专利名称：智能外载测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微机数据采集及处理技术，更具体地说是一种能够测量多参数如直流电压、直流电流、电阻、热电偶、频率、应变信号的智能外载测量仪。
目前国内外的数据采集系统正朝着功能多样化，数据采集自动化，计算分析微机化方向发展，系统的智能化程度越来越高。其中一些采集系统具有直流电压、直流电流、热电偶、电阻、应变、频率、周期、数字量输入、模拟量输出等测量功能，并具有与微机通讯的接口及打印机接口，但它们还存在着一些问题，如必须要借助于上位机设定参数，以及无显示、无输入功能、数据存储量小等缺点，如TAKER、YJ－22等仪器。
本实用新型的目的就是提供一种智能外载测量仪，它可针对工程中出现的问题以位移、温度、流量、应变、应力等为主要物理量进行采集和数据处理，以完善上述仪器的功能。
本实用新型是由电源电路、信号输入切换电路、应变信号放大电路、对称跟踪稳压电源电路、A／D转换及打印机接口电路、单片微机及外围电路、通讯电路、键盘／显示电路等组成。在信号输入切换电路中，电压输入信号、电流输入信号及温度输入信号经各自信号输入电路后，与放大后的应变信号一起送入多路模拟开关，由多路模拟开关选择被测信号送A／D转换器。对称跟踪稳压电源电路提供对称的±5V电压和±2.4V桥压。由8255并行I／O接口芯片的A口和下C口控制A／D转换器及接收转换结果，使各输入模拟信号通过A／D转换后变成数字信号，并通过8255接口输入单片机8031进行采集和处理。单片微机及外围电路包括8031单片机、锁存器、地址译码器、EPROM程序存贮器、RAM数据存贮器及EEPROM存贮器等，其中8031单片机控制整个仪器的运行，锁存器用来锁存8031单片机输出的低八位地址以提供存贮器寻址用，地址译码器提供RAM及EEPROM的片选、8255I／O内部寄存器地址、8279键盘／显示接口所占用地址，EEPROM存贮器为电擦除存贮器，作为保存数据之用，RAM数据存贮器存放A／D采集的数据和处理数据结果，固化在EPROM中的软件包括8031控制、采集、计算、系统自检等程序。由8255接口芯片的B口和上C口作为打印机接口电路，控制打印机及向打印机发送打印的数据。通讯电路由一个NPN及一个PNP三极管构成，这是准RS232接口，用于仪器与上位机的通讯，其内容为控制信号的传输及采集的数据转存。键盘／显示电路由8279接口芯片及译码器、驱动器、LED共阴极数码管、键盘等构成，以承担仪器运行的状态信息显示与输入参数的控制。
本实用新型由于采用了单片机技术，其智能化程度大大提高，仪器测量过程中的失真和补偿过程、干扰信号抑制、数据采集、数字滤波及误差分析都由仪器本身完成。该仪器本身可具有32K存储功能，仪器掉电后，数据存于EEPROM中不会丢失。并能以多种数据形式输出，如打印输出和串行口输出等。此外该仪器可以通过按键进行功能选择及参数输入，如校零、采样、通讯、打印、快速采样、信号选择，通道号选择、次数选择、时间选择等。LED数码管随时显示通道号及其结果。本实用新型还可作为集散系统的下位机，由主控机发布命令。本仪器测量精度4 1/2 位，每μV对应一个με(微应变)，误差为±2个字。测量电压范围0～5V，测量电流4～20mA，温度范围±200℃，应变片120Ω，测量速度每秒4次。
附
图1为本实用新型的总原理框图。
附图2为本实用新型的信号输入及切换电路。
附图3为本实用新型的应变信号放大电路。
附图4为本实用新型的对称电源电路。
附图5为本实用新型的A／D转换及打印机接口电路。
附图6为本实用新型的单片机及外围电路。
本实用新型的实施例结合附图作进一步说明。
参见附图2和3所示，在信号输入切换电路中，由开关S1、电阻R1、R2、R3及限幅二极管构成的I／V转换电路，当S1合上(或打开)时，将4～20mA(或0～10mA)电流信号转换成0.4～2V电压信号送入多路模拟开关U1(CO4052)的1端；由电阻R4、R5、R6及限幅二极管构成的电压信号输入电路，将输入的0～5V电压信号分压为0～2V的电压信号送入U1的5端；温度信号输入电路由电桥电路和两级运算放大器组成，其中由电阻R12、R13、R14及电位器R22构成电桥电路，温度传感器铂热电阻接入一桥臂RX、RY两端，电桥输出送由高精度运放U3(OP－07)、电阻R15、R16、R19、R20、二极管D7、D8构成的差动放大器，差动放大器输出即U3的6端输出送由高精度运放U4(OP－07)、电阻R17、R18、R21构成的反相放大器，反相放大器的输出接U1的2端；由模拟通道开关U5(CD4052)、运放U6(ICL7650)构成的应变信号放大电路，是将应变信号输入到U5的1端，热电偶信号输入到U5的5端，U5的2端接地，为U6校零使用，U5的10、9、6端分别接单片机U14(8031)的P1.3、P1.4和P1.5。