12．显示单元,在控制系统中显示仪表具有重要的地位，它可将控制过程中的参数变化、被控对象的过渡过程显示和记录下来．供操作人员及时了解控制系统的变化情况，掌握被控对象的状态，是进行系统控制、工况监视、性能分析以及事故评判等工作所必不可少的环节第12章 显示仪表 §12.0 概述,用于参数的指示、记录、累积计数的仪表 显示仪表的分类： 1. 模拟指示仪表;(机械式, 动圈式, 等) 2. 数字显示仪表; 3. 图象显示仪,12.0.显示仪表的功能和分类,主要功能——参数显示，故障报警 基本结构——测量电路+信号处理+数据显示 分类： 模拟信号指示表：指针式仪表（电流表，电压表），磁电结构——通电线圈在磁场中受力，产生偏转运动；例：指针式万用表 数字式显示表：数码管显示LED，数字液晶显示LCD，基本组成： A/D转换； 微处理器数据处理； 驱动电路； 显示器； 虚拟仪表：计算机显示器显示多种数据信号，并可模拟图形显示； 基本组成： 1）数据采集（信号测量，放大，A/D转换，数据处理）； 2）数据传输（串行，并行），进入计算机； 3）计算机软件程序（数据处理，参数显示，趋势曲线，图形变换模拟等）；,12.1.0 模拟显示仪表结构原理,基本结构——磁电式仪表 对称圆形磁场； 提供均匀磁场，使指针在大范围偏转角度下都有匀强磁场 可动框架线圈； 可动式通电线圈作为带动指针的转子 张丝扭力平衡机构； 平衡动圈受力，保持指针平稳转动 测量电路； 完成信号电流的调节，保证仪表的准确指示,12.1.0 模拟显示仪表结构原理,模拟显示仪表工作原理： 测量信号输入E（低电压毫伏信号）； 调整测量线路中的Rc串联Rb并联电阻，可实现量程调节； 输入信号电流通过测量线路进入可动线圈G； 通电线圈在磁场中受力偏转，同时带动指针运动； 张丝扭力反向平衡动圈偏转，最终使指针停留在准确刻度位值，显示正确的信号参数值。
Rt和Rg组成温度补偿环节，补偿动圈铜线电阻受环境温度的影响而变化，引起信号电流的改变造成参数指示误差§12.2 动圈式显示仪表,动圈式显示仪表的实质就是指针式电流/电压表其核心部件是一个磁电式毫安计 动圈式显示仪表通过一定的内置电路可以直接用来作为热电偶、热电阻，以及电流或电压的显示 部分显示表还附带有模拟量输出，以实现简单的控制功能一、动圈显示基本原理,磁场中，一个用弹性张丝悬挂的线圈，当线圈有电流通过时，线圈在电磁力的作用下发生偏转；在电磁力矩与张丝的弹性力矩平衡时，线圈达到最大偏转角并稳定下来 指针与线圈相连，指示电流大小 部分动圈仪表采用螺旋弹簧（游丝）代替张丝作为弹性体N,S,,动圈的内部结构——温补与调整,温度补偿 采用热敏电阻抵消线圈热效应 调零 调整张丝或游丝的固定点 校准 调整内部电阻 阻尼 采用并联电阻短路感应电动势RT,R1,,,R2,R3,R4,+,-,四、动圈式显示仪表测温注意事项,型号意义 XCZ：显示、磁电、指示 XCT：显示、磁电、控制 注意配套使用 适当调整外接电阻 运输时，短路保护,一、数字式显示仪表的分类,数字显示仪表,电压型,频率型,单点式,多点式,单点式,多点式,,,,,,,,,,,,,,,,,,显示仪,显示报警仪,显示输出仪,显示记录仪,显示报警输出记录仪,,,,,,,,,,,二、数字式显示仪表结构原理,检测变送,模拟信号,A/D转换,数字信号,,,,电子计数器,寄存器,电子译码器,显示器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1. A/D转换,功能： 将电压信号转换为数字脉冲信号； 输入与输出电位隔离。
