智能压力变送器设计.docx
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1、传感器在工业生产中起着重要的作用,随着工业的发展,人们对于传感 器的精度和用户体验等方面有着越来越高的要求,相应的仪器仪表在工业生 产中也有着越来越重要的地位。压力,作为工业生产过程中重要参数之一, 实现对其精确的检测和控制是保证生产过程运行和设备安全必不可少的条 件。这个课程设计是以AT89C51单片机为核心的智能压力变送器。通过压力 传感器对工业现场的压力信号进行采集,通过全桥测量电路,三运算放大电 路,进过AD0809转换器转换成数字信号送往单片机AT89C51进行处理,再经 过DA0832装换成模拟信号,输出420mA的标准电压信号,由LED液晶显示 屏显示所测得压力值。人机交互采用独
2、立式键盘,键盘设置“ +”,-”和 “、”三个按键分别用来设置上限值、下限值和锁存上限值和下限值,并设 置报警电路,当输出超过上限值或下限值后自动报警提醒工作人员。关键词压力变送器智能化目录摘要I1绪论11.1压力变送器背景和应用简介12系统总体设计22.1系统设计要求22.2总体设计方案23智能压力变送器的硬件设计43.1压力传感器43.1.1压力传感器的选择43.1.2压阻式压力传感器的结构组成 43.2电阻信号的测量桥路53.2. 1测量电路的工作原理53.3信号放大电路63.3.1放大器的选择63.3.2三运放差分放大电路63.4 A/D转换模块73.4.1 ADC0809与单片机连接
3、 73.5单片机83.5.1 AT89C51单片机简介83.5.2单片机复位电路与自激振荡电路93.6键盘接口输入93.6.1键盘分类简介及选择93.6.2键盘抖动及消除103.7 LED显示接口电路113.7.1 LED数码管静态显示接口电路 113.8 D/A转换模拟输出及信号放大123.8.1 DAC0832 简介123.8.2 D/A转换输出与放大电路 123.9报警电路134智能压力变送器软件设计144.1 A/D转换器软件设计144.2单片机与键盘接口程序设计154.3 LED数码管静态显示程序设计164.5智能压力变送器程序设计18总结和体会19参考文献20附录211绪论1.1压
4、力变送器背景和应用简介压力传感器作为工业活动中最为常见的传感器之一,其广泛运用于交通 运输、石油化工、军事工业等各种工业自动控制的领域中。压力变送器的工 作原理是将压力信号转变成某种可测量的电信号,如日常生活中常见的应变 式压力传感器,其工作原理是通过施加压力使弹性元件变形从而产生电阻的 变化,通过测量电阻的变化量,利用一定的标度变换,从而得出压力的大小。在日常生活和工业生产中,人们可利用监测压力的变化和实现对压力的 控制进行多种生产活动。例如,在地理环境中海拔高度可以通过测量大气压 力的变化来获得;在化工厂中,利用压力参数来判断化学反应的过程;在气 象预测中,测量大气压力可以判断阴雨天气状况
5、。因此,压力变送器的设计 拥有广阔的市场前景。自上世纪80年代,基于微处理器的智能压力传感器能 比较精确和快速的测量,特别是对动态压力的测量,实现多点信号转换、长 距变送、与计算机实时信息交换处理等,因而在农业、工业、国防、科技等 领域获得了迅速发展和广泛运用。世界上多个国家一直把传感器技术的发展 视为现代科技提升的关键。因为只有好的传感器技术,才能实现对工业过程 更完美和智能的控制,从而得以大幅度提升科技水平乃至综合国力。美国、 日本、欧洲等国的传感器技术一直在引领着世界潮流,我国对智能传感器的 研究最近几十年来虽然取得了很大成就,但由于起步较晚,缺乏对该方面的 高精尖人才,因此与世界顶尖水
6、平还有不小的差距,因此,要想实现我国科 学技术的长足发展,传感器技术必须要有质的突破。2系统总体设计2.1系统设计要求该系统要求能够满足以下几点设计要求:(1) 可测范围:01MPa2.5MPa (表压),且量程可选;(2) 显 示:3位数码显示(2.50MPa), 420mADC输出;(3) 附加要求:上、下限报警;(4) 测量精度:1%。2.2总体设计方案为了实现更高精度的测量,获得更加智能的人机交互,本次设计为基于 单片机的智能压力测量系统。该智能压力变送器基本原理是通过压力传感器 把压力信号转换成电压信号,该电压信号经放大后,送至模/数转换电路,将 其转换为数字信号以便单片机处理,最后
