本科毕业设计论文压力检测与控制试验系统设计报告.docx
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本科毕业设计论文压力检测与控制试验系统设计报告
青岛理工大学自动化工程学院
检测技术与控制仪表课程设计报告
题目压力检测与控制实验系统设计
专业
班级
姓名
学号
指导教师
2016年12月28日
压力检测与控制试验系统设计
设计任务
1、设计参数
上位水箱尺寸：
800×500×600mm，上位水箱离地200mm安装，通过直径为20mm的PVC管道与其他设备相连，设备离地30mm，要求测量设备入口处的压力。
测量误差不超过压力示值的±1%。
2、设计要求
（1）上位水箱通过水泵供水，通过变频器控制水泵的转速；
（2）通过查阅相关设备手册或上网查询，选择压力传感器、调节器、调节阀、变频器、水泵等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；
（3）设备选型要有一定的理论计算；
（4）用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；
（5）列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求等。
课程设计评语
设计报告成绩
（30%）
设计过程成绩
（30%）
答辩成绩
（40%）
总成绩
摘要
压力参数指标在工业化生产中有着广泛的应用，诸类仪表中，变送器的应用最为广泛、普遍，变送器大体分为压力变送器和差压变送器。
压力测量对于保障正常的工业化生产有着重要的意义，对于本测控电路的设计，通过智能微压力（差压）变送器将物理型号变成电信号后，在经过模数转换芯片ADC0809输送到单片机中所进行的硬件电路设计。
通过80C51单片机的编程设计，完成对硬件电路的控制作用。
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。
然后连接LED显示器，显示测量时的动态数据。
本次课题设计最终结果是对输入信号进行显示与对比，而后输出最终结果，并且在LED上显示最终结果。
关键词：
WLY-KC微压力（差压）变送器，ADC0809转换器，压力传感器，A/D转换器，LED显示器
ABSTRACT
Thepressureparameterindexiswidelyusedinindustrialproduction,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
目录
前言5
一、系统结构6
1.1压力检测与控制试验系统的结构图：
7
1.2总体结构设计的思路：
7
1.3一个完整的压力检测系统包括：
取压口；引压管路和压力检测仪表7
1.31系统结构图7
1.32一个简单的压力检测系统示意图（下图）8
二、方案设计与模块选择8
2.1传感器输出电路8
2.2变频器选型8
2.2.1变频器的工作原理9
2.2.2变频器选型时要确定以下几点9
2.2.3变频器所选型号：
10
2.3水泵的选型10
2.4压力传感器的选型10
2.5调节器11
2.5.1DDZ-III型调节器电路结构图：
11
2.5.2基型调节器PD控制规律图：
11
2.6调节阀:
12
2.7设计的控制系统回路12
三、具体硬件电路实现13
3.1供电电路13
3.2压力感应电路14
3.3放大和滤波电路15
3.4压力显示电路与反馈控制16
四、开设的试验项目应变式压力传感器特性实验16
4.1、实验目的:
16
4.2、实验仪器:
17
五、课程设计总结17
参考文献18
前言
随着科学技术的发展与生产技术的提高，传感器技术已经渗入日常生活之中。
如压力传感器它已应用于医学、生活日用品之中。
本设计是将压力传感器用于测量压力，但它不同与一般的测力计，它具有调节控制功能，适用于有压力限制的测量应用中。
它应用所学的集成电路和使用方法，使整个电路具有测压力与调节功能。
压力测试与控制系统顾名思义就是测试压力或压强，当压力或压强超出一定范围自动控制调节。
压力测试就是利用压力传感器将压力变成与其成线性关系的电压，在一系列集成元件作用下，在显示器中显示出压力。
整个设计之中显示电路最为复杂。
由于需要数字显示，模数转换器、七段译码器、LED显示器使整个电路看起来复杂无比，但它比用表头测量更方便，更实用。
当然器件的选择也会使整个设计增色，它不但能提高电路的性能，还能减少功耗。
设计时主要采用中小规模的集成电路实现，主要培养分析解决问题的能力，提高设计电路，调整电路的实验技能。
一、系统结构
1.1压力检测与控制试验系统的结构图：
系统结构图
1.2总体结构设计的思路：
第一步：
根据课设要求选取合适的器件，并通过相应的理论计算进行选取
第二步：
