壓力檢測與控制試驗系統(tǒng)設計報告

青島理工大學自動化工程學院檢測技術(shù)與控制儀表課程設計報告題目壓力檢測與控制實驗系統(tǒng)設計專業(yè) 班級 姓名 學號 指導教師 年月日壓力檢測與控制試驗系統(tǒng)設計設計任務1、設計參數(shù)上位水箱尺寸：800X500X600mm，上位水箱離地200mm安裝，通過直徑為20mm的PVC管道與其他設備相連，設備離地30mm，要求測量設備入口處的壓力。測量誤差不超過壓力示值的±1%。2、設計要求1） 上位水箱通過水泵供水，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速；2） 通過查閱相關(guān)設備手冊或上網(wǎng)查詢，選擇壓力傳感器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥變頻器、水泵等設備（包括設備名稱、型號、性能指標等）；3） 設備選型要有一定的理論計算；4） 用所選設備構(gòu)成實驗系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；5） 列出所能開設的實驗，并寫出實驗目的、步驟、要求等。課程設計評語設計報告成績（30%）設計過程成績（30%）答辯成績（40%）總成績摘要壓力參數(shù)指標在工業(yè)化生產(chǎn)中有著廣泛的應用，諸類儀表中，變送器的應用最為廣泛、普遍，變送器大體分為壓力變送器和差壓變送器。壓力測量對于保障正常的工業(yè)化生產(chǎn)有著重要的意義，對于本測控電路的設計，通過智能微壓力（差壓）變送器將物理型號變成電信號后，在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809輸送到單片機中所進行的硬件電路設計。通過80C51單片機的編程設計，完成對硬件電路的控制作用。ADC0809是美國國家半導體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。然后連接LED顯示器，顯示測量時的動態(tài)數(shù)據(jù)。本次課題設計最終結(jié)果是對輸入信號進行顯示與對比，而后輸出最終結(jié)果，并且在LED上顯示最終結(jié)果。關(guān)鍵詞：WLY-KC微壓力（差壓）變送器，ADC0809轉(zhuǎn)換器，壓力傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器，LED顯示器ABSTRACTThepressureparameterindexiswidelyusedinindustrialproduction,andthetransmitteriswidelyusedinallkindsofinstruments.Pressuremeasurementisofgreatsignificancetoguaranteethenormalproductionofindustrialization,forthedesignofmeasurementandcontrolcircuit,throughtheintelligentmicropressure(differentialpressure)transmitterphysicalmodelsintoelectricalsignals,afteranalog-to-digitalconversionchipADC0809deliveredtothehardwarecircuitdesignofMCUinthe.Throughthe80C51microcontrollerprogramming,tocompletethecontrolofthehardwarecircuit.ADC0809isproducedbyNationalSemiconductorCorporationNsCMOSprocess8channel,the8bitsuccessiveapproximationA/Danalogtodigitalconverter.ThenconnecttheLEDmonitortodisplaythemeasureddynamicdata.Thefinalresultofthedesignofthesubjectistodisplayandcontrasttheinputsignal,andthenoutputthefinalresults,anddisplaythefinalresultsontheLED.KEYWORDS：WLY-KCmicropressure(differentialpressure)transmitter,ADC0809converter,pressuresensor,A/Dconverter,LEDdisplay目錄TOC\o"1-5"\h\z前言 6\o"CurrentDocument"一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"1.1壓力檢測與控制試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖： 7\o"CurrentDocument"1.2總體結(jié)構(gòu)設計的思路： 71.3一個完整的壓力檢測系統(tǒng)包括：取壓口；引壓管路和壓力檢測儀表 81.31系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 81.32一個簡單的壓力檢測系統(tǒng)示意圖（下圖） 8\o"CurrentDocument"二、方案設計與模塊選擇 