构成： 低精度时直接用集成芯片转换； 单芯片精度取决于输出位数 高精度时分段采用集成芯片转换 对以电流方式输入的信号，先转换成电压信号2. 电子计数器,功能： 将A/D转换输出或测试仪表的数字输出按10进制进行分段； 构造与工作原理： 一般由多个双稳态触发器串联组成； 通过依次触发，实现进位3. 寄存器,功能： 暂时储存电子计数器输出结果； 隔断计数器非信号输出； 根据后续请求定时输出数字信号 结构： 一般直接采用RAM芯片构成4. 译码器,功能： 将数字信号翻译为十个数字状态； 将每个数字翻译为对应管脚信号 构造： 通常由与显示器配套的专用芯片实现5. 显示器,功能： 显示数字 分类 辉光数码管 发光二极管 液晶显示器,2,3,,,1,2,3,,1,2,3,1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,温度：560ºC 压力：3.1MPa,12．3．数字式显示仪表基本流程,输入信号处理环节——测量，放大，滤波； 模拟量/数字量转换A/D，数字量输入进MPU； 数据处理变换输出（微处理器MPU实现）； 输出驱动电路——译码，锁存，限流； LED显示，或LCD显示；,12．3．1数字式显示仪表各环节功能,A/D转换的实现： 确定模拟量输入范围，与信号处理电路输出连接。
若A/D芯片供电5V，则输入信号不能大于5V可以为0-5V中间的一段电压范围； 根据测量精度要求确定A/D转换器的位数； 如：测量范围：0-300C ，要求最小显示0.1C ， 则：最小刻度单位1/3000，可选12位A/D，其分辨率为：1/4096 ； 参考电压的选取，以决定最大数字量与参考电压上限的等价关系如：8位A/D转换器选取5V参考电压，最大256代表5V，2.5V时的数字应为128 与MPU微处理器的有效控制信号连接，注意A/D转换的时序关系：启动，数据输入，转换数据锁存，MPU读数据，结束转换过程 目前已有内含A/D的MPU，此项任务可由MPU内部程序完成，需要在软件编制时加入该程序内容12．3．1数字式显示仪表各环节功能,MPU数据处理实现： 由A/D转换的数据范围匹配测量信号的显示范围如：256 对应 200C温度，确定数字转换系数； 采样速率的确定，数字滤波的实现；（驱除干扰） 十进制信号BCD码变换，输出数据各位分别存储； 确定数字输出顺序，时间间隔，保持时间等； 选择驱动控制方式，静态显示？/动态显示？制定控制端口连接模式； 编制输出显示控制程序； 设定异常数据处理方法，并编制相应的故障监测处理程序；这样可保证正常程序不出现死循环现象。
12．3．1数字式显示仪表各环节功能,驱动电路和显示： 根据显示器功率消耗，计算驱动电流，确定限流电阻大小和功率； 依据驱动电流选取合适的驱动芯片； 由驱动芯片的控制要求，连接到MPU的相应端口，并在编制软件程序时充分考虑时序的配合； 硬件电路的空间位置安排，散热要求的考虑，等等； 供电电压和所需最大功率的确认；一般应保持参数一致的电压 显示器亮度的调整，改变限流电阻，或驱动时间可实现此目标12．3．2数字式显示仪表的显示驱动,四位LED数字显示： LED数码管显示； 限流电阻取定，正常亮度，可以长期使用； 译码器将4位数据转换位8位驱动线端； 锁存器保证显示数据静态有效； MPU控制数据传递时序，循环周期等功能的实现12．3．2数字式显示驱动实例简介,硬件选型： 供电电压取5VDC； 7段数码管LED，2吋大小； 译码器选取74HC247，BCD码转换4进8出； 锁存器74HC273，输出连接2译码器，锁存MPU输出的数字信号； 限流电阻 试验数据测试： 7段数码管LED，每段串联电阻后点亮测试电流，并测量各段电压降；实测：10mA电流点亮合适，电压降2V 限流电阻计算：R=(5V-2V)/10mA=0.3K , 考虑到译码器低电平输出电压最大0.5V, 可估算R=(5-2-0.5)/10mA=0.25K。
