基于传感器数据采集的智能缩水率机的设计

  　缩水率机，顾名思义就是测量织物缩水率的机器，我们的第一代产品用目前的眼光来看，体积庞大，外观粗糙，电路陈旧不简洁，可靠性差，主要部件均为自产，如电机等还经常损坏。这次，经过市场调查和分析，我们发现西门子和滚筒式洗衣机的外观，机械结构、电机、电磁阀等在同行中都较领先，而且和我们的要求相近。因此，我们提出了利用西门子壳体改制缩水率机的构想，通过解剖，摒弃了其所有机械程控部分，改用我们自己设计的新的控制系统。程序按照有关国际和国内标准运行，经过实践证明，我们的方案是成功的!

　　本文主要介绍传感器的数据采集过程，并对其器件的用法和电路的整个工作流程都作了详细的说明。

　　一. 系统结构(图一)

　　(图一)

　　1、 键盘显示电路，如按键的查询、温度的显示、水位的显示等均要由它来完成。因此，按键和面板显示不能占主CPU太多的时间，因此，我们采用非常成熟的8279芯片来管理键盘和显示，达到了很好的效果。

　　2、 传感器的数据采集，单用一片AT89C52作为温度数据和压力数据的采集。

　　数据采集完成以后通过RS485信号传给主CPU板。

　　3、 外设的驱动部分通过固态继电器完成。固态继电器无机械触点、带光电隔离、驱动简单、无火花，更重要的是有过零触发，使用电设备的开关均在输入AC的零点，减小了干扰。所以，在本机中，这些设备均采用固态继电器(其中，电机调速部分采用DCSSR)。在整个过程中，电机的控制是关键，通过对其电机的结构及电路的彻底解剖后，发现其控制电路是一块由从MOTOROLA公司产的TDA1085C的专用电路控制，整个控制部分做得简洁可靠。有鉴于此，我们决定通过间接控制这块板来达到控制电机的目的。这样，既节约了成本，又提高了可靠性

　　4、 主CPU板为整个系统的核心，它完成传感器数据的采集并进行处理，然后送显示，并且按程序要求驱动外设动作。其中，主CPU和键盘显示电路接口时禁止主CPU数据总线直接和外设进行IO操作(通过扁平电缆和对方相连)，保证了显示的稳定，按键的正确判断。主从两CPU之间采用半双工RS485接口进行串行通讯，抗干扰能力很强。同时，由于从CPU已将温度、水位等数据处理整合，打包后发给主CPU，减轻了主CPU的负担。由于整个系统的需要扩展的口线很多，所以在主电路中采用逻辑整合芯片ISPLSI2064来扩展I/O口以及其它逻辑功能的完成。

　　二.传感器的数据采集电路(图二)

　　(图二)

　　1. 水位检测

　　在技术要求中有实时显示水位这一要求，按照以前那种方法(浮子法)只能有几个水位点，而不能连续测量，而且老是发生水位失控产生溢出的现象，所以我们选用美国SMI公司微压传感器SMI5551，利用原有皮管，用测量水位变化导致气压的变化来间接测量水位，原理如图三：

　　(图三)

　　2. 信号的放大调整

　　鉴这种传感器为微压传感器，输出为毫伏级，所以用仪表放大器进行放大。

　　仪表放大器选用美国TI公司的INA128，它是一种低电压通用型仪表放大器，

　　其特点如下：

　　低失调电压：50μVmax;

　　低漂移：0.5μV/℃max;

　　低输入漂流：5nA max;

　　高共模抑制比：120dB min;

　　宽通带：200kHz (G=100);

　　输入过压保护：±40V;

　　宽电源电压范围：±2.25～±18V;

　　低静态电流：700μA;

　　8脚塑料DIP和SO-8封装。

　　由于特性优良，加之体积小，并可用一个外部电阻方便地从1到10000设定增益，使得INA128能够广泛应用于信号采集放大、医用仪器及多通道系统等很多领域，可以在低至±2.25V的电源电压下工作并且静态工作电流很小，是便携式和其它用电池供电系统的理想器件。

　　A. INA128应用注意事项

　　增益设定

　　图二表示了INA128的基本连接。用一个独立的外部电阻RG可以获得的放大倍数为：G=1+50kΩ/RG。

　　式中50kΩ为INA128内部的两个放大器反馈电阻之和，它们都经过激光校正，具有很高的精度和很小的温度系数，手册给定的器件性能已经包括了它们的影响。外接电阻的精度及温度稳定性直接影响增益，特别是增益较大时(G≥100)，连线及插口的电阻也会对增益带来附加误差。也就是说，式中的RG值应为外接电阻与连线等杂散电阻的总和。

　　噪声干扰

　　INA128的内部噪声很小，当G≥100时，0.1到10Hz的低频噪声大约只有0.2μVp-p,这比目前最新的低噪声斩波放大器还要小很多。为减小外部干扰和电源噪声的影响，应在紧靠电源引脚的地方加接去耦电容器。

　　另外，输出电压是以Ref端为参考点的，一般情况下，Ref应该良好接地，以保证放大器良好的共模抑制比。在引脚Ref增加8Ω的串联电阻，就会使共模抑制比下降80dB(G=1)。

　　本例中在Ref端接1.2V基准是为了配合微压传感器SMI5551的输出范围以及后级AD转换的输出范围。

　　失调补偿

　　INA128经过激光校正，因此，失调和温漂都很小，多数情况下无需调整，必要时可对电路进行外部补偿。加电压跟随器将调零电路与仪表放大器加以隔离，维持引脚Ref的低阻抗，保证了放大器良好的共模抑制比。电流源可用集成电路(例如REF200)，也可用电阻代替。当然，用电阻时，电源不稳会对输出产生影响。