9\o"CurrentDocument"2.1傳感器輸出電路 9\o"CurrentDocument"2.2變頻器選型 92.2.1變頻器的工作原理 92.2.2變頻器選型時要確定以下幾點 92.2.3變頻器所選型號： 10\o"CurrentDocument"2.3水泵的選型 10\o"CurrentDocument"2.4壓力傳感器的選型 11\o"CurrentDocument"2.5調(diào)節(jié)器 11\o"CurrentDocument"2.5.1DDZ-III型調(diào)節(jié)器電路結(jié)構(gòu)圖： 112.5.2基型調(diào)節(jié)器PD控制規(guī)律圖： 12\o"CurrentDocument"調(diào)節(jié)閥: 12\o"CurrentDocument"設計的控制系統(tǒng)回路 12\o"CurrentDocument"三、 具體硬件電路實現(xiàn) 13\o"CurrentDocument"供電電路 13\o"CurrentDocument"壓力感應電路 14\o"CurrentDocument"放大和濾波電路 15\o"CurrentDocument"壓力顯示電路與反饋控制 16四、 開設的試驗項目應變式壓力傳感器特性實驗 16\o"CurrentDocument"4.1、實驗目的: 16\o"CurrentDocument"4.2、實驗儀器: 17\o"CurrentDocument"五、 課程設計總結(jié) 17\o"CurrentDocument"參考文獻 18-i-L. —前言隨著科學技術(shù)的發(fā)展與生產(chǎn)技術(shù)的提高，傳感器技術(shù)已經(jīng)滲入日常生活之中。如壓力傳感器它已應用于醫(yī)學、生活日用品之中。本設計是將壓力傳感器用于測量壓力，但它不同與一般的測力計，它具有調(diào)節(jié)控制功能，適用于有壓力限制的測量應用中。它應用所學的集成電路和使用方法，使整個電路具有測壓力與調(diào)節(jié)功能。壓力測試與控制系統(tǒng)顧名思義就是測試壓力或壓強，當壓力或壓強超出一定范圍自動控制調(diào)節(jié)。壓力測試就是利用壓力傳感器將壓力變成與其成線性關(guān)系的電壓，在一系列集成元件作用下，在顯示器中顯示出壓力。整個設計之中顯示電路最為復雜。由于需要數(shù)字顯示，模數(shù)轉(zhuǎn)換器、七段譯碼器、LED顯示器使整個電路看起來復雜無比，但它比用表頭測量更方便，更實用。當然器件的選擇也會使整個設計增色，它不但能提高電路的性能，還能減少功耗。設計時主要采用中小規(guī)模的集成電路實現(xiàn)，主要培養(yǎng)分析解決問題的能力，提高設計電路，調(diào)整電路的實驗技能。一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1壓力檢測與控制試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2總體結(jié)構(gòu)設計的思路：第一步：根據(jù)課設要求選取合適的器件，并通過相應的理論計算進行選取第二步：進行控制系統(tǒng)回路的連接第三步：在連接好相應地回路后，根據(jù)給定的數(shù)值進行理論計算，用壓力傳感器對設備入口處壓力進行測量，通過調(diào)節(jié)器使測得的值和給定值進行比較，若測得的值使測量誤差超過壓力示值的±1%，則需對產(chǎn)生的偏差進行比例、積分或微分處理后，輸出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行器的動作，改變調(diào)節(jié)閥閥芯和閥座間的流通面積，同時控制變頻器對水泵的控制，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速以達到適當?shù)倪M水速度，從而使測量誤差不超過壓力示值的±1%。青島理工大學1.3一個完整的壓力檢測系統(tǒng)包括：取壓口；引壓管路和壓力檢測儀表1.31系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.32一個簡單的壓力檢測系統(tǒng)示意圖（下圖）取壓口壓力檢測儀表引壓管路取壓口壓力檢測儀表引壓管路系統(tǒng)示意圖青島理工大學二、方案設計與模塊選擇2.1傳感器輸出電路傳感器輸出電路是由單個傳感器構(gòu)成，由于壓力變化使得電阻變化從而輸出電壓發(fā)生變化，它輸出的電壓直接經(jīng)放大電路放大與濾波之后分別送至報警系統(tǒng)和表頭。表頭是可以直接顯示模擬量的，所以得到的電壓信號不需要進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，只需要讓電壓直接控制表頭指針的偏轉(zhuǎn)，然后規(guī)定好表頭的量程和單位2.2變頻器選型變頻器是把工頻電源(50Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。變頻器的工作原理我們知道，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式位：n=60f(l—s)/p式中n——異步電動機的轉(zhuǎn)速；f——異步電動機的頻率；s――電動機轉(zhuǎn)差率；p——電動機極對數(shù)。