7、由LED数码管进行显示,并以工业 生产中标准的4-20mA的电流信号输出。在测量的过程中可以人为地通过独立 键盘进行设置测量的上下限,当输入的压力超出上下限时,蜂鸣器启动报警。该智能压力变送器,选用的的单片机为常见的AT89C51单片机,将压力经 过压力传感器变为电信号,在三运放差分放大电路下,对电压信号进行放大, 通过A/D转换器将电压信号转换为单片机可以处理的数字量。在该系统中,用 于电压信号采样的A/D转换器为ADC0809ADC0809是8位分辨率的CMOS型逐 次逼近式A/D转换器,它可实现8路多路模拟开关以及与单片机直接相连。转 换输出的数字量最高分辨可达256级,可以适应一般单片
8、机应用系统的模拟量 转换要求,同时也满足本设计的精度测量需要:土 1%。为了提高单片机系统 I/O 口线的利用效率,设计采用了 74LS164进行数据移位至数码管显示。 74LS164是CMOS型8位边沿触发式移位寄存器,可以实现串行输入数据,然 后并行输出的功能,它通过限流电阻直接与8位数码显示管相连,然后通过数 据移位功能将压力值在数码管上显示出。为了获得420mA标准输出电流,设 计采用了 DAC0832标准8位D/A转换器进行数模转换输出电流信号,由于经过 D/A转换的电流输出量十分微弱,因此可先将电流信号通过运算放大器转换为 电压信号,再利用ISOEM直流(电压/电流)信号隔离器,把
9、电压信号转化为 4-20mA标准电流输出本次设计是以单片机为核心的压力测量变送器,首先,外部施加给应变片 一个压力信号,然后应变片将信号转换成易测量的电信号作为输出,通过测量 桥路,多级放大电路将该电信号进行放大,将通过A/D模数转换的数字信号输 入至单片机进行数据处理,最后数据送给LED数码管显示,并实现键盘输入控 制、420mADC输出、上下限报警等功能。其原理图如图2-1所示。图2-1原理组成图3智能压力变送器的硬件设计3.1压力传感器3.1.1压力传感器的选择压阻式压力传感器是电阻式压力传感器的一种,它的特点是易于微小型 化;灵敏度高,它的灵敏系数比金属应变的灵敏系数高50100倍;它
10、具有 彳艮宽的测量范围,通常可达到10Pa-60MPa,并且,测量精度可达到1/1000, 具有高度的可靠性,使用寿命很长。因此,压阻式压力传感器已被广泛的应 用于石油、化工、核电、交通运输、航空制造等重点领域。3.1.2压阻式压力传感器的结构组成压阻式压力传感器主要是由压阻芯片和保护外壳组成,其内部主要是由 一块N型的硅膜片组成。在该N型膜片上对称的集成上了四个完全一样的P 型电阻,称之为扩散电阻。如图3-1所示的为压阻式压力传感器的结构组成 图。低压腔扩散电阻图3-1压阻式压力传感器结构3.2电阻信号的测量桥路对于压阻式压力传感器,产生的电阻信号需要进一步转化为电压或者电 路信号,以便进行
11、测量信号的远传和处理。最常用的的方法是采用电桥的方 法,电桥的准确度高、稳定信高、使用方便,可以准确的将扩散电阻变化量 转换成电压信号的变化量,减少了环境因素带来的测量误差。由于交流电桥 在信号传输过程中易受电路本身的影响,调节平衡困难,稳定性较差等缺点, 本设计采用直流电桥作为电压信号的测量电路3.2.1测量电路的工作原理桥路电源电压U ,4个桥臂阻值分别为R、R、R、R,当R = R = R = R12341233时,称之为等臂电桥。由于扩散电阻的电桥电路输出信号比较微弱,故目前 大部分电阻式压力变送器桥路输出端都会与直流放大器相连接。测量桥路如 图3-2所示。图3-2压力变送器测量电路由
12、于差动电桥的补偿作用,使引起非线性误差的因素互相抵消并且具有 温度补偿功能,而且半桥的输出信号灵敏度是单臂电桥的2倍,同时全桥电 路的灵敏度是半桥的2倍,全桥电路灵敏度很高,因此该设计采用全桥电路。 电路如图3-3所示。U0图3-3全桥电路3.3信号放大电路3.3.1放大器的选择由于被测压力经过应变片和全桥电路转变后得到的电信号十分微弱,所以在 对其进行A/D转换之前要对这些模拟电信号进行放大。本设计采用OP07双极 性运算放大器组成的三运放差分放大电路,OP07在很多应用场合不需要额外 的调零措施OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV
