手操器的设计

手操器的设计

1手操器的工作原理手动操作器是自动仪表的辅助单元。它的主要用途是与不带手动操作装置的调节器配合使用,实现从自动到手动或手动到自动的无扰动切换。也可在调节器出故障时或系统投运时,利用它对调节器的负载进行手动遥控。它的工作原理,就是当调节器由自动切换到手动以后,自动电流就不通过负载。改变手操器的输出电流,负载电流相应改变,同时向调节器提供手动电流,用以调节器跟踪手操器,做到无扰切换。手操器以89S51为核心,有两路模拟信号输入通路、两路模拟信号输出通路和两路交流开关信号输出。由A/D转换、D/A转换、显示、开关量输出和看门狗电路等组成。A/D转换器接受来自调节器的电流信号(4～20mA),D/A转换器输出(4～20mA)电流信号驱动电动执行单元。2a/d转换方案输入手操器的4～20mA模拟信号先经过I/V转换,变成1～5V的电压信号,再进入A/D转换器ICL7135。ICL7135具有4位半的精度(相当于14位二进制数),属于双积分型。在本方案中,ICL7135的时钟输入是利用单片机的系统时钟经4分频得到的,即2MHz。一次A/D转换可以分成4个过程。A/D转换电路图略。2.1充电电压偏移量的测定基准电压电容C31充电至基准电压,零点校正电容C34充电电压用来补偿由缓冲器、积分器和比较器产生的电压偏移。这个偏移量是由系统噪音产生的,经此校正被限制在10μV之内。这个过程需要10001个时钟周期。2.2计算过程积分电容C33通过积分电阻R153充电,积分过程需10000个时钟周期。2.3反之亦然处积分电容C33放电,放电时间长短(已转换成计数值)与输入电压成正比。其最大计数值为20001个。2.4积分器输出电压摆动幅和积分电容c大概100～200个时钟周期。积分电阻R153与量程有关,应选择精密电阻,其值由下式决定:R153=满量程电压值/IINT式中:IINT-积分电容充电电流,一般为20μA。在本方案中,满量程电压设计为2V,因此R153选做100kΩ。积分电容的计算公式为:C33=10000×1fCLΚ×ΙΙΝΤ积分器输出电压的摆动幅值C33=10000×1fCLK×IINT积分器输出电压的摆动幅值由于ICL7135采用CMOS工艺,所以积分器输出电压的摆动幅值选4V,此时应取的电容值为:C33=10000×12×106×20×10-64=0.025μFC33=10000×12×106×20×10−64=0.025μF在实际应用中考虑到可靠性,应使积分器的输出电压摆幅稍小一些,所以本次设计中C33取0.027μF,实际积分器输出电压的摆动幅值略小于4V。此外,积分电容一个很重要的特性是当它只有很小的介质吸收系数时,才可阻止过冲翻转。通常选聚丙烯电容器或聚碳酸酯电容器作积分电容。自动调零电容C34的大小对系统的噪声有些影响,选用较大容量的电容可以减小噪声,典型值为1μF。基准电容C31应大到足以使结点对地的寄生电容可以被忽略为止,典型值为1μF。由于手操器采用动态扫描显示,显示内容有自动调节指示和手操输出指示,显示元件有数码管、光柱和LED等,所以未使用ICL7135的并行数据输出线B1、B2、B4、B8,而是独具匠心,采取了一种鲜为人知的措施——串行。只用ICL7135的积分器。ICL7135的转换状态标志输出端BUSY接单片机的外部中断INT1,ICL7135的时钟信号与单片机的外部计数器T1同步。在A/D转换期间(积分和反向积分)BUSY为高电平,计数器T1计数。在积分器反向积分过零时,BUSY翻转,向CPU申请中断。计数器T1从计数开始到计数结束受BUSY控制。计数值中除了含有转换值外,还含有固定的积分时钟10001,因此,必须从计数值中减去10001。积分器输出时序见图1,零点自校时间需10001个时钟周期,采样周期是固定的10000个时钟,而反向积分时间的长短与输入量的大小成正比,计算公式:Τ=10000×VΙDVrefT=10000×VIDVref式中:VID-输入差动电压;Vref-电压基准。其最大值是20000个时钟。A/D转换的结果需从计数值中减去10000。与采用B1、B2、B4和B8并行接口向单片机传送数据相比,串行方式具有结构简单、造价低等优点。ICL7135的驱动程序框图见图2。3tlc5615的程序转换电路图见图3。IC6是数模转换专用集成电路TLC5616。TLC5616是10位电压输出数模转换器,外部基准电压输入、输出电压范围等于基准电压的两倍。采用三线传输方式(SPI)易于与单片机接口。数字量串行进入TLC5615的移位寄存器中,高位在前,在SCLK的上升沿,TLC5615把移位寄存器中的内容送入内部输入寄存器存放。在¯CSCS¯¯¯¯的上升沿,结束A/D转换,TLC5615把数字量最终送入DAC寄存器,并把数字量转换成模拟量。TLC5615串行输入数据位数有12位或16位两种,区分的方法是:当¯CSCS¯¯¯¯的上升沿来临时,此次A/D转换结束。在本文提供的驱动程序中,采用12位有效数据。TLC5615的引脚分布说明:DIN-串行数据输入;SCLK-串行时钟输入;¯CS-CS¯¯¯¯−片选,低电平有效;DOUT-串行数据输出(串级);AGND-模拟地;REFIN-电压基准输入;OUT-DAC模拟电压输出;VDD:+5V。驱动程序见图4。4比例运算电路V/I转换放大器由IC7和晶体管N2等组成,见图5。它将1～5V的直流信号按比例地转换并放大成4～20mA的输出电流。其基本原理是:当正的输入信号Vi通过电阻R38加到运算放大器IC7的同相输入端时,IC7的输出电压增加,于是晶体管N2的电流增大,即Ie增大,Io亦增大。由图可见,Ve=V+,组成一个比例运算电路。使Ve与Vi有一一对应的关系,即Ie与Vi成比例关系。所以Io取决于Vio,当忽略三极管的基极电流时,有如下关系: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为R43/W3。解上述3方程式得:Vf=R44(Vi+4Vs)9R′43+5R44Ιe=Vi+4Vs9R′43+5R44⑵If的求取:在相同的条件下,由图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当R′43=13Ω,Vi=1～5V时,Ie=4～20mA。5输出电流为20ma时的误差从式⑷可知,运算误差为:ΔΙo=R′43(Vi+4Vs)R39(9R′43+5R44)⑸最大运算误差发生在Vi=5V时,ΔIo=0.026mA,即实际的输出电流Io比Ie(4～20mA)小一个误差项,而且误差是个变量。在输出电流为20mA时,误差最大。为了减小转换误差,当输出电流为20mA时调节量程电位器W3。从式⑸可