由上式可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速,當頻率f在0?50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。變頻器選型時要確定以下幾點：采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。變頻器的負載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。變頻器與負載的匹配問題；電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負載如深水泵等則需要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。III.轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負載或有減速裝置時有可能發(fā)生。在使用變頻器驅(qū)動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。對于一些特殊的應用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容變頻器容量要放大一擋。2.2.3變頻器所選型號：ABB變頻器ACS800標準規(guī)格：(通用型)?相數(shù)，電壓，頻率：三相380V50/60Hz過載電流額定：額定輸出電流的150%-1min額定頻率：50，60Hz?最高輸出頻率：參數(shù)設定可對應至500Hz2.3水泵的選型水泵是一種面大量廣的通用型機械設備，它廣泛地應用于石油、化工、電力冶金、礦山、選船、輕工、農(nóng)業(yè)、民用和國防各部門，在國民經(jīng)濟中占有重要的青島理工大學地位。據(jù)統(tǒng)計，我國泵產(chǎn)量達525.6萬臺。泵的電能消耗占全國電能消耗的21%以上。因此大力降低泵有能源消耗，對節(jié)約能源具用十分重大的意義。近年來，我們泵行業(yè)設計研制了許多高效節(jié)能產(chǎn)品，如IHF、CQB、FSB、UHB等型號的泵類產(chǎn)品，對降低泵的能源消耗起了積極作用。2.4壓力傳感器的選型應變式壓力傳感器是由彈性元件、應變片以及相應的測量電路組成非粘性應變式壓力傳感器是直接使用電阻絲（應變元件）在彈性元件上，且構(gòu)成一個簡單橋路粘貼式應變式壓力傳感器是將電阻絲或片粘貼在壓力敏感元件上，當敏感元件經(jīng)受壓力作用而產(chǎn)生應變，使得粘貼在其上的電阻絲或片的電阻值發(fā)生相應的變化2.5調(diào)節(jié)器在實際工業(yè)生產(chǎn)應用中，調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，它的基本功能是將來自變送器的測量信號與給定信號相比較，并對由此產(chǎn)生的片產(chǎn)進行比例、積分或微分處理后，輸出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行器的動作，以實現(xiàn)對不同被測或被控參數(shù)壓力的自動調(diào)節(jié)作用。2.5.1DDZ-III型調(diào)節(jié)器電路結(jié)構(gòu)圖：Hl路P[動路軟Hl路P[動路軟T-動Hi測量信V；—存?宦懇可點|電路外給定值2.5.2基型調(diào)節(jié)器PD控制規(guī)律圖：2.6調(diào)節(jié)閥:調(diào)節(jié)閥又稱控制閥，是通用的末端執(zhí)行機構(gòu)，通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號，借助動力操作去改變流體流量。調(diào)節(jié)閥一般由執(zhí)行機構(gòu)和閥門組成。如果按其所配執(zhí)行機構(gòu)使用的動力，調(diào)節(jié)閥可以分為電動、氣動、液動三種，即以電為動力源的電動調(diào)節(jié)閥，以壓縮空氣為動力源的氣動調(diào)節(jié)閥，以液體介質(zhì)（如油等）壓力為動力的電液動調(diào)節(jié)閥。竺奧公司生產(chǎn)的電動調(diào)節(jié)閥閥體可任意與竺奧公司生產(chǎn)的電動執(zhí)行器匹配，組合為電動調(diào)節(jié)閥。同時亦可與各種電動直行程及氣動薄膜執(zhí)行器聯(lián)接匹配，并可根據(jù)各品牌執(zhí)行器定做接口，2.7設計的控制系統(tǒng)回路三、具體硬件電路實現(xiàn)3.1供電電路本系統(tǒng)中用到的很多芯片需要雙電源供電，所以我們設計了能夠輸出±5V的穩(wěn)定直流電壓。這一部分電路用到的器件有LM7805,LM7905，兩個二極管IN4001.,和自制的變壓器。穩(wěn)壓管LM7805是三端穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為T0220。它有一系列固定的是輸出電壓，應用十分廣泛，由于內(nèi)部電流的限制,以及過熱保護和安全工作區(qū)的保護，使它基本上不會損壞。它的輸出電流為100mA，輸出電壓為5V，輸出電壓誤差小于±5%,運行溫度在0?125°C范圍。最大輸入電壓為35V。LM7905是三端固定式負穩(wěn)壓電路封裝和安全措施和LM7805相似。輸出電壓為-5V,輸出電壓誤差小于±5%,它的輸出電流為100mA,運行溫度在0?70C范圍，最大輸入電壓-35V。二極管IN4001最大反相電壓為50V,輸出電流可達1A。