13、)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。能够保证在 具有较大共模电压的条件下,获得对微弱的差分电压信号进行放大的显著效 果,并且具有很高的输入阻抗。因此,这些特性使得三运放差分放大电路得 到广泛应用3.3.2三运放差分放大电路该设计采用了由OP07运算放大器组成的同向并联三运放结构,由OP07-1 和OP07-2组成第一级运放电路提高输入阻抗,OP07-3组成第二级运放电路提 高共模抑制比。这种结构可以很好地满足高输入阻抗、高共模抑制比、高增益、低漂移等电路要求。结构组成如图3-4所示。图3-4三运放差分放大电路3.4 A/D
14、转换模块3.4.1 ADC0809与单片机连接经过差分放大电路后放大的电压模拟量信号从IN 口输入,由于A、B、C 三位地址选通端子接地,根据通道选择表,信号从IN0输入,经过A/D转换 之后由数据输出端口 D0-D7输入至51单片机的P0 口,时钟脉冲输入端CLK 与P2.0相连,同时,由于转换器的START和ALE端口工作时序一样,因此把 两个端口连接在一起,再与P2.1连接,由一个单片机I/O 口控制,节省了 I/O 资源。OE端口和EOC端口分别由单片机P2.2和P2.3控制。连接图如图3-5 所示。INDDCINIDIIN2D2IN3D3INAD4IN5D5INED6I”? ADC0
15、809D?VCCAVREF+BcCLKVREF(-)STARTGNDALLotEOC(AD0)P3.GPl.DPl-1(Anj)po.?Pl,2(ADJ)P0.3P13(AD4)PD.JPU(AD5IP0.5Pl.5ADpaePl 6(AD7)PO,7Pl.7(A3PZ.( a工gsieaNcc.: / AT89C51OAL1(A1DJP2-2XTAL2(A11P2.3P3.6(WR)(A12JP2.4P3.7(RD5(A13JP2.5P3剧丽(A14fP2.6P3.3(ffiTI)(A15JPX7P3.4 RSTGNDP3.D|RXD)ALE/P=DGP3.1CRD)P5EN枫XVCCGND
16、图3-5 ADC0809与AT89C51单片机连接图3.5单片机3.5.1 AT89C51单片机简介CADOPO.O (ADLJPCI.L CAD2JPO.2 (AD3.PO 3- (AD4JPO.4 (ADSJPO.S (ADGJPO.G CAD7JPO.7 CABJP2.O (A9JP2.L (AlOJPZ.a (A11JF2.3 (AIZ)FZ 4 (A13JFZ.5|A15)P2.7 VCCC5WD ALE/PROG PM. NIAT89C51;:.电:P3_5(T1) P3 4(TO)XTAL1XTALZRST(RXDJ-PJ.OiTXDJ.P3.1PEB.TirTO)P3a&(WH
17、)图3-6 AT89C51单片机引脚符号图AT89C51的引脚图如图3-6所示。该设计选用的数据处理核心器件是AT89C51型高性能8位单片机,它内部集成了 4K字节的闪存,128字节的内 部RAM,以及32个双向I/O端口,一个全双工串行通信口,一个两级中断结 构,两个16位定时/计数器,片内振荡器及时钟电路等。片内置通用8位中 央处理器和Flash存储单元,可灵活应用于各种控制领域。3.5.2单片机复位电路与自激振荡电路在该设计中采取了电平开关与上电复位电路。在上电启动系统时,由上 电复位电路提供一个正脉冲触发系统并启动系统运行。当需要人工干预时则 按下电平式按键,由VCC直接向RST提供
18、一个+5V电平触发复位电路,产生复 位信号,强制系统复位到初始状态。单片机的复位电路与自激振荡电路如图 3-7所示;GNDVCCP3.0Pl.lAJP2JPQ-.2Pl ,2AD3JP0.3Pl.3(AJD4JIP&.4Pl .4AD5P0.5Pl.5时可冲闿PAJD7P0.7Pl.7啊。EA/VCCAT89C51A1DP2.2XTAL2(injF*/ +A12)P2.4PJ.7(RD)(A13JF2.5-Fg.Z|KTQ)pB-anKrn(A15JF2 7P3 4 ITO)RSTPJS1T1)CNDP3.0(RXD)ALE/PRCGpa.UTXD)PSEVVCCh161131JZ图3-7单片
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