黃盧記

(北京師范大學(xué)珠海分校工程技術(shù)學(xué)院，廣東珠海 519087)

壓力是化工生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，工藝條件要求不同，對(duì)壓力的要求也不同，為了保證生產(chǎn)正常運(yùn)行，必須對(duì)壓力進(jìn)行檢測(cè)與顯示。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字化壓力檢測(cè)儀能實(shí)時(shí)直觀地顯示出容器或工序環(huán)節(jié)中的壓力變化，洞察產(chǎn)品或介質(zhì)流程中的條件形成，從而監(jiān)視生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的安全動(dòng)向。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包含電源模塊的設(shè)計(jì)、壓力檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)、信號(hào)處理和數(shù)字顯示模塊的設(shè)計(jì)。電源模塊為其他模塊提供適合的電壓。壓力檢測(cè)模塊把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊把模擬電壓轉(zhuǎn)換為適于單片機(jī)處理數(shù)字信號(hào)。信號(hào)處理和數(shù)字顯示模塊把送來(lái)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸出顯示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源為設(shè)備內(nèi)部的其他模塊供電，包含了變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)［1］，其的核心是7815和7915三端穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器有內(nèi)部限流、熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償機(jī)制防止燒壞芯片，能提供大至1 A的電流，非常易于使用。其直接輸出的±15 V電壓為檢測(cè)模塊提供電源。然后通過(guò)7810和7805再分出5伏電壓為模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理和數(shù)字顯示模塊提供電源。

1.3 壓力檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

壓力檢測(cè)模塊的任務(wù)是把測(cè)量對(duì)象的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成方便處理和傳送的電信號(hào)。根據(jù)化工生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，選用菲爾斯特FST800－202型高壓型壓力傳感器。該產(chǎn)品是基于 MEMS技術(shù)，采用先進(jìn)的玻璃微熔技術(shù)，避免了溫度、濕度、機(jī)械疲勞和介質(zhì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生的影響，從而加強(qiáng)了傳感器在工業(yè)環(huán)境中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。壓力腔體采用進(jìn)口17－4PH不銹鋼整體加工，無(wú)“O”型圈、無(wú)焊縫、無(wú)泄漏隱患。傳感器內(nèi)置強(qiáng)抗射頻和電磁干擾、溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臄?shù)字電路，具有抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度范圍寬、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。FST800－202主要性能指標(biāo):①壓力量程為0～60 MPa;②精度為0.05%span;③過(guò)載壓力300%span;④破壞壓力500%span;⑤沖擊為100 g 11 ms。為了減少負(fù)載效應(yīng)，F(xiàn)ST800－202的輸出信號(hào)先送至電壓跟隨器，然后再送至ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。

1.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

從電壓跟隨器輸出的電壓依然是模擬電壓，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字電壓信號(hào)，并傳送至單片機(jī)［2］。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以ADC0804為核心，ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，分辨率8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間100 μs，輸入電壓范圍為0～5 V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與單片機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線。將電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓連接至ADC0804的VIN+引腳，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)口送至單片機(jī)AT89C51的Port 2。ADC0804的、和分別連接到單片機(jī)的RXD、TXD 和，以查詢(xún)方式檢測(cè)ADC0804是否完成轉(zhuǎn)換。

1.5 信號(hào)處理和數(shù)字顯示電路設(shè)計(jì)

信號(hào)處理和數(shù)字顯示模塊的核心是AT89C51。是一種帶4K字節(jié)可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。從電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路傳送至AT89C51的Port2的信號(hào)是與模擬電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)AT89C51的處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的顯示驅(qū)動(dòng)編碼，通過(guò)Port0傳送至四位共陽(yáng)極七段LED數(shù)碼管的數(shù)據(jù)總線上，掃描信號(hào)則通過(guò)P1.0～P1.3分別接至Q1～Q4的基極上，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示［3］。

1.6 系統(tǒng)電路

系統(tǒng)的硬件電路如圖1所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)字電壓信號(hào)的處理主要靠AT89C51通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)包含查詢(xún)讀取模塊、求值運(yùn)算和輸出顯示模塊的設(shè)計(jì)。首先根據(jù)后續(xù)程序的需要做一些全局設(shè)置，然后用查詢(xún)方式從ADC0804采集數(shù)字信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，最后把運(yùn)算的結(jié)構(gòu)輸出顯示。軟件總體設(shè)計(jì)的框圖如圖3所示。其中轉(zhuǎn)換查詢(xún)讀取及數(shù)值計(jì)算在主程序中實(shí)現(xiàn)，輸出顯示用顯示函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 主程序設(shè)計(jì)

圖3 主程序設(shè)計(jì)流程圖

2.3 顯示程序設(shè)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

在正常的使用條件下，儀表測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度叫儀表的準(zhǔn)確度。壓力表精度等級(jí)是壓力表精確度等級(jí)或準(zhǔn)確度等級(jí)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是以允許誤差占?jí)毫Ρ砹砍痰陌俜致蕘?lái)表示的，一般分為 0.5、1、1.5、2、2.5、3、4七個(gè)等級(jí)，數(shù)值越小，其精度越高。系統(tǒng)調(diào)試校正后，以60 MPa為量程進(jìn)行測(cè)試，精度為0.93，儀表的精度達(dá)到1級(jí)。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、顯示精確、顯示直觀的特點(diǎn)，可以用在化工生產(chǎn)中對(duì)壓力測(cè)量要求相對(duì)較高的各種工藝環(huán)節(jié)上。

［1］童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006:513.

［2］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分［M］.北京:高等教育出版社，2006:459.

［3］張義和.陳敵北.例說(shuō)8051［M］.北京:人民郵電出版社，2006:103.