U5的3端切换输出经电阻R23送运放U6的5端，U6和电阻R24、R25、R26构成同相放大器，R25和R26决定了U6的放大倍数，U6的1端和2端分别经调零电容C4和C5接其8端，在U6的4端与5端之间接钳位二极管D9、D10，U6的9端接其4端，U6的10端输出经电阻R27、电容C3构成的低通滤波器后送U1的4端(ε0)。U1的10、9、6端分别接单片机U14(8031)的P1.0、P1.1和P1.2，U1的3端切换输出经电阻R7、电容C1构成的低通滤波器后送运放U2(OP－07)的3端，由运放U2、电阻R10、R11、R8、电位器R9组成的电压跟随器，将各被测信号经二极管D5、D6限幅后，再经电阻R38、电容C10构成的低通滤波器后送A／D转换器U13(ICL7135)的INH0输入端。
参见附图4所示，对称跟踪稳压电源电路有二部分，一部分由三端稳压器U7(MC7805T)、运放U8(OP－07)、晶体管T1(9012)、电阻R34～R37、电容C8、C9构成，输出对称的±5V电压供U6使用。其中±12V电压通过U7后输出正电压经R35后分别接U8的2端和经R36接T1的发射极，U8的3端接地，U8的6端输出接T1的基极，T1的集电极经R37接－12V，T1的发射极输出负电压。另一部分由可调三端稳压器U9(LM317K)、运放U10(OP－07)、晶体管T2(9012)、电阻R28～R33构成，输出±2.4V电压供电桥使用。其中＋12V电压通过U9后输出正电压，经R30后分别接U10的2端和经R31接T2的发射极，U10的3端接地，U10的6端输出接T2的基极，T2的集电极经R32接－12V，T2的发射极输出负电压。
参见附图5所示，A／D转换电路由并行I／O接口芯片U11(8255)、非门U12(74LS04)、A／D转换器U13(ICL7135)、电阻R39～R45、电容C11～C14、二极管D11、稳压二极管Z1构成。其中非门U12A、U12B和电阻R39、R40、电容C12组成振荡器，其输出接U13的22端，作为U13的工作时钟；U13的24端、3端、9端接地，1端接－5V，11端接＋5V，7端与8端之间接电容C13；由稳压二极管Z1、电位器R44、电阻R45组成的参考电源接U13的2端，作为A／D转换的参考电压；U13的6端经电阻R41后分别经电容C11接其5端和经电容C14、电阻R42接其4端，U13的4端经反接二极管D11、电阻R43接地。U13的25端接U11的10端，U13的26端接U11的13端，U13的BCD数据线16、15、14、13端(即B8、B4、B2、B1)分别对应接U11的1、2、3、4端(即PA3、PA2、PA1、PA0)，U13的20端、18端、12端、23端分别应接U11的40、39、38、37端(PA4～PA7)。这样，单片机只根据U13的位选信号D1～D5中的D1、D3、D5来判断五位输出数据的到来。U11的27～34端(D7～D0)接单片机U14的数据总线。U11的18～25端(PB0～PB7)和14、16端(PC0、PC2)作为打印机接口，送接微型智能打印机μP－40。U11的6端接译码器U19的 片选端，U11的35端接单片机复位端，U11的8、9端分别接地址线的A1、A0端，U11的36端和5端接单片机U14的16端( 线)和17端( 线)。由此，被测信号经A／D转换后送单片机处理和打印。