进行控制系统回路的连接
第三步：
在连接好相应地回路后，根据给定的数值进行理论计算，用压力传感器对设备入口处压力进行测量，通过调节器使测得的值和给定值进行比较，若测得的值使测量误差超过压力示值的±1%，则需对产生的偏差进行比例、积分或微分处理后，输出调节信号控制执行器的动作，改变调节阀阀芯和阀座间的流通面积，同时控制变频器对水泵的控制，调节水泵的转速以达到适当的进水速度，从而使测量误差不超过压力示值的±1%。
1.3一个完整的压力检测系统包括：
取压口；引压管路和压力检测仪表
1.31系统结构图
1.32一个简单的压力检测系统示意图（下图）
系统示意图
二、方案设计与模块选择
2.1传感器输出电路
传感器输出电路是由单个传感器构成，由于压力变化使得电阻变化从而输出电压发生变化，它输出的电压直接经放大电路放大与滤波之后分别送至报警系统和表头。
表头是可以直接显示模拟量的，所以得到的电压信号不需要进行数模转换，只需要让电压直接控制表头指针的偏转，然后规定好表头的量程和单位
2.2变频器选型
变频器是把工频电源（50Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
2.2.1变频器的工作原理
我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60f（1－s）/p
式中
n——异步电动机的转速；
f——异步电动机的频率；
s——电动机转差率；
p——电动机极对数。
由上式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
2.2.2变频器选型时要确定以下几点：
1）采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。
2）变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3）变频器与负载的匹配问题；
I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II.电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
2.2.3变频器所选型号：
ABB变频器ACS800
标准规格：
（通用型）
● 相数，电压，频率：
三相380V 50/60Hz
● 过载电流额定：
额定输出电流的150%-1min
● 额定频率：
50，60Hz
● 最高输出频率：
参数设定可对应至500Hz
2.3水泵的选型
水泵是一种面大量广的通用型机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的地位。
据统计，我国泵产量达525.6万台。
泵的电能消耗占全国电能消耗的21%以上。
因此大力降低泵有能源消耗，对节约能源具用十分重大的意义。
近年来，我们泵行业设计研制了许多高效节能产品，如IHF、CQB、FSB、UHB等型号的泵类产品，对降低泵的能源消耗起了积极作用。
2.4压力传感器的选型
应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的测量电路组成
非粘性应变式压力传感器是直接使用电阻丝（应变元件）在弹性元件上，且构成一个简单桥路
粘贴式应变式压力传感器是将电阻丝或片粘贴在压力敏感元件上，当敏感元件经受压力作用而产生应变，使得粘贴在其上的电阻丝或片的电阻值发生相应的变化
2.5调节器
在实际工业生产应用中，调节器是构成自动控制系统的核心仪表，它的基本功能是将来自变送器的测量信号与给定信号相比较，并对由此产生的片产进行比例、积分或微分处理后，输出调节信号控制执行器的动作，以实现对不同被测或被控参数压力的自动调节作用。
2.5.1DDZ-III型调节器电路结构图：
2.5.2基型调节器PD控制规律图：
2.6调节阀:
调节阀又称控制阀，是通用的末端执行机构，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。
调节阀一般由执行机构和阀门组成。
如果按其所配执行机构使用的动力，调节阀可以分为电动、气动、液动三种，即以电为动力源的电动调节阀，以压缩空气为动力源的气动调节阀，以液体介质（如油等）压力为动力的电液动调节阀。
竺奥公司生产的电动调节阀阀体可任意与竺奥公司生产的电动执行器匹配，组合为电动调节阀。
同时亦可与各种电动直行程及气动薄膜执行器联接匹配，并可根据各品牌执行器定做接口，
2.7设计的控制系统回路
三、具体硬件电路实现
3.1供电电路
本系统中用到的很多芯片需要双电源供电，所以我们设计了能够输出±5V的稳定直流电压。
这一部分电路用到的器件有LM7805，LM7905，两个二极管IN4001.，和自制的变压器。
