一種智能儀表監控系統的硬件設計

摘要:本文介紹了一種新型智能監控系統的硬件設計實現過程。

關鍵詞:測量;微處理器;智能監控

1、概述

自從1971年世界上第一種微處理器(美國Intel公司4004型4位微處理芯片)問世以來，微計算機技術得到了迅猛的發展.測量儀器在它的影響下有了新的活力，取得了新的進步.電子計算機從過去的龐然大物已縮小到可以置于測量儀器之中，作為儀器的控制器、存儲器及運算器，并使其具有了智能的作用.概括起來說，智能儀表在測量過程自動化、測量結果的數據處理及一機多用(多功能化)等方面取得了巨大的進展.到了20世紀90年代，在高正確度、高性能度、多功能的測量儀器中已經很少有不采用微處理器的了。

2、測量系統現狀

隨著儀表功能的越來越強以及科學技術的進步，人們的生產行為、生活方式都發生了重大的變化，作為生活生產中非常重要的一項技術即監控技術的重要性正在逐漸被人們所認識和重視。監控系統的演變，是一個從集中監控向網絡監控的發展歷史。

3、設計目的

該項設計的目的是設計一種集多種測量功能為一身的并具有遠程數據采集與控制功能的智能化監控儀表，力在消除多種儀表混用不兼容的現象。又由于引入了微處理器與總線技術，使得本次設計不僅可以測量多個量，而且具有聯網實施遠程控制方便檢測的特點。本設計儀表具有以下特點:

①常規儀表與微處理器的結合組成智能化的監控檢測儀表;

②可以測量交流電壓、交流電壓有效值、直流電壓、直流電流;

③采用485總線芯片實現儀表遠程操作;

④具有自動開關量輸出與手動開關量輸出;

⑤采用PC對各個儀表進行監控并對儀表測量數據進行采集。

4、系統總體設計思路

微處理器的發展使儀表具有智能化，智能化儀表有很多功能與特點。但是在現實生活中，常規儀表依然大量存在，比如，現在日常生活中大量存在的分立的電壓表、電流表，這就使得同一采集點同時使用兩個測量儀表甚至更多，在遠程數據采集時，一個儀表就需要一個數據采集通道，使線路變的極其復雜，如果儀表的類型不一樣則采集到的數據也各不相同，嚴重影響上位機的處理工作，更別說實現遠程控制了。因此，一種可以將常規儀表融合到一起的儀表，并且具有總線功能與遠程檢測控制的儀表成為生活生產中迫切需要的一種設備。本文介紹的是為滿足用戶的這種需求而設計出來的一種智能化儀表—智能數字萬用表的硬件設計過程。

智能數字萬用表是將幾種常規的儀表融合到一起的儀表。由于加入了微處理器使儀表具有了一定智能化功能，又由于加入485總線芯片便使得儀表具有了遠程數據采集與控制的功能。

4.1智能數字萬用表的系統框圖

數字萬用表是測量交流電壓、直流電壓、電流和電阻等參數的數字測量儀器。智能數字萬用表是在數字萬用表的基礎上嵌入微處理器，且具有測量軟件的多功能數字測量儀器，其結構為:

4.2系統結構分析與硬件框圖

4.2.1系統結構分析

4.2.1.1測量電路:測量分4部分——直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電壓有效值，

①交流電壓測量部分。

測量交流電壓必須將其轉化為直流，所以交流電壓經過分壓后需要整流電路將其轉化為直流，這里整流電路使用由運放組成的有源濾波整流電路。這部分測量的是交流電壓的平均值即我們所說的交流電壓值。

②交流電壓有效值測量。

在實際應用中，交流電壓的有效值比電壓平均值更為常用，而對于理想的正弦波的有效值等于平均值乘以波形因數1.11，然而有時測量的不是正弦波而是方波、三角波或者是不規則波形，它們的有效就不能用平均值乘以波形因數的方法求得，就必須用真有效值轉換電路才能測量。本設計使用真有效值轉換芯片AD637。

③直流電壓的測量。

直流電壓比較容易測量，分壓后直接測量即可。

④直流電流的測量。

測量直流電流必須將其轉化為直流電壓，通常的方法是在電路中加入采樣電阻，將電流轉化為電壓再運用測直流電壓的方法直接測量。

4.2.1.2控制電路分為3部分——A/D轉換部分、主控制部分、超量程保護部分。

①A/D轉換部分。

A/D轉換器選擇ICL7135，ICL7135具有數碼管動態顯示輸出，不用單片機就能顯示測量結果，而且用串行數據采集的方法與單片機連接相當簡單，這就有利于減輕單片機的負擔。

②主控制部分。

微處理器是智能儀表的核心部分，它對儀表的性能影響很大。現在常用的有8位和16位單片機，這里我們使用ATMEL的AT89C51。

③超量程保護部分。

好的儀表都有一整套的保護體系，本設計有輸入鉗位保護與超量程保護。輸入鉗位保護使用二極管實現，超量程保護使用運放組成窗口比較器，對A/D轉換前的電壓信號進行監控保護。

4.2.1.3通信電路:

通信功能是智能儀表的基本功能，為了簡單起見使用RS485通信，485總線通信是一種比較簡單的通信總線技術，RS485采用差分信號負邏輯，+2V～+6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現點對點的通信方式，現很少采用，現在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓樸結構在同一總線上最多可以掛接32個結點。485通信芯片使用MAX485。智能儀表還要能夠與PC通信，由于PC使用RS232通信，要想與485總線上的儀表通信就必須加232/485轉換電路。

4.2.2 系統硬件框圖

圖2-1為系統的硬件結構框圖，交流電壓、交流電壓有效、直流電壓三部分共用一個分壓電路，分壓電路靠單片機控制繼電器實現自動換檔。直流電流的測量使用單獨的電流采樣電路將電流信號變為電壓信號再進行測量，四個量的測量靠繼電器進行切換，繼電器由單片機控制。前級輸出的電壓信號經過具有自動穩零的斬波穩零第四代運放ICL7650放大后送入A/D轉換器ICL7135進行AD變換再送LED顯示與送單片機進行數據處理。儀表具有通信功能，7135處理后的測量數據由單片機發送出去，經過485通信芯片傳送到遠端的監控PC上，PC經過處理將這些數據顯示到顯示器上，實現數據監控。

5、結論

本硬件設計通過與軟件設計的有機結合實現了智能檢測與控制功能，不僅可以應用在智能儀表監控系統電路設計中，也可以推廣應用在其他電路中。