参见附图6所示，由单片机U14(8031)、锁存器U15(74LS373)、译码器U19(74LS138)、EPROM程序存贮器U16(2764)、RAM数据存贮器U17(6264)、EEPROM存贮器U18(2864)、键盘／显示接口电路U20(8279)构成的单片微机及外围电路，是将U14的18、19两端外接晶振电路，U14的9端(复位端)接由R46、C17构成上电复位电路，U14的10、11两端外接RS232接口电路，U14的P0.0～P0.7接数据总线，U14的P2.0～P2.4接U16、U17、U18的高5位地址线A8～A14，U14的P2.5、P2.6、P2.7分别接U19的1、2、3端，U14的 线接U16的 端，U14的 、 线分别接U17的 、 和U18的 、 及U20的 、 ，U14的ALE线接U15的11端，U15的D0～D7接数据总线，U15的Q0～Q7输出分别接U16、U17、U18的低8位地址线A0～A7，U16、U17、U18、U20的D0～D7接数据总线；U19的 输出接U17的 端，U19的 输出接U18的 ，U19的 输出接U20的 端，U20的21端接地址线A0，U20的9端接单片机U14的复位端，U20的3端接U14的ALE线，U20的4端经反门U12C(74LS04)后接U14的INT0端。这里RS232接口电路主要是TTL电平与RS232电平的转换，U14的TXD为输出端，RXD为信号输入端；键盘／显示电路为通用的8279键盘／显示电路，接16个键，七位LED数码管显示及一组八个二极管的显示，以提供仪器的人机对话功能。
本仪器加电后处于键盘等待状态，当键入信息后，CPU开始处理键工作。单片机控制仪器的运行。单片机通过8255控制ICL7135进行数据采集。频率信号是8031单片机T0端输入单片机进行测量。电流、电压、铂电阻、热电偶、应变等信号的测量是由P1口控制模拟开关切换到ICL7135转换后再进行测量。其中铂电阻、热电偶、应变等信号是经过放大进入模拟开关的。模拟信号经7135转成数字信号后，8031进行处理再暂存到EEPROM2864之中。仪器断电后，还可保存信息。本仪器可以通过微型智能打印机输出结果，或通过RS232接口电路与其它微机通讯，将数据转存于其它微机。本仪器还可通过键盘选择信号、选样通道范围、选择工作方式。
权利要求1.一种新型的智能外载测量仪，是由电源电路、信号输入切换电路、应变信号放大电路、对称跟踪稳压电源电路、A/D转换及打印机接口电路、单片微机及外围电路、通讯电路、键盘/显示电路组成，其特征在于a.在信号输入切换电路中，由开关S1、电阻R1、R2、R3及限幅二极管构成的I/V转换电路，当S1合上(或打开)时，将4～20mA(或0～10mA)电流信号转换成0.4～2V电压信号送入多路模拟开关U1(CO4052)的1端；由电阻R4、R5、R6及限幅二极管构成的电压信号输入电路，将输入的0～5V电压信号分压为0～2V的电压信号送入U1的5端；温度信号输入电路由电桥电路和两级运算放大器组成，其中由电阻R12、R13、R14及电位器R22构成电桥电路，温度传感器铂热电阻接入一桥臂RX、RY两端，电桥输出送由高精度运放U3(OP-07)、电阻R15、R16、R19、R20、二极管D7、D8构成的差动放大器，差动放大器输出即U3的6端输出送由高精度运放U4(OP-07)、电阻R17、R18、R21构成的反相放大器，反相放大器的输出接U1的2端；由模拟通道开关U5(CD4052)、运放U6(ICL7650)构成的应变信号放大电路，是将应变信号输入到U5的1端，热电偶信号输入到U5的5端，U5的2端接地，为U6校零使用，U5的10、9、6端分别接单片机U14(8031)的P1.3、P1.4和P1.5。U5的3端切换输出经电阻R23送运放U6的5端，U6和电阻R24、R25、R26构成同相放大器，U6的1端和2端分别经调零电容C4和C5接其8端，在U6的4端与5端之间接钳位二极管D9、D10，U6的9端接其4端，U6的10端输出经电阻R27、电容C8构成的低通滤波器后送U1的4端(ε0)；U1的10、9、6端分别接单片机U14(8031)的P1.0、P1.1和P1.2，U1的3端切换输出经电阻R7、电容C1构成的低通滤波器后送运放U2(OP-07)的3端，由运放U2、电阻R10、R11、R8、电位器R9组成的电压跟随器，将各被测信号经二极管D5、D8限幅后，再经电阻R38、电容C10构成的低通滤波器后送A/D转换器U13(ICL7135)的INHO输入端；b.