毕业设计多路压力监测系统设计.docx
《毕业设计多路压力监测系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计多路压力监测系统设计.docx（49页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
毕业设计多路压力监测系统设计
本科毕业设计（论文）
题目：
多路压力监测系统设计
院（系）：
电子信息工程学院
专业：
电气工程及其自动化
2009年06月
多路压力监测系统设计
摘要
在企业生产中，准确及时地得到压力参数对生产管理、产品质量和生产安全具有十分重要的意义。
本文论述了基于单片机的多路压力监测系统硬件设计。
该硬件的主要模块包括：
信号采集、信号调理、结果显示、报警电路、看门狗模块。
本系统运行可靠、性能稳定、性价比高、应用前景十分广阔。
本文提出了针对多压力点进行计算机集中实时监测系统,介绍了它的基本原理、硬件组成，所以其结构清晰，易于修改,调试方便，大大提高了系统开发效率。
关键词：
单片机；传感器；LCD显示；压力监测
HardwareDesignofMulti-ChannelPressureMonitoringSystem
Abstract
Inproduction,accesstoaccurateandtimelypressureparametersonproductionmanagement,productqualityandproductionsafetyisofgreatsignificance.Thispaperdiscussesthehardtwaredesignofmulti-channelpressuremonitoringsystembasedonSCM（Thesinglechipmachhine）.Themainmodulesofthehardwareinclude:
signalacquisition,signalprocessing,theresultshowedandwatchdogmodule.Thesystemhasreliableoperation,stableperformance,cost-effectiveandverybroadprospectsforapplication.Thispaperpresentsamulti-pointpressurereal-timemonitoringsystem,andintroducesitsbasicprinciple,componentsofhardware,soitsstructureisclearandeasytotransplantandalsoconvenienttodebug.Thesegreatlyincreasetheefficiencyofthesystem’sdevelopment.
Keywords:
SCM,sensors,LCDDisplay,PressureMonitoring
1绪论
1.1课题的背景
在工业生产中，经常需要对压力信号进行监测。
压力监测系统主要用于汽车轮胎、煤矿、油田、锅炉等许多领域。
压力监测系统应用范围非常广泛，例如用于在汽车行驶时对轮胎气压进行自动监测，轮胎漏气和低气压是自动报警，以保证行车安全；还有用在供水管网上，通过对管道水压的实时监测，防止漏水等，在现实生活中，要实现智能化、自动化、机械化就必须做到对压力信号的及时采集与处理，压力信号就是一个常见的最基本的信号，所以目前国内外有好多关于压力方面的研究。
尤其是其中的单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。
由于压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用，因此有必要准确测量压力。
由于在进行监测时往往需要对多处的信息进行测量和监控，因此，设计多路压力监测系统十分必要。
1.2课题的研究意义
随着电子技术、计算机技术、通信技术的迅速发展，工业测控领域采用先进的技术对现场的工业生产参数进行监测，监测是实现工业自动化的重要标志。
据不完全统计，在工业生产中被监测最多的参数是压力、流量、温度这三大参数，无论在石油、化工、煤炭、水利等行业，还是电力、机械、航天、国防等部门，都离不开对这些参数的监测，当然除此之外，还有诸如液位、扭矩、密度、浓度、速度、位移、距离、电参量等众多物理参数的监测。
