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基于单片机的压力变送器设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

随着工业化水平的不断提高,新型智能仪表在工业生产过程中运用也越来越广泛,同时对输出数据的准确检测和处理也变得至关重要。生产过程的运行和设备安全是极其重要的,那么如何实现对其精确的检测呢?众所周知,在工业生产过程中有一个很重要参数——压力,显然这个参数是一个必不可少的条件。故而,研究智能压力变松器系统对工业生产有着不平凡的意义。

本文在设计时将采用AT89C51单片机作为设计的核心基础,并在此基础上进行数据的采集以及数据的处理。首先要考虑的是压力信号和电压信号如何转换的,根据实际情况,我们选择使用应变式压力传感器,并且信号转换之后可以根据需要利用放大电路去放大电压。此时,为了在单片机数码管上显示所需要的数据,需要外接一个转换器——A/D转换器,此转换器会把电压信号转化成为单片机能够处理的数字信号。最后再利用D/A转换器模块进行转化就能实现4-20mA的标准工业电流输出。

设计结果通过Proteus进行模拟仿真,将写好的C语言程序下载到仿真软件后,可以通过调节电阻值显示不同的数据。即当电阻值发生变化时,对应的电压信号也会发生变化,最终实现0-30kg对应4-20mA的电流输出。

关键词:压力变送器;AT89C51;A/D转换;D/A转换

Abstract

With the continuous improvement of industrialization level, the new intelligent instrument in the industrial production process, the accurate detection and processing of data has become crucial. The operation of the production process and the safety of the equipment are extremely important, so how to achieve accurate detection? As we all know, there is a very important parameter in the industrial production process - pressure, obviously this parameter is an indispensable condition. Therefore, the study of intelligent pressure changer system has an extraordinary significance for industrial production.

According to this paper, AT89C51 microcontroller is adopted as the core of the design, and data acquisition and detection processing are performed on the basis of this. Specifically, the pressure signal and the voltage signal are first converted by means of a strain gauge pressure sensor, and after the two signals are converted according to the target, the voltage can be amplified by the amplification circuit. At this time, in order to display the required data on the microcontroller digital tube, an external converter, an A/D converter, is needed, which converts the voltage signal into a digital signal that the microcontroller can process. Finally, the D/A converter module can be used for conversion to achieve a standard industrial current output of 4-20 mA.

The design result is simulated by Proteus, and the written program is downloaded into the simulation software. Different data is displayed through debugging. When the input pressure signal changes, the corresponding voltage signal will also change, and finally realize 0-30kg correspondingly. 4-20mA current output.

Key Words:Pressure Transmitters; AT89C51; A/D converter; D/A converter;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.3 压力变送器设计的研究内容 2