对称跟踪稳压电源电路有二部分，一部分由三端稳压器U7(MC7805T)、运放U8(OP-07)、晶体管T1(9012)、电阻R34～R37、电容C8、C9构成，输出对称的±5V电压供U6使用，另一部分由可调三端稳压器U9(LM317K)、运放U10(OP-07)、晶体管T2(9012)、电阻R28～R33构成，输出±2.4V电压供电桥使用；c.A/D转换电路由并行I/O接口芯片U11(8255)、非门U12(74LS04)、A/D转换器U13(ICL7135)、电阻R39～R45、电容C11～C14、二极管D11、稳压二极管Z1构成。其中非门U12∶A、U12∶B和电阻R39、R40、电容C12组成振荡器，其输出接U13的22端，作为U13的工作时钟；U13的24端、3端、9端接地，1端接-5V，11端接+5V，7端与8端之间接电容C13；由稳压二极管Z1、电位器R44、电阻R45组成的参考电源接U13的2端，作为A/D转换的参考电压；U13的6端经电阻R41后分别经电容C11接其5端和经电容C14、电阻R42接其4端，U13的4端经反接二极管D11、电阻R43接地。U13的25端接U11的10端，U13的26端接U11的13端，U13的BCD数据线16、15、14、13端(即B8、B4、B2、B1)分别对应接U11的1、2、3、4端(即PA3、PA2、PA1、PA0)，U13的20端、18端、12端、23端分别应接U11的40、39、38、37端(PA4～PA7)；U11的27～34端(D7～D0)接单片机U14的数据总线，U11的18～25端(PB0～PB7)和14、16端(PC0、PC2)作为打印机接口，送接微型智能打印机μP-40，U11的6端接译码器U19的 片选端，U11的35端接单片机复位端，U11的8、9端分别接地址线的A1、A0端，U11的36端和5端接单片机U14的16端( 线)和17端( 线)；d.由单片机U14(8031)、锁存器U15(74LS373)、译码器U19(74LS138)、EPROM程序存贮器U16(2764)、RAM数据存贮器U17(6264)、EEPROM存贮器U18(2864)、键盘/显示接口电路U20(8279)构成的单片微机及外围电路，是将U14的18、19两端外接晶振电路，U14的9端(复位端)接由R46、C17构成上电复位电路，U14的10、11两端外接RS232接口电路，U14的P0.0～P0.7接数据总线，U14的P2.0～P2.4接U16、U17、U18的高5位地址线A8～A14，U14的P2.5、P2.6、P2.7分别接U19的1、2、3端，U14的 线接U16的 端，U14的 、 线分别接U17的 、 和U18的 、 及U20的 、 ，U14的ALE线接U15的11端，U15的D0～D7接数据总线，U15的Q0～Q7输出分别接U16、U17、U18的低8位地址线A0～A7，U15、U17、U18、U20的D0～D7接数据总线；U19的 0输出接U17的 1端，U19的 1输出接U18的 1，U19的 2输出接U20的 端，U20的21端接地址线A0，U20的9端接单片机U14的复位端，U20的3端接U14的ALE线，U20的4端经反门U12∶C(74LS04)后接U14的INT0端；e.键盘/显示电路为通用的8279键盘/显示电路，接16个键，七位LED数码管显示及一组八个二极管的显示。
2.根据权利要求1所述的智能外载测量仪，其特征在于对称跟踪稳压电源电路的一部分是将＋12V电压通过U7后输出正电压经R35后分别接U8的2端和经R36接T1的发射极，U8的3端接地，U8的6端输出接T1的基极，T1的集电极经R37接－12V，T1的发射极输出负电压；另一部分是将＋12V电压通过U9后输出正电压，经R30后分别接U10的2端和经R31接T2的发射极，U10的3端接地，U10的6端输出接T2的基极，T2的集电极经R32接－12V，T2的发射极输出负电压。
专利摘要一种新型的智能外载测量仪，是将被测电压、电流、温度、应变、热电偶等信号经各自的输入电路，由多路模拟开关选择送A/D转换器转变成数字信号，再由单片机及外围电路进行被测信号的数据采集、处理、存贮、显示和打印。并通过键盘控制进行功能选择及参数输入，如校零、通讯、快速采样、信号选择、次数选择等。本仪器测量精度高，测量范围广，测量速度快，既可单独使用，又可和上位机联机使用，并具有掉电后数据仍保存功能。
文档编号G01D21/02GK2211593SQ94242598
公开日1995年11月1日 申请日期1994年9月14日 优先权日1994年9月14日
发明者崔亦飞, 于建勇, 张经明, 张涤华, 刘开颖 申请人:中国矿业大学