電子系統(tǒng)為降低運行成本一般都使用220V工頻交流供電，而電子設備內(nèi)部使用的都是穩(wěn)恒直流電,因此,需要將交流電變換成直流電。本設計利用變壓器將220V的交流電變成10V的交流電，該電壓經(jīng)過VD1和VD2整流，VD1、VD2是IN4001,C1、C2濾波，LM7805和LM7905穩(wěn)壓為±5V后，提供給后續(xù)電路,使電路正常工作,電源電路原理圖如圖3所示。圖13.2壓力感應電路我門采用型號為SP20C-G501的壓力傳感器，控制驅(qū)動電流穩(wěn)定在1mA,則可以在一定壓力范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電橋平衡使輸出電壓在0?1mV。為得到1mA的恒定電流，我們用LM317L連成了一個1mA的恒流源。VI=-^ef+1LM317L構(gòu)成的恒流源，輸出電流為°Radj，式中Vref是基準電壓，【adj是從調(diào)整端ladj流出的電流，通?！縜djV50uA，雖然【adj也隨VI及環(huán)境的變化而變化,且也是Io的一部分，但由于【adj僅為78xx的Iq的1%,與Io相比，Io可忽略?？梢奓M317L的恒流效果較好。由于LM317的Vref=1.25V，其最小的電壓差為3V,因此輸入電壓VI達到4.25V，電路就能正常地工作。本設計中LM317L的輸入點壓為5V。壓降為3.75V，通過電流1mA，所以損耗的功率為3.75mW。傳感器部分電路原理圖如圖4所示。3.3放大和濾波電路從壓力傳感器出來的電壓信號很微弱，僅為lmV，而且易受工頻影響，為了便于應用與減小干擾，我們將輸出電壓信號進行放大與濾波處理。我們采用儀用放大器LH0036作為第一級放大，是一種高精度的放大器。其最大輸入失調(diào)電壓lmV，共模抑制比lOOdB，輸入阻抗高達300M0，電壓增益范圍1?1000,輸入電壓范圍±12V,輸出短路時間連續(xù)，雙電源供電，電源電壓在±1v?±18V的范圍內(nèi)，我們采取±5V供電。它的放大倍數(shù)可以由可調(diào)電阻50KAl=1+ 控制，放大倍數(shù)計算公式如下：Rg，Rg為接在引腳4和7之間的電阻?？梢钥吹疆旊娮柚?0Q，放大倍數(shù)為1000，當電阻值無窮大時，放大倍數(shù)為1。它的內(nèi)部連接有3個放大模塊，構(gòu)成了前級差分放大電路與后級的比例放大電路，輸入阻抗大，輸出阻抗小，共模增益大。這些優(yōu)點都有適宜用做我們的放大電路部分的前級放大。另外LH0036的內(nèi)部功耗約為1.5W前級放大原則上放大倍率是500倍，但由于后面我們用到了有源濾波器，考慮到濾波效果，其放大倍數(shù)不好確定，所以前級放大我們在引腳4和7之間接可調(diào)電阻，以調(diào)整放大倍數(shù)，使總的放大倍數(shù)為1000倍，這樣從這一部分電路輸出的電壓范圍應是0?1V。為了防止工頻對信號的影響，我們對放大輸出信號進行濾波。由于對信號幅值的穩(wěn)定要求比較嚴格，通頻帶范圍內(nèi)的幅頻曲線應十分平穩(wěn)，所以本設計選用巴特沃斯濾波器濾出10HZ以上的頻率，它是電子濾波器的一種。其特點是通頻帶的頻率響應曲線最平滑，頻率響應曲線最大限度的平坦，沒有起伏，而且超過頻帶寬度逐漸下降為零。在振幅的對數(shù)對角頻率的波形圖上，從某以邊界頻率開始，振幅隨著角頻率的增加而逐漸減小，趨向負無窮大。它是唯一的一個無論階數(shù)，振幅對角頻率曲線都保持同樣的形狀的濾波器。只不過濾波器的階數(shù)越高，

在阻頻帶振幅衰減速度越快。本設計中，我們采用常用于有源濾波器的放大器0PA2111,該芯片內(nèi)部集成了兩個運算放大器A和B。選擇電容和電阻時，電容宜在微法數(shù)量級下，因此我們選定電容為O.OluF,再根據(jù)截止頻率為10Hz,我們計算出電阻Ri、R4、r5R,=R4=R5=R8=—^沁1.6MQ和R8的值， 5 8NfC 。選擇R1、R3、R6和R7時，為減小偏置電流的影響，應盡可能使加到運放同相端對地的直流電阻與加到反相端對地的電阻基本相等。圖3圖33.4壓力顯示電路與反饋控制這部分電路是將采集到的關(guān)于壓力大小的電信號顯示成實際壓力的大小。我們將其顯示在數(shù)碼管。主要用到了ICL7135，CD4511，NE555定時器和數(shù)碼管。為顯示出壓力大小，需將放大和濾波后的模擬電壓進行AD轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號，本設計中需要將輸出的數(shù)字量在數(shù)碼管中顯示，我們選用積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135，它的內(nèi)部有將二進制轉(zhuǎn)換為BCD碼的功能，故而免去了用一般A/D轉(zhuǎn)換器還需將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼所帶來的麻煩。將所得到的壓力大小，根據(jù)需求，通過離心水泵和電動調(diào)節(jié)閥反饋控制輸出的壓力。、開設的試驗項目應變式壓力傳感器特性實驗、開設的試驗項目應變式壓力傳感器特性實驗4.1、實驗目的:1、 了解金屬箔式應變片的應變效應和性能。2、 掌握使用YJ-SL-I型實驗儀設計電子秤的方法。4.2、實驗儀器:YJ-SL-I型實驗儀、應變傳感器實驗模板（電橋、差動）、應變壓力實驗裝置、連接線若干。4.3、實驗內(nèi)容:1、用導線將YJ-SL-I型實驗儀和應變傳感器實驗電橋模板及實驗裝置