第2章 压力变送器的总体设计方案 3

2.1 压力变送器设计的主要内容 3

2.2 压力变送器的设计原理 3

第3章 压力变送器的硬件电路设计 5

3.1 压力传感器 5

3.1.1 压力传感器的选择 5

3.1.2 电阻式应变传感器的工作原理 5

3.2 电阻应变传感器测量电路 7

3.3 信号放大电路 8

3.3.1 运算放大器的选择 8

3.3.2 三运放差分放大电路 9

3.4 单片机最小系统模块 10

3.5 A/D转换模块与单片机连接 11

3.6 数据显示模块 13

3.6.1 LED数码管的基本介绍 13

3.6.2 LED数码管的驱动方式 14

3.6.3 LED数码管的静态显示电路 14

3.7 D/A转换模块与单片机连接 15

3.8 4-20mA标准电流输出模块 16

第4章 压力变送器的软件设计 18

4.1 压力变送器总体设计流程图 18

4.2 A/D模数转换器的软件设计 18

4.3 单片机LED显示的软件设计 19

4.4 D/A数模转换器的软件设计 19

第5章 网口传送数据模块 20

5.1 网络接口芯片的选择 20

5.2 网络接口芯片W5500的工作原理 20

5.3 W5500与单片机连接原理图 22

第6章 总体电路仿真测试 24

6.1 应变电桥传感器信号放大仿真结果 24

6.2 4-20mA电流输出仿真结果 25

总结与展望 27

参考文献 28

致 谢 29

附录A 30

第1章 绪论

1.1 课题研究目的及意义

日常生活中常见的水利水电、军事工业、交通运输甚至航空航天等工业领域,都涉及了自动控制环境,这种自动控制环境的顺利开发和应用离不开压力变送器,可见它在工业生产中的重要性,并且它也是一种常见的测量仪器。例如,应变压力传感器在日常生活中很常见,它的工作原理是通过外界给弹性元件施加压力,从而产生电阻值的变化,可以通过测量电阻的变化量,再利用一定公式的使用和工具转换便可得到压力值的大小。

在单片机的基础上设计压力变送器,不仅可以极大地提高它的灵敏度大小,更可以推动它在社会生产过程中的应用与发展,并且以单片机为核心设计的压力变送器。该压力变送器不仅具有成本低、性能稳定及结构简单的特点,而且可以更加精确的测量数据,具有更好的实用价值,可以广泛应用于压力、液体、气体的测量与控制等自动控制系统中。该设计思想是将硬件与软件结合,首先完成硬件电路的设计,再结合软件部分,完善总体电路设计,最终实现基于单片机的压力变送器设计。

因此研究基于单片机的压力变送器设计,可以最大程度的提高工业生产的速度以及生产的智能化发展。如何将为压力变送器与更多智能化的仪器、系统相结合是未来发展的主要方向。未来智能化压力传感器的发展方向有人性化,实现测量仪器的自我检测错误的功能;仪器小型化,这样可以将压力变送器适用于更多不同的环境;提高测量仪器的可靠性也是未来发展的方向。

1.2 国内外研究现状分析

如今世界上的高新技术有很多,其中传感器技术就是其中重要组成部分,它不仅被当作很多新技术革命发展的基础,而且在信息科学技术领域,它更是被看作信息技术发展的重要标志。目前我国自动化产业可以很好地发展,一部分原因就是传感器技术得到了很好的发展。我国传感器制造业早在二十世纪六十年代就已经开始逐渐地发展了,这是因为没有传感器技术的支撑工业生产并不能得到快速的发展。正是认识到了传感器技术的重要性,早在二十世纪八十那年代末,传感器就被列为我国高新技术发展的重点之一。历经几十年的发展,我国在传感器领域取得了很多优异的成绩。例如在一九七四年,我国研制成功第一个压力传感器;并组建了传感技术国家重点实验室。但与国外发达国家相比,我国传感器行业技术水平落后,缺乏核心技术,没有市场竞争力[1]

传感器技术被美国列为九十年代二十二项核心技术之一,美国甚至称九十年代为传感器时代,日本也一样注重传感器的发展,并将它列为六大核心技术之一。现在美国、日本、德国的几家公司几近主导了全世界的传感器市场,由此可见国外的一些发达国家对传感器的发展是极其重视的。随着传感器技术的不断发展,目前国外开始在传感器材料、类型、科技创新等方面做出大量研究,力求在传感器技术和构造等方面寻求更多的突破。

现代信息技术有三个重要的支柱,这三个支柱分别是传感器技术、通信技术和计算机技术[3]。作为物联网的基础,它们在国家经济发展方面甚至是国防科研方面都有涉及,应用范围十分广泛。因而我国传感器行业必须建立创新意识,加快科研成果的转换,将我国传感器市场逐步扩大并缩小其与发达国家之间的差距,而这就意味着要发展新型传感器并将其慢慢产业化,并且在逐渐产业化的过程中要注意在原有的基础上把性价比进一步提高。

