智能缩水率机方案设计

时间：2012-03-28 19:42:06

关键字： INA128 CPU PLUSMN 电源电压

[导读]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

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℃