智能压力变送器设计

摘要

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4~20mA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

1 绪论

压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。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

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：0～1MPa—（表压），且量程可选；

（2）显示：3位数码显示（），4～20mADC输出；

（3）附加要求：上、下限报警；

（4）测量精度：±1%。

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ADC0809。ADC0809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：±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4～20mA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ISO EM直流（电压/电流）信号隔离器，把电压信号转化为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、4～20mADC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

压力传感器

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50～100倍；它具有很宽的测量范围，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。

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。

图3-1 压阻式压力传感器结构

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

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1R 、2R 、3R 、4R ，当1R =2R =3R =3R 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。

图3-3 全桥电路