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    基于C8051单片机的压力表自动检测系统设计

    发布时间:2020-03-22  阅读:268次

    系统以C8051F020单片机为控制核心,由MCU模块、键盘输入模块、液晶显示模块、温度传感器模块等功能模块组成。检测系统结构简单,并进行了抗干扰设计,使其具有较好的抗干扰能力,保证系统可靠工作。

    压力表是工业、交通运输、航空及其它许多领域和部门广泛应用的一种检测仪表。为了给生产和科研提供质量保证,要确保压力表精度、可靠性等性能。压力表的精度会随时间的推移发生变化,必须要对压力表进行定期的校验。传统的压力校验大都采用人工调节和手动敲击的方式,不仅劳动强度大、工作条件差、校验效率低,准确度也很难得到保证。随着自动化技术的不断发展,自动进行压力校验已经成为可能。C8051单片机的便携式压力表检测系统,可自动实现对各种压力表的自动检测,系统以液晶屏显示测量结果,并可根据需要打印测量的结果,与现有的检测系统相比,该系统功能精简,操作智能化,人机接口友好。

    1.方案设计与论证

    为满足油田压力仪表现场校验的需要,提出开发一种内嵌压力源、能自动完成校验过程的一体化压力表自动校验。本系统采用基于C8051F020单片机的可编程控制系统方案,由压力发生器(压力校验栗)、液晶显示、CONST211数字压力表、打印机、系统校验软件以及它们之间的专用通讯电缆构成。系统配以高精度的放大单元及A/D转换器,进行严密的零点及满量程温度误差的补偿,用单片机实现各种数据的处理、分析、计算。通过面板薄膜开关作为控制键盘,实现各种功能的设置。测量结果由液晶显示器显示或通过RS-232接口输出至计算机。下面在系统总体组成框图的基础上简要介绍几个主要部分的方案设计。系统总体组成框图(图l)。

    1.1控制器方案选择

    C8051F020是集模拟和数字信号为一体的混合信号系统高速单片机,它具有与MCS-51指令完全兼容的CIP-51内核,具有所有8052外设器件,采用流水线指令结构,贴片封装,体积小,运算速度快。此外,C8051F020单片机还具有丰富的I/O,具有高达20个中断源,而且具有丰富的外设UART,SPI、ADC、定时器等。该单片机具有高达128k的FLASH和8k+256的RAM,因此无需外部扩展便可实现高速运算和掉电存储,并具有JTAG接口,便于在线调试,非常适合于各种工业控制和仪表的使用。

    1.2标准压力表选择

    基准的标准压力表应考虑如下几个因素:首先是标准压力表的精度应尽可能的高,至少应比被测仪表高2个数量级;其次是标准压力表的可靠性要高,要经久耐用。基于以上原则,选择康斯特仪表科技有限公司的CONST211系列的数字压力表,测量精度为0.02%~0.2%FS。它非常适合于现场及实验室使用,完成精密压力测量和一般压力表、精密压力表等压力仪表的校验工作。

    1.3信号调理模块

    为了实现系统的控制安全,除了采用标准压力表采集压力外,还另外安装了独立的压力模块作为系统的安全控制,当压力模块测到的压力超过安全值时,压力源自动卸压以保证系统安全。但压力模块产生的信号很微弱,需要进行调理和放大。信号调理电路(图2),增益可调的AD603的放大倍数可以通过单片机调节,由微控制器来判断当前信号幅度的大小,经过一定的运算处理后给出一一对应的数字量控制信号,然后经过DA转换输出一个对应的模拟量来控制放大电路的增益,可以输出电压的连续变化。

    1.4键盘模块选择

    ZLG7289集成按键处理芯片是周立功公司生产的一种具有串行接口,同时联接64个按键并同时驱动8位共阴数码管智能驱动芯片,内含去抖和扫描电路,并具有按键触发中断的功能,大大提高效率,因此作为键盘模块。

    1.5显示模块方案选择

    采用OCM12864-8图形点阵液晶显示器,该显示器具有明显的特点及优点:价格便宜、微功耗、尺寸小、薄轻巧,其次显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒服,因此选择此方案。

    2.理论分析与计算

    产生高精度的、稳定的定点压力是整个压力表自动检定系统的关键,标准压力控制的难点在于如何兼顾压力产生的精度及速度。目前,PID控制一直是比较常用的控制方法,优点在于其稳定性比较好,结构相对简单。但对于具有时变或者滞后等特点的复杂系统,PID控制器就难以发挥其特长。模糊控制理论的出现,解决了PID在这方面的弱点。模糊PID控制是以模糊集合论,模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种数字控制,它以误差e和误差变化ec作为输入,利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改,以满足不同误差e和误差变化ec对控制参数的不同要求,使被控对象有良好的动、静态性能。模糊PID控制系统结构框图(图3).

    实现模糊控制可用2种方法:①直接用硬件实现模糊算法,但设计复杂,硬件消耗大;②采用离线设计,得出模糊控制表,然后通过快速査表法实现模糊控制。这里采用后者。

    3.程序设计

    测量系统软件有以下几个模块:键盘控制模块,显示模块,计算及控制模块,通讯控制模块等,软件控制由C8051F020单片机实现首先数字压力表产生的压力通过标准RS-232协议传给单片机,单片机接受键盘发的控制命令,运行对应的控制程序,产生控制输出,控制压力发生器工作,产生相应的测试压力。同时在液晶显示器上显示相应的控制命令和压力输出值,另外可根据需要进行打印输出。在这—过程中,如果压力传感器测得的压力值超限,系统将自动泄压,以保护人员及设备安全。单片机软件流程(图4)。

    4.系统测试

    硬件部分测试:硬件电路焊接后,按照分模块进行测试,判断电路是否存在短路、虚焊,硬件部分全部焊接完毕后,采用自制电源给硬件电路供电。

    软件部分系统测试:采用自下而上调试的方法,先对每个编程模块,进行测试,最后组合每个模块的功能进行软件部分整体测试。

    系统整体测试:首先主机发送信号给造压系统,控制造压系统产生所需要的标准压力,标准压力表显示压力值,同时通过RS-232标准接口向主机传输实时压力值,另外主机同时开始读取由压力标准传感器反馈回来的电压信号,并将其转化为压力信号;最后主机对获取的压力值和标准传感器指示的压力进行分析处理,完成压力表的检验,并将最终的结果保存以方便以后査阅。

    5.总结

    将C8051F020单片机的可编程控制系统应用于压力计量标准装置。通过采用先进的压力测量技术和计算机技术,实现了压力计量仪表检定数据的自动采集、自动处理和自动打印。本系统可以实现0.25级以下精密压力表的半自动化检定,能够满足对各种类型压力计量仪表的检定要求。该系统的投用大大减轻了检定人员的劳动强度,极大地提高了压力表检定的工作效率和检定测试的准确性,故有良好的推广和使用价值。


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