限流电阻功耗计算：P=IxU=10mAx2.5V=25mW , 可选1/6W, 1/8W电阻规格； 查阅技术手册，74HC247译码器最大允许驱动电流为20mA，可以符合10mA的使用条件； 锁存器，译码器和MPU的信号连接均为数据信号，无大电流输出，可直接连接； 实验证实： 将数码管，限流电阻，电源，测量仪表连接实验，论证和观察实际使用效果若有问题，进行分析，改进修正12．3．3数字显示表位数的确定,问题：应选择几位数字显示器才能满足要求呢？ 一般选取原则： 根据最小显示单位，如：0.1C, 0.5cmH2O, ； 根据测量参数的变化范围，如：0-300C ； 计算公式：N = (Xh – Xl) / r ; Xh,Xl为测量参数上限和下限； r最小显示单位； N值代表数字显示的位数； 例：Xh=300C，Xl=0C，r=0.1C, N=(300-0)/0.1=3000，即：4位数字显示； 若Xh=100C，则N=1000，但最高位只显示0或1，故只能算作3位半，即：3 ½ 位12.3.4 数字滤波的方法与实现,问题的提出： 采样数据的瞬时性，能否保证数据的可靠性？ 偶然干扰可能带来数据严重偏差，而干扰总是存在的。
采取的措施——数据滤波： 平均值滤波：采集多个数据，取平均值后输出，可消除采样数据波动带来的影响； 中位值滤波——多个采样数据大小排队，取中间位的数据值输出，可消除偶然触发的干扰影响； 递推滤波——每次取除最早进入的数据，加入最近的数据，平均取值后输出，可延续历史数据，减小数据输出显示的波动； 权衡利弊： 数据滤波的优点——可减小干扰影响，增加可靠性； 缺点——数据变动迟缓，信号突变时响应不够快 要根据需要，选取不同的数据滤波方法，采样速率和实施方式12.3.5 故障报警的实现,故障报警的定义： 超过预定的指示信号范围，给出相应的故障输出信号（声音，灯光信号），以提醒操作人员注意，或输出到故障处理程序中启动相应的故障应急处理程序 故障报警的分类： 上下限报警：超上限给出高报警，超下限给出低报警； 大小限报警/停机：超小上限报警，超大上限停机； 故障信号锁定：信号超限后，即使返回正常范围，故障信号仍保持记忆状态，表示有过超限纪录操作人员操作后可消除 故障报警的延时机制：在一定范围内，检测多次超限后才启动报警，以避免偶然一次干扰引起误动作 故障报警的实现： 硬件实现——采用比较器或检测器，（输入信号超预定值，输出报警）； 软件实现——程序中安排数据比较，设定报警值的上下限，若输入数据大于设定上限，输出高报警；若输入数据小于设定下限，输出低报警；,§12.4 DDZⅢ光柱显示报警器,信号：直流 电压：1~5V 电流：4~20mA 电源： 直流：24V 交流：220V,,,,,,,,,上限,下限,,,,,,,,,上限设定,下限设定,DDZ光柱显示报警器 工作原理,§12.5 无笔无纸记录仪,无纸、无笔显示记录仪实际上是一台简化的计算机系统。
主要配置： CPU：工业专用微处理器； 主板：专用包括：ROM，RAM，时钟电路 接口电路： 键盘控制器：接面板膜式键盘； 显示控制器：接液晶显示器； 打印控制器：接微型打印机； 通讯控制器：外接计算机（PC）； A/D转换器：接测试仪表（模拟量）无笔无纸记录仪 主要功能,显示 柱状图显示、数字显示、实时变化趋势曲线 设定极限、报警； 时间、单位 简易编程——组态 具有格式化的简易编程功能 历史记录 通讯,人机界面——触摸屏,习题与思考,P 180 12-1, 12-6, 思考题1： 数字显示表的基本结构包含了哪几个环节？A/D转换的精度是如何选取？若测量范围0-200C,要求最小显示单位0.2C，则应选取几位的A/D转换器？应选用几位的显示器？ 思考题2： 数字显示表的哪个环节来实现数字滤波？数字滤波的主要功能是什么？若无数字滤波，可能会出现什么情况？ 思考题3： 数字显示表的显示驱动电路中限流电阻的主要作用是什么？若不用限流电阻，则会出现什么？。