压力测量的领域十分广泛，其实，不仅在工业领域，而且在民用领域、军用领域压力的测量随处可见。
当然，不同的场合，对测压范围的要求不一，即使相同的测压范围，测量不同的对象，其测量的精度要求也不尽相同。
当然，我们做任何一件物品，都是在满足要求的前提下，越简单越好，成本越低越好，作为工业、民用、军用等领域的测量，这个原则也不例外，但作为人类对客观事务的认识，从测量的角度，从误差的概念，从真值的理解来看，我们应该在一定的条件下尽量地将测量的精度提高。
随着工、农业的发展，多路压力监测系统势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。
总之，不论在哪个应用领域中多路压力监测系统将直接影响工作效率和所取得的经济效益。
因而，多路压力监测系统的研发有着广阔的前景和市场。
1.3压力监测技术的现状及发展趋势
压力是一般工业领域最容易碰到的监测参数，市场上专用的各类压力监测产品也比较丰富，国内外的压力监测仪器的发展水平主要体现在仪器的智能化水平、测量的压力范围、测量的精度以及仪器的功耗技术指标上，目前国内的压力测量，在精度上很少高于0.1%。
在同一个行业，各个企业之间的现代化水平的差异也十分大，尽管目前的计算机技术和电子技术的发展水平都十分迅猛，但仍有一部分企业对压力的测量场合还停留在简单的测量工具上。
近年来，信息化一词在自动化领域内十分叫响，它在一定程度上推动了自动化技术的发展，我们的许多厂矿企业，运用计算机的水平不再体现在办公室的管理上，而是深入到生产的各个环节，各种可能导致安全生产隐患的各个环节在可能的条件下均运用了先进的计算机监控。
1.4课题的主要内容及技术指标
1.4.1课题的主要内容
掌握压力监测的基本工作原理，利用单片机设计一个供水管网压力监测系统，要求能够对16路压力信号进行监测，如果压力超出设定阈值需给报警信号，同时要求测量结果能够较长时间存储，并可与上位机进行通信。
1.4.2课题的技术指标
（1）压力监测范围0-6.5MPa；
（2）压力监测通道16；
（3）监测精度±1%。
2系统的要求及设计原则
2.1系统的要求
随着我国在水利、电力、风力等各方面的迅速发展，实行以经济手段为基础的商业化管理模式和加强动态监视管理已迫在眉睫。
传统的计量方式不能满足商业化运营的需要，采用准确可靠、经济实用的自动化系统是必然趋势。
本系统的构建需要满足能完成一些基本的远程数据采集和传输的要求，同时考虑满足市场发展及经济调度的需求，具备一些开关量的输入输出控制功能和抗干扰能力。
根据系统需求，系统需要提供的功能如下：
·采集功能：
对经过传感器转变的标准电压或电流信号，进行A/D转换，变成数字化的数据，这些数据可以通过单片机进行处理，并送到显示器显示。
·外部时钟电路：
可以显示时间和日期。
·看门狗电路：
X25045的看门狗定时器对单片机提供独立的保护系统，保证了单片机可靠复位
·键盘和显示：
键盘的作用可设定一些参数。
而前面单片机处理的数据可由LCD进行显示。
·报警功能：
当压力高于某个值则系统就会报警。
2.2系统的设计原则
该系统本着安全、精确、可靠、先进、实用、经济、合理的原则进行设计，在设计过程中应该把握以下系统设计原则：
●准确性：
系统在数据采集、传输、存储等环节均应采取相应措施确保数据的准确性。
具体包括量测值准确、数据时标准确、量纲准确。
●可靠性：
系统的数据作为计量依据，必须具有高度的连续性和完整性，万一发生丢失也必须有弥补的手段。
●及时性：
系统数据需要有一定的及时性，即在一个数据召唤周期内应能将所有数据传输一次，对于各种异常情况，能在短时间内解决。
●安全性：
尽可能确保数据采集和处理中数据不被修改或删除。
●先进性：
系统设计尽可能不以降低系统可靠性为代价，真正做到不仅具有当今先进技术，采用先进的概念、技术和方法，而且具有发展潜力。
●抗干扰性：
是系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线等。
3系统硬件电路设计
3.1系统的组成
压力监测系统的硬件电路主要由压力变送器、多路选择开关、电流电压转换器、信号放大器、A/D转换器、单片机，液晶显示电路，报警电路，看门狗电路，外部时钟电路，外部存储电路和串行口电路组成。
系统硬件电路框图如图3.1示：
图3.1系统硬件电路框图
3.2系统的工作原理