1.3 压力变送器设计的研究内容

设计研究一个基于单片机的压力变送器设计要实现的主要内容和论文总体框架有以下六个方面。

(1) 首先在第一章是对本次毕业设计做一个总体论述。通过查阅资料了解了目前国内外在压力变送器方面研究的现状,并对设计所要研究的内容进行总体概述。

(2) 在第二章中,主要是课题进行功能描述、总体方案设计以及可行性计划的分析研究,确定最终所采用的设计方案。将单片机的相关原理及开发技术使用到压力变送器的设计中,以及设计压力变送器的原理框图。

(3) 第三章是压力变送器的硬件电路设计。首先是对每个单独的模块进行讲解,之后传感器和相关硬件电路结合,最后依据设计方案完成基于单片机的压力变送器设计的方案制订和硬件电路设计。

(4) 第四章是压力变送器的软件设计。按照总体设计方案在基于单片机的基础上实现。之后将写好的代码下载到硬件电路中,运行仿真软件对全部设计进行测试。

(5) 第五章是网络数据传输模块。这部分主要讲述的是如何实现设计与网络传输芯片联合在一起使用,并可以在电脑上显示数据。

(6)第六章是压力变送器设计的总体电路仿真调试图。根据仿真结果分析设计中所出现的不足之处,以及解决方案。

第2章 压力变送器的总体设计方案

2.1 压力变送器设计的主要内容

基于单片机的压力变送器设计要实现的功能主要有三个方面。

(1) 实现对应变式电桥传感器010mv的信号放大;

(2) 具有调零和定标(零点和增益调节)功能,并使030kg对应420mA标准工业电流输出;

(3) 可以通过网络接口芯片传送数据。

2.2 压力变送器的设计原理

这一次的设计有一个核心内容,那就是AT89C51单片机。通过对总体设计方案分析可以知道,系统主要由六大模块构成:传感器模块、信号放大电路模块、单片机模块、A/D转换模块、D/A转换模块、电流信号输出模块以及重量显示模块[4]。压力变送器设计的原理图如图2.1所示。

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图2.1 压力变送器设计的原理图

由上图可知,设计的主要过程如下:首先外部施加给应变片一个压力信号,而在仿真电路中是通过电阻值的变化来体现。之后通过应变式电桥传感器将压力信号转换成模拟电压信号,并输出到电桥电路。再通过三运放差分放大电路将电压信号放大到05v,并且送至模数转换电路中,将其转换为单片机可处理的数字信号。为了获得420mA标准输出电流,设计采用了DAC0832标准八位D/A转换器进行数模转换输出电流信号,但经过数模转换器的电流输出量较小,故需要利用运算放大器将输出的电流信号进行放大,再根据计算需要采用一个输入电压为6V的加法器电路,最终通过D/A转换模块、信号输出电路模块,实现工业生产标准的420mA的电流信号输出。最后,关于数据的传达是可以借助网络接口芯片的,而显示数据方面我们选择用单片机的数码管显示模块去显示数据。

由压力变送器设计的主要内容可知,本次设计最重要的环节就是将电桥电路输出的信号放大,此外还要实现调零和定标的功能。故设计的核心原理可以分为两个部分。

(1) 第一部分比较容易实现。首先将应变电桥传感器010mv的信号放大为05v,这部分只需要用三运放差分放大电路即可实现,只需通过电路计算公式得出相应电阻大小,然后通过改变滑动变阻器的大小,将放大倍数调制为500倍即可完成要求。

(2) 第二部分是实现030kg对应420mA的电流输出,这部分较为复杂。由于输入的电压为05v,所以只有当输出的电压满足05v 时,才能实现420mA的电流输出,从而实现定标。根据欧姆公式,只需在输出电路中乘上一个二百五十欧姆的电阻,即可实现输出的电压信号到电流信号的转变。计算可得此时输出的电压为15v,即将输入的05v电压信号经过单片机处理后可以得到15v的电压信号输出。故问题就转化为如何实现15v的电压输出。通过查阅资料知道,可以通过单片机的软件处理实现15v的输出,通过程序编写可以将输入的05v电压信号乘以4/5后变为04v电压信号输出,因为采用的是八位ADC模数转换芯片,对应输出范围为0255,所以只需将输出的电压信号加一伏即可实现15v的电压信号输出,可以通过代码在运算公式后面加上二进制值51即可实现预期想要输出的电压值,从而实现对应420mA的电流输出。本次设计按照要求所要实现的定标和调零功能,在这部分设计中都已经充分体现了。

