 软件抗干扰措施4.6.1软件抗干扰重要性及测控制基本要求在微机测系统的现场运行环境条件恶劣，干扰严重。且窜入微机测控系统的干扰，其频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件抗干扰，伯会有一些干扰侵入系统。不仅对输入信号叠噪声影响测量精度，而且

44、更为严重的是当干扰侵入cpu，修改pam内的数据，使程序无法正常运行，因此除了要求硬件的高性能和高抗干扰能力外，还需要软件系统的密切配合，即同理采用软件的高性能和高性抗干扰能力外，还需要软件系统的密切配合，即同时采用软件抗干扰措施。测控系统对软件的基本要求主要有：易理解性、易维护性、突时性、可测试性、准确性和可靠性。基中可靠性是测控软件最重要的指标之一，这就要求：1）：当运行参数环境发生变化时（如温漂，磨损消耗等），软件都能可靠运行并给出下确的结果，也就是要求软件具有自适应性。2）：工业环境及其恶劣，干扰严重，软件必须保证在严重干扰情况下也能可靠的运行，这对测控软件尤为重要。综上所述，软抗干扰

45、主要分为两个部分的内容：1）：通过软件的设计对采集到的信号直行处理，最大限度的抑制输入通道上各种干扰带来的不利影响。2）：当软件受到干扰的影响进入死循环或乱飞，无法正常运行时，采取措施使程序纳入正轨，如软件冗余，软件陷阱，看门狗技术。下面分两个部分来讨论在本系统中采限的软件抗干扰措施。4.6.2软件对输入信号叠加干扰的抑制在本系统中输入信号的干扰主要输入模拟通道上信号在传输过程中引入噪声干扰，造成测量误差。输入模拟通引入噪声误差主要有随机噪声干扰和工频信号干扰。针对这两个方面引艳情的误差该系统的软件部分主要采限了两种滤波方法，平均值滤波和一阶差分滤波。1：平均值滤波由于工频信号是50hz， 抵

46、消工频信号在最大值和最小值处对有用信号的干扰，对同一个输入信号，连续采集偶数次，每次采集时间间隔为10ms的奇数倍，这样保证采集的数值中工频信号的最大值和最小值的数目一样，在求平均值时恰好可以完全相互抵消。考虑到测量的实时性要求，该测量软件中连续测量6次，每次时间间隔10ms。而对于精电位器对应的电压，由于在缺口处电阻变化的不连续性，会出现采集的6个数值分布在缺口两侧，这时求平均，将会得出错误的结果，此时可根据最大值和最小值的差，来判断是否位于缺口处，如是，则此次采集的值不求平均。由于噪声干扰的随机性，为防止将某一大干扰平均到最终结果中，影响测量精度，对上述采集的6个值去除最大值和最小值，只对

47、4个中间值进行平均。这样不仅可以最大限度的减小了工频信号的影响，同时对尖脉冲大干扰也有很好的抑制作用。2一阶差分滤波上述的措施虽然在很大的程度上消除了工频干扰和尖脉冲干扰，但当大干扰持续时间较长，去除最大值和最小值后仍可能有大干扰滞留在有用信号中，致使结果偏离正常值很多。由第二章分析的双电位器式位移传感器的原理可知，这种电位器的同步度有一定的要求，即测得的粗、精电位器的折算阻值的不同步误差不能大于等于精电位器满度阻值的一半，其最终位移的计算就是基于这一前提的。而当大干扰影响，致使这个“不同步度”大于这个界限值时，就会使判区不准，发生越区现象，这就使测量值远远的偏离了正常值，这个测量值也虚假值。

48、结果不堪设想。下面就介绍一种滤波方法-阶差方法，分折其原理并给出在该系统的使用方法。一阶差分法的基本思路是：根据已采集的数据可得到数据的变化趋势。据此可计算下一时刻测量值的预估值应相差较小。当有大干扰影响或发生越区现象时，使测量远远偏离理想测量曲线的走向走向趋势，预估值和测量值就会有较大的偏差，当该偏差大于一个确定的适当阀值，就认为该测量值为一虚假测量点，而预估值来代替测量值。一阶差分原理及使用步骤如下：表述中的s（j）为第j个时刻测得的位移值。s(j+1)为后一时刻的位移值；s(j-1)为前一时刻的位移值；其余依次类推。一阶差分的提出基于这样的假设；在足够小的时间段内的几个连续采样值的间隔应

49、相差很小，如图4-7所示，在采样频率大于物理量变化变化的最高频率的前提下（即满足香农定理）有：可见第j时刻位移量的预估值（j）可由前进两个时刻的位移值求得：s（j-1）-s(j-2)由于实际上在两次采样间隔内（is）左右，位移量变化一般远小于，这样可以根据实际情况先设定一个合适的阈值，对实际测量值s（j）和预估值进行比较，若则认为有大于扰影响，发生了跳区现象，要以预估值替代当前值,否则若差值小于设定的阈值,则认为无跳区现象,则认为无跳区现象发生,维持现值.这里的关键问题是要根据实际情况确定合适的阈值,下面分情况况讨论具体实现办法.(1):如果特殊影响因素作用时间过长,就可能出现连续有几个测量值

50、需要替代的情况,而在这样长的时间里实际上位移变化量就有可能超过疫定的阈值,再继续替代就会引起更大的误差,这时就要以测量值替代预估值,再继续检测.这里的关键问题是根据外在的干扰情况确定最多连续替代的确良次数m。（2）：初始采集值的处理办法：由于被测数据的相对连续性，如果初给三个采集点处均无大的干扰影响，没有跳区现象出现，设定一些个合适的阈值1，则应有：（4.4.2）否则，认为有干扰或跳区现象发生，应继续检测，直到满足要求后，再确定初值。上述的一阶差分有效地又去了时间较长的大干扰影响，避免了越区现象的发生，而前面的平均值法又有效的抑制工频周期信号和短时间尖脉冲的影响，两种方法结合起来，就可以充分的

51、保证了测量的精度，现场运行效果良好。4.6.3软件本身的抗干扰前面已经提到，干扰窜入微入微机系统作用于cpu时，可以破坏程序计数量器pc的状态，使程序从一个区域跳转到另一非法的区域，或者程序在地址空间内“乱飞”，或者陷入循环，对于这类严重的干扰，采取了以下的措施：1：指令冗余在双字节指令和平三字节指令之后插入两个字节nop指令，可以保证其后的指令不被拆散，另外对程序其关键作用的指令（如ret，reti，acall，ljmp，jz，jnz，jc，jnc，djnz等）和某些对系统的工作状态其重要作用的指令（如setb，clr等）之前插入两条nop指令，可保证乱飞程序迅速的纳入轨道。另外，对程序流向起决定作用的指令（如ret，reti，acall，ljmp，jz，jnz，jc，jnc，djnz等）可重复写上这些指令，以保证这些指令的正确执行。由上可以看出，软件冗余技术使pc纳入正轨的条件是：跑飞的pc必须指向程序运行区，并必须执行到冗余指令。2：软件陷阱技术当“乱飞”程序进入非程序