系统的CPU选用AT89系列单片机AT89C51,测力敏感元件为压力变送器，将压力引起的微小变化转换为相应的电流信号变化,经多路选择开关选择信号通道送入I/V转换器转换为电压信号，该电压信号经放大电路放大、调零后送A/D转换器转换为相应的数字量送到单片机AT89C51，AT89C51读入数据并对其进行数据滤波、存储和送液晶显示器显示，当数据大于6.5MPa进行报警处理。
3.3系统主要芯片简介
3.3.1压力变送器
LT-YG智能压力变送器如图3.2所示具有多种型号，多种量程，多种过程连接形式及材料。
可广泛应用于石油、化工、电力、冶金、制药、食品等许多工业领域，可适应于工业测量的各种场合及介质，是传统压力表及传统变送器的理想升级换代产品，是工业自动化领域理想的压力测量仪表。
图3.2LT-YG智能压力变送器
（1）LT-YG型压力变送器的特性：
·小型轻巧，有利于抗震；
·螺纹连接型：
0.8kg；
·内藏大屏幕数字LCD，外型尺寸36×36mm,字高为16mm，精度为±1个字；分两行显示，上行显示单位，下行显示数据；（可选带背光的液晶显示器，是国内唯一的带背光的二线智能压力变送器。
带背光的压力变送器显示非常直观，有利于现场人员在远距离或黑暗的情况下清晰读数。
）
·采用计算机数字自动调校；
·全开放的用户自设定界面；（支持变送输出值零点迁移，测量值零点与量程范围设定，输出方式设定。
支持测量值增益放大功能，变送输出值增益放大功能。
）
·可任意设定量程，提高量程变化的灵活性，能有效减少备品库存；
·故障自诊断功能；
·设定参数断电永久保留及参数密码锁定功能；
·无源标定功能；（该功能使用户在不使用压力源和校验仪的情况下进行量程迁移。
）
·供电不分正负；（该仪表接线不分正负，任意接线均输出4-20mA。
）
·Hart通讯功能；
·工作可靠，免维护。
（2）LT-YG型压力变送器的技术指标如表3.1所示：
表3.1LT-YG型压力变送器的技术指标
参数名称
说明
过程连接
G1/2外螺纹，1/2NPT内螺纹，M20C1.5外螺纹
材质
膜片氧化铝陶瓷或SUS316L
过程连接件不锈钢316L（美国标准）
1.4581（德国标准）
lCr18N19Ti（中国标准）
哈氏合金C
密封件氟橡胶
丁腈橡胶
聚四氟乙烯
外壳铝合金
外部环境温度范围
-30℃-+70℃
接触液体温度范围
-40℃-+110℃
防爆等级
隔爆型ExdllcT61区（不含乙炔）
本安型号ExialicT40区
电气管道连接
G1/2内螺纹，1/2NPT内螺纹
涂装
丙烯烘漆，金属绿
输出
4-20mADC二线制
Hart数字通讯
供给电源
11.5-30VDC
说明：
量程范围/测量范围/精度/最大工作电压：
请参照“标准量程表”外型尺寸如表3.2所示：
表3.2外形尺寸
过程接口
型号
L（mm）
G1/2外螺纹
G4
134
1/2NPT内螺纹
N4
M20X1.5外螺纹
PH
标准量程表如表3.3所示：
表3.3标准量程表
测量方式
量程范围
测量范围
订货代号
精度
最大工作压力
表压
40-800KPa
0-800KPa
1
0.2
1.6MPa
0.1-2MPa
0-2MPa
2
0.2
4MPa
0.5-10MPa
0-10MPa
3
0.2
20MPa
1.25-25MPa
1-25MPa
4
0.2
60MPa
绝压
40-800KPa
0-800KPa
1
0.2
1.6MPa
0.1-2MPa
0-2MPa
2
0.2
4MPa
0.5-10MPa
0-10MPa
3
0.2
20MPa
1.25-25MPa
0-35MPa
4
0.2
60MPa
负压
-35-3.5KPa
-35-0KPa
1
0.2
0.6MPa
-100-10KPa
-100-0KPa
2
0.2
0.6MPa
正负压复合
9.8-100KPa
-100-100KPa
1
0.2
200KPa
4-400KPa
-100-400KPa
2
0.2
800KPa
0.2-2MPa
0.1-2MPa
3
0.2
4MPa
1-10MPa
-0.1-10MPa
4
0.2
20MPa
端子说明如表3.4a,3.4b，3.4c所示：
表3.4a端子说明
记号
序号
端子
SUPPLY+
3
电源和输出信号+
SUPPLY-
2
电源和输出信号-
1
接地
表3.4b端子说明
端口名称
端子序号
端子说明
G200串行通讯口
1
电源+
2
USART同步时钟线
3
USART同步数据线
4
电源-
表3.4c端子说明
记号
序号
功能
SET
3
设定键
+
2
增加键
-
1
减少键