　　输入端电荷泄放通路

　　INA128的输入阻抗很高，容易产生电荷积累，使输入端电压超过共模电压容许范围，造成输入放大器饱和。但可为电荷提供泄放通路的几种方法。利用变压器的次级中心抽头作为泄放通路。对于热电偶这类低阻抗信号源，在一端接泄漏电阻。而对于高阻信号源，象话筒和水下检测器等，应采用对称电路，以减小输入失调，提高共模抑制比。

　　共模输入信号范围

　　若输入信号中的共模电压过大时，会使输入放大器饱和。在临界饱和时，VO的输出电压为VO=VCM-VO/2。INA128的线性输入范围大约从负电源以上1.7V到正电源以下1.4V。对于确定的电源电压，输出电压Vo越大，允许的共模信号越小。如果过大的共模输入AO使得饱和。

　　低电压运行

　　INA128的最大特点是适用的电源电压范围很宽。电源电压从±2.25V到±18V变化时，大部分参数仍能维持很好的性能，INA128可在低电压下使用，可以作为便携式或电池供电系统的理想器件。但在低电压使用时要特别注意，保证输入信号被限制在线性范围之内，共模输入电压也不能太大。

　　输入保护

　　INA128的输入保护电路都可提供±40V的过压保护，即是说，一个输入端加-40V电压、另一个输入端加+40V电压也不会带来损坏。在正常信号条件下，过压保护电路呈现低串联阻抗;当输入电压过大时，保护电路可使输入电流限制在1.5～5mA的安全范围之内。INA128在不加电源的情况下，对输入端可能产生的静电电荷也具有过压保护作用。

　　三. AD转换电路(图二)

　　INA128把毫伏级信号放大为1.2V---5V,再由AD转换为数字量。

　　AD转换器选用用美国TI公司的高速8位模数转换器TLC0820AC。

　　TLC0820AC是先进LinCMOS 8位模数转换器。均由两个4位快闪转换器、一个4位数模转换器、一个加法(误差)放大器、控制逻辑及一个结果锁定电路构成。改进的快闪技术可使低功率集成电路在整个温度范围内以1.18μs完成8位转换。片内采样与保持电路具有100ns采样窗，允许这些器件以高达100mV/μs的斜升速率转换连续模拟信号而无需外部采样器件。与TTL兼容的3态输出驱动器及两种工作方式允许与不同微处理器接口。其特点如下：

　　先进的LinCMOS硅门技术

　　8位分辨率

　　差分基准输入

　　并行微处理器接口

　　在温度范围内转换及存取时间，读方式：2.5μs Max

　　无需外部时钟或振荡器

　　片内采样与保持

　　单5伏电源

　　用TLC0820AC转换为数字信号后，再参照量化曲线算出水位，并且取多次水位的平均值以消除由于滚桶的转动而引起水位的变化。用软件自动完成了放大器的漂移的消除和调零功能。

　　四.通讯接口电路(图四)

　　图四

　　主从两CPU之间采用半双工RS485接口进行串行通讯，抗干扰能力很强。同时，由于从CPU已将温度、水位等数据处理整合，打包后发给主CPU，减轻了主CPU的负担。

　　RS485串行通讯接口选用用美国TI公司75LBC184，并通过光藕TIL191和SN7400进行电气隔离。

　　SN75LBC184差分数据线收发器商业标准兼容，片内A、B引脚接有高能量瞬变干扰保护装置，这种结构能承受峰值为400W(典型值)的过压瞬变(如雷电、静电放电和交流电故障)，从而显著地提高了器件抗过压瞬变的可靠性。普通的RS-485收发器很容易被过压瞬变损坏，如果要有效地加以保护，一般需外加包括隔离变压器在内的保护器件。若使用LBC184，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件，这提供了一种可靠、低价和简单的设计方案。

　　本器件还具有适合于电噪声环境中的合用数据总线应用的许多特点。差分驱动器设计成限斜率的，这种设计，通信数据率仍可达250kbit/s，并使电磁干扰减到最小，同时能减少传输线终端不匹配引起的反射，因而可降低对传输线匹配的要求。接收器的独特设计是当输入端开路时，其输出为高电平，这一特性保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。接收器的另一特点是输入阻抗为RS-485标准输入阻抗的2倍(≥24kΩ)，故可以在总线上连接64个收发器。

　　SN75LBC184将RS485通信中各种故障(包括瞬变电压、ESD、电磁干扰、总线开路、热故障等)的防范措施集成到一个芯片内。SN75LBC184不仅可以抑制瞬变电压(如雷电等)，还有其它多种故障抑制特性，是RS485通信中常见故障最完全的集成解决方案。

　　特性

　　具有瞬变电压抑制功能，能防雷电和抗静电放电冲击

　　限斜率驱动器,使电磁干扰减到最小,并能减少传输线终端不匹配引起的反射

　　总线上可挂64个收发器

　　具有热关断保护

　　低禁止电源电流：300μA(最大)

　　接收器输入端开路故障保护

　　ESD电压可达±8kV

　　将收发器和瞬变电压抑制器集成在一起，节省电路板空间，特别适合于野外或工业现场的通信。

　　SN75LBC184提供8脚塑料DIP(N)封装和SOIC(D)封装。

　　SN75LBC184：0℃～70℃

　　五.总结

　　通过以上对硬件的介绍，再配合适当的软件本系统就可稳定可靠的完成各传感器的数据采集并实时发送给主CPU以实现对整各系统的控制。