第3章 压力变送器的硬件电路设计

压力变送器的硬件电路设计是本次课题的中心环节。这部分内容主要包括电桥电路设计、放大电路设计、模数转换设计以及电流输出电路设计等方面。

3.1 压力传感器

压力传感器是压力变送器硬件设计的重要环节,它所实现的功能是:首先外界向压力敏感元件施加一个压力信号,并将其转换为所要测量的电压信号,为测量压力信号提供数据基础。

3.1.1 压力传感器的选择

生活中有很多压力传感器。例如,利用电阻应变片把被测量的非电量的应变转换为电阻变化,采用的就是工业生产中的常见传感器--电阻应变式传感器。并且电阻应变传感器具有简单的结构、稳定的性能,以及高灵敏性的特点,除此之外,它还有使用方便、频率响应特性高以及环境适应性好的优点,同时还可以被运用于静态、动态测量。所以,电阻式应变传感器被广泛地使用,其中就包括在硬件设计方面的开发采用。

电阻应变传感器有三部分——弹性元件、电阻应变片和相应的测量电路[2]。其中电阻应变片分为两种,一种是金属应变片,这种应变片不仅仅具有工作性能稳定的优点,还具有精确度高的特点,正因为如此,它很受欢迎。但是,它的灵敏系数大小仅仅在二到四之间,故其具有较小的灵敏系数。另一种是半导体电阻应变片,它的优点是尺寸、横向效应、蠕动及机械滞后都比较小,常常被用于动态测量,与金属应变片相比,它的灵敏度是极其高的,其灵敏度约是金属应变片的五十到八十倍。结合本次设计并综合比较这两种电阻应变片的优缺点,最后决定选用半导体电阻应变片。

3.1.2 电阻式应变传感器的工作原理

通过查阅传感器知识可知,电阻式应变传感的工作原理是依据半导体的压阻效应。半导体的压阻效应是指其电阻率会因为受到的外界压力的改变而变化[6]。在仿真电路设计中没有半导体应变片,将采用电位器代替应变片以实现半导体的压阻效应。具体原理如下:

半导体的电阻可以表示为:

(3-1)

式中——电阻率;

导体长度;

——导体截面积;

对式(3-1)微分得

(3-2)

令导体截面半径为r,导体纵向应变量为,则有

(3-3)

式中称为导体的泊松比,也可称为横向变形系数,是指某一材料在受到外界压力时,导体横向应变量与纵向应变量的绝对值的比值,并且“-”号表示两者产生的形变方向相反。

将式(3-2)、式(3-3)代入式(3-1)中可得半导体压阻效应为

(3-4)

式中 半导体晶体纵向压阻系数

半导体晶体弹性模量

(3-4)中的是指因为外力而产生的应变片几何形状变化的数量值,并且决定了金属电阻应变片灵敏系数K的大小;而半导体电阻的应变灵敏系数K主要是由外力所引起的压阻效应决定,其大小一般可达一百以上,故可以忽略不计,此时

(3-5)

综上可得,应变灵敏系数为

(3-6)

工业生产中有很多不同的半导体材料,并且它们的灵敏系数是不一样的。灵敏度系数K的大小通常在六十到两百之间。相比之下,半导体的灵敏度系数大了许多。但半导体电阻应变片具有温度稳定性差的特性,测量较大应变时会造成严重的非线性情况,所以在应用时要采取相应的温度补偿和非线性校正措施。

设计时所采用电阻式应变传感器中的电阻应变片的基本结构主要是由敏感栅、基底、覆盖层、引线等组成。电阻应变片的基本结构如图3.1所示。

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