打开变送器后盖，可见端子，方为接线端子，序号由左至右为1-3，左侧为通讯端子，序号由上到下为1-4，详见表3.4a，表3.4b。
打开变送器后盖，拧松键盘盖板锁定螺丝可取下键盘盖板，进行参数设置。
键的序号由左至右为1-3。
功能定义见表3.4。
电气连接：
·出线方式：
具有180度双侧出线口，G1/2螺纹配标准的密封电缆接头。
·防护等级：
IP65
负载特性：
供给电源/负荷阻抗特性。
3.3.2多路选择开关
多路选择开关采用CD4067,CD4067的引脚图见图3.3。
CD4067相当于一个单刀十六掷开关，具体接通哪一通道，由输入地址码ABCD来决定,其真值表如表3.5所示。
图3.3CD4067引脚图
表3.5CD4067真值表
D
C
B
A
INH
接通通道
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
2
0
0
1
1
0
3
0
1
0
0
0
4
0
1
0
1
0
5
0
1
1
0
0
6
0
1
1
1
0
7
1
0
0
0
0
8
1
0
0
1
0
9
1
0
1
0
0
10
1
0
1
1
0
11
1
1
0
0
0
12
1
1
0
1
0
13
1
1
1
0
0
14
1
1
1
1
0
15
X
X
X
X
1
均不接通
CD4067是模拟开关，数字电路中模拟开关是很有用的器件，用它来切换数字信号的传输是十分方便的。
CD4067是单16路（单刀16位）模拟开关，各开关由外部输入二进制的地址码A、B、C、D来切换。
其中脚10、11、13和14是地址码A、B、C、D的输入端；脚2～9和16～23是开关的输入/输出端（开关位）；脚1是开关的输出/输入公共端（开关刀）；脚15为控制端，低电平有效（选通），高电平禁止（开关开路）。
CD4067的4位二进制码A、B、C、D共有16种状态，所以可以控制16个开关的通断。
3.3.3I/V转换器
I/V转换器采用ISO-A-P-O系列，其规格如表3.6所示：
表3.6ISO-A-P-O系列I/V转换器规格
输入额定电流
辅助电源
输出
A1:
0-1mA
P1:
24VDC
01:
4-20mA
A2:
0-10mA
P2:
12VDC
O2:
0-20mA
A3:
0-20mA
P3:
5VDC
O4:
0-5V
A4:
4-20mA
P4:
15VDC
O5:
0-10V
A5:
自定义
P5:
自定义
O6:
1-5V
ISO-A-P-O系列I/V转换器具有如下特性：
●低成本，精度等级：
0.1级，0.2级，0.5级；
●输入:
0-20mA/4-20mA等（阻抗≤250Ω）标准电流信号 ；
●输出:
0-10mA/0-20mA/4-20mA隔离变换的电流信号；0-5V/0-10V/1-5V等隔离变换的的电压信号；
●信号输入/输出/辅助电源：
隔离电压3000VDC三隔离；
●全量程内很高的线性度（非线性度＜0.2%）；
●小体积12PinSIP，符合UL94-0标准阻燃封装；
●工业级宽温度范围:
-40°C～+85°C；
ISO-A-P-O系列直流电流信号隔离放大器是一种将电流信号转换成按比例输出的隔离电流或电压信号的混合集成电路。
该IC内部含有一组高隔离的DC/DC电源和电流信号高效率耦合隔离变换电路等，可以将直流电流小信号进行隔离放大（I/I）输出或直接转换为直流电压（I/V）信号输出。
很小的输入电阻（≤250Ω）,较强的带负载能力（电流输出＞650Ω,电压输出≥2KΩ）能实现小信号远程无失真的传输。
IC内部可采用陶瓷基板、印刷电阻全SMT的可靠工艺制作及使用新技术隔离措施，使器件能满足信号输入/输出/辅助电源之间3KV三隔离和工业级宽温度、潮湿震动等现场环境。
要求外接200K的满度校正多圈电位器，可实现4-20mA/0-20mA/0-5V/0-10V/1-5V等信号隔离转换和一进二出、二进二出功能的变换。
3.3.4信号放大器
美国国家半导体公司（NationalSemiconductorCorporation）近日宣布推出一款偏置电流低于所有竞争产品的高精度放大器。
这款型号为LMP7721的芯片无论在室温之下还是在摄氏-40度至125度的广阔温度范围内，其输入偏置电流保证只有20fA，因此可大幅提高光电二极管及高阻抗传感器的系统灵敏度及准确度。
换言之，这款放大器可大幅提高便携式系统及电化传感器接口电路的灵敏度及准确度。
LMP7721芯片是美国国家半导体高能源效率Powerwise系列的最新型号产品，该芯片仅用1.3mA电流就可提供高达17MHz的增益带宽。
