基于隔离和网络技术的新型高精温湿度测量仪表设计方案

　　本文描述的是一种支持实验室温度湿度进行测量、显示并远传的智能化仪表。本仪表不同于市场上众多同类产品，他可以很好地满足现场高精度、高分辨率及网络传输的要求。
　　1 温湿度显示仪的硬件设计
　　本仪表的硬件电路部分主要是有温、湿度通道独立电源电路，温、湿度采样电路，信号调节电路，模数转换电路，光电隔离电路，处理器采用AT89S52单片机，同时还有LED显示电路，通讯电路，键盘电路等构成，其结构图如图1所示。以下将对各部分的电路做相应的介绍。
　　
　　1.1 温度湿度变送器
　　非电量的温度湿度信号通过变送器形成4～20 mA电量信号。本方案中采用了奥地利E+E公司的EE10-FT6的高性能温湿度综合变送器。
　　EE10一FT6产品特点：
　　（1）24 V DC供电；
　　（2）温度量程：O～50℃；湿度量程：0～100％；
　　（3）温度精度：±0.1℃；湿度精度：1.0％；
　　（4）输入阻抗：≤500 Ω；
　　（5）接线方式：三线（电源正端、温度输出线、湿度输出线）。
　　1.2 隔离测量技术
　　常规温度湿度测量，往往将温度、湿度信号共地，利用一套测量电路即可。在本方案中，变送器的输出要先行接入温湿 度显示仪（前端），再串接于DDC（直接数字控制器）后端构成变送器回路，变送器电源由DDC来提供，因此由变送器输出的两路共地信号在前端需要进行隔离测量，以消除对后端测量的影响。即两端串联并同时测量一对共地信号。对于模拟量隔离测量，笔者曾经考虑3套方案：
　　方案一“虚”隔离，即采用差分测量技术，将差分一端经过一适当电阻接地，这种方案成本最低，但是对于运放的要求十分苛刻，而且稳定性不高。
　　方案二 采用线性光耦隔离，但线性光耦难以调试，离散性大，需要周边元器件多（运算放大器），而且光耦前端仍需隔离电源，后端仍需模数转换器。
　　方案三 采用两组独立测量电路，然后通过普通光耦与处理器接口，需要两套隔离电源，两组测量部分，成本稍高，但此种方案最可靠，调试方便，因而最终被采用，如图2所示。
　　
　　1.3 4～20 mA电流测量
　　采样电阻采用125 Ω／0.1％精密电阻，这样，只需测量O.5～2.5 V电压信号即可。
　　1.4 放大器及模数转换器应用
　　本温湿度显示仪模拟信号变换采用TI公司的轨对轨运放TLC2252，该放大器最大的特点一是输出可达电源满幅，二是失调电压较小，0.5 mV，价格较低，适合本仪表应用。
　　
　　模数转换器（ADC）采用TI公司的ADS1286U，此芯片主要性能有：
　　（1）分辨率：12位；
　　（2）最高采样频率：20 kHz；
　　（3）INL：±2LSB／max；
　　（4）DNL：±1LSB／max；
　　（5）接口方式：两线制
　　（6）参考电压：外接。
　　1.5 分辨率及精度
　　本仪表需要满足的要求：分辨率方面，温度显示到O.01℃，湿度显示到0.1％；精度方面，要达到与自控系统的DDC测量值之间的绝对误差不得大于±0．03℃。这样的苛刻要求使得本仪表在软硬件方面都必须做的非常到位。
　　1.6 数字滤波技术
　　为满足以上分辨率及精度的要求，除了在硬件上选择性价比高的元器件以及较高的PCB板技术外，在软件上做了较多的工作。因为温度湿度物理量是惯性环节，时间常数较大，量值不会产生突变，故滤波时间可以很长。本仪表中采用多次测量排序取中值然后再进行一阶惯性滤波的方法，数学表达式如下：
　　
　　其中Xn-1为上次实际温湿度值；Xn-2本次经过排序取来的中值；Xn为当前的温湿度值；A为滤波时间常数，作为系数。
　　这样做的目的是防止某些测量突变，以及满足惯性物理量的测量，使得测量值不会频繁跳跃，可以满足需求。
　　1.7 网络通信技术
　　本仪表采用RS 485通信，通信规约为MODBUS-RTU，然后通过MODBUS-PROFIBUS网关与西门子DDC通信，波特率为38.4 kb／s。总线采用轮询方式，后台机对各个房间温湿度进行采集，作为房间温度湿度集中监控的依据。
　　1.8 精度校准及参数
　　本仪表出厂前均已校准，但考虑到长期运行后，元器件老化及环境温度的变化，可能会造成仪表出现精度偏差，故仪表上设有精度校准功能。校准时，需要一只标准4～20 mA信号表，按照显示提示，分别将信号源调至各档位，然后由仪表自动校准，校准系数值存入非易失性存储器中。
　　本仪表具有现场手动调校功能，调节电位器旋钮可使得温度湿度在某个短量程范围内更加精准。
　　所有的参数设定都可通过网络或仪表按键进行操作，掉电不丢失。
　　2 温湿度显示仪的软件设计
　　主要程序包括：温度测量子程序、湿度测量子程序、键盘扫描及实现子程序、校准子程序，其中测量子程序内嵌模数转换、数据处理、形成显示数据等；键盘扫描及实现子程序内嵌显示页面切换、参数设定、校准确认等；校准子程序内嵌双通道切换校准及校准数值存储等。中断服务程序包括：定时器中断（用于显示）子程序、通信中断子程序。主程序为依次循环执行，综合外部操作（键盘），实现仪表多重功能；中断服务程序可以随时中断主程序的执行，两者互不影响。 本仪表中模数转换是关键，除了在硬件上保证信号的较好处理外，软件上的处理就显得很重要了，下面给出模数转换器ADS1286的访问程序，此芯片的DATASHEET 上时序逻辑只是一个基本的过程，具体要得出可靠的数值，需要在调试中摸索，这个程序是笔者调试好的，效果不错。
　　
　　说明：本子程序转换后的12位AD值存放于02H／03H中。
　　
　　说明：本中断服务程序为MODBUS从站响应程序，本仪表只用到MODBUS功能码中的03号及06号，即模拟量遥测及参数设定。
　　3 结 语
　　本仪表成功应用于上海市检测中心400个实验室中目前运行状况良好，与DDC间绝对误差不超过±O.03℃。