LMP7721芯片采用美国国家半导体专有VIP50BiCMOS工艺技术制造，因此内置输入偏置电流消除电路可降低输入偏置电流。
而其他竞争产品在高温区的输入偏置电流便远比LMP7721芯片高。
以摄氏85度的温度为例来说，LMP7721芯片的输入偏置电流保证只有900fA，比最强劲的竞争对手还低50%。
此外，美国国家半导体还为高精度系统提供一个完备的信号路径解决方案。
（1）LMP7721高精度放大器的主要特色：
LMP7721高精度放大器的输入偏置电流最低可达3fA，摄氏25度时输入偏置电流保证不超过20fA，摄氏85度时这个电流值保证不超过900fA，摄氏125度时则保证不超过5pA，而且在整个输入共模电压范围内输入偏置电流都能保持在极低的水平。
此外，这款放大器芯片的增益带宽也极高，开环增益更高达120dB，因此可确保信号调整更为准确。
此外，LMP7721输入电压噪声只有6.5nV/sqrtHz，摄氏25度时直流偏移电压不超过±150uV，偏移电压温度系数只有1.5uV/°C，上述优点对改善系统的灵敏度及准确度极有帮助。
LMP7721芯片可在1.8V至5.5V的供电电压范围内操作。
其采用的8引脚SOIC封装特别将放大器的供电输入与输出引脚相隔离。
这种独特的设计可以避免印制电路板的漏电流流入输入引脚，进一步减少系统错误。
系统设计工程师只要采用这款LMP7721芯片，便可取代放大器及分立式双输入MOSFET晶体管，为印制电路板节约约50%的空间。
（2）LMP7721高精度放大器的技术指标如表3.7所示：
表3.7LMP7721高精度放大器的技术指标
25°C输入偏置电流
±20fA
85°C输入偏置电流
±900fA
失调电压
±26uV
失调电压漂移
-1.5uV/°C
DC开环增益
120dB
DC共模抑制比
100dB
输入电压噪声（在f=1kHz）
6.5nV/sqrtHz
THD
0.0007%
电源电流
1.3mA
增益带宽积（GBW）
17MHz
压摆率（下降边沿）
12.76V/us
电源电压
1.8V-5.5V
工作温度范围
-40°C-+125°C
3.3.5A/D转换器
AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。
（1）AD574A主要功能特性如下：
●分辨率：
12位
●非线性误差：
小于±1/2LBS或±1LBS
●转换速率：
25us
●模拟电压输入范围：
0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种
●电源电压：
±15V和5V
●数据输出格式：
12位/8位
●芯片工作模式：
全速工作模式和单一工作模式
（2）AD574A引脚说明如下：
[1]pin1（+5V）——+5V电源输入端；
[2]pin2（12/8）——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出；
[3]pin3（CS）——片选端；
[4]pin4（A0）——字节地址短周期控制端。
与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
须注意的是，12/8端TTL电平不能直接与+5V或0V连接；
[5]pin5（R/C）——读转换数据控制端；
[6]pin6（CE）——使能端；
AD574A的CE、12/8、CS、R/C和A0对其工作状态的控制过程：
在CE=1,CS=0同时满足时,AD574A才会正常工作,在AD574A处于工作状态时,当R/C=0时A/D转换,当R/C=1时进行数据读出。
12/8和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
A0=0时,启动是按完整12位数据方式进行的。
当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。
当R/C=1,也即当AD574A处于数据状态时，A0和12/8控制数据输出状态的格式。
当12/8=1时,数据以12位并行输出,当12/8=0时，数据以8位分两次输出。
而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。
其控制逻辑真值表如表3.8所示。
表3.8AD574A控制逻辑真值表
CE
CS
R
升级会员 