稳压管LM7805是三端稳压电路，它的封装形式为T0220。
它有一系列固定的是输出电压，应用十分广泛，由于内部电流的限制,以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。
它的输出电流为100mA，输出电压为5V，输出电压误差小于±5%，运行温度在0～125℃范围。
最大输入电压为35V。
LM7905是三端固定式负稳压电路封装和安全措施和LM7805相似。
输出电压为-5V，输出电压误差小于±5%，它的输出电流为100mA，运行温度在0～70℃范围，最大输入电压-35V。
二极管IN4001最大反相电压为50V，输出电流可达1A。
电子系统为降低运行成本一般都使用220V工频交流供电，而电子设备内部使用的都是稳恒直流电，因此，需要将交流电变换成直流电。
本设计利用变压器将220V的交流电变成10V的交流电，该电压经过VD1和VD2整流，VD1、VD2是IN4001，C1、C2滤波，LM7805和LM7905稳压为±5V后，提供给后续电路，使电路正常工作，电源电路原理图如图3所示。
图3
3.2压力感应电路
我门采用型号为SP20C-G501的压力传感器，控制驱动电流稳定在1mA，则可以在一定压力范围内调节电桥平衡使输出电压在0～1mV。
为得到1mA的恒定电流，我们用LM317L连成了一个1mA的恒流源。
LM317L构成的恒流源，输出电流为
，式中
是基准电压，
是从调整端
流出的电流，通常
<50uA，虽然
也随VI及环境的变化而变化，且也是Io的一部分，但由于
仅为78xx的
的1%，与Io相比，Io可忽略。
可见LM317L的恒流效果较好。
由于LM317的
=1.25V，其最小的电压差为3V，因此输入电压VI达到4.25V，电路就能正常地工作。
本设计中LM317L的输入点压为5V。
压降为3.75V，通过电流1mA，所以损耗的功率为3.75mW。
传感器部分电路原理图如图4所示。
图4
3.3放大和滤波电路
从压力传感器出来的电压信号很微弱，仅为1mV，而且易受工频影响，为了便于应用与减小干扰，我们将输出电压信号进行放大与滤波处理。
我们采用仪用放大器LH0036作为第一级放大，是一种高精度的放大器。
其最大输入失调电压1mV，共模抑制比100dB，输入阻抗高达300
，电压增益范围1～1000，输入电压范围±12V,输出短路时间连续，双电源供电，电源电压在±1v～±18V的范围内，我们采取±5V供电。
它的放大倍数可以由可调电阻控制，放大倍数计算公式如下：
，
为接在引脚4和7之间的电阻。
可以看到当电阻值50Ω，放大倍数为1000，当电阻值无穷大时，放大倍数为1。
它的内部连接有3个放大模块，构成了前级差分放大电路与后级的比例放大电路，输入阻抗大，输出阻抗小，共模增益大。
这些优点都有适宜用做我们的放大电路部分的前级放大。
另外LH0036的内部功耗约为1.5W
前级放大原则上放大倍率是500倍，但由于后面我们用到了有源滤波器，考虑到滤波效果，其放大倍数不好确定，所以前级放大我们在引脚4和7之间接可调电阻，以调整放大倍数，使总的放大倍数为1000倍，这样从这一部分电路输出的电压范围应是0～1V。
为了防止工频对信号的影响，我们对放大输出信号进行滤波。
由于对信号幅值的稳定要求比较严格，通频带范围内的幅頻曲线应十分平稳，所以本设计选用巴特沃斯滤波器滤出10HZ以上的频率，它是电子滤波器的一种。
其特点是通频带的频率响应曲线最平滑，频率响应曲线最大限度的平坦，没有起伏，而且超过频带宽度逐渐下降为零。
在振幅的对数对角频率的波形图上，从某以边界频率开始，振幅随着角频率的增加而逐渐减小，趋向负无穷大。
它是唯一的一个无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。
只不过滤波器的阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。
本设计中，我们采用常用于有源滤波器的放大器OPA2111，该芯片内部集成了两个运算放大器A和B。
选择电容和电阻时，电容宜在微法数量级下，因此我们选定电容为0.01uF，再根据截止频率为10Hz，我们计算出电阻
、
、
和
的值，
。
选择
、
、
和
时，为减小偏置电流的影响，应尽可能使加到运放同相端对地的直流电阻与加到反相端对地的电阻基本相等。
图5
3.4压力显示电路与反馈控制
这部分电路是将采集到的关于压力大小的电信号显示成实际压力的大小。
我们将其显示在数码管。
主要用到了ICL7135，CD4511，NE555定时器和数码管。
为显示出压力大小，需将放大和滤波后的模拟电压进行AD转换，得到数字信号，本设计中需要将输出的数字量在数码管中显示，我们选用积分式A/D转换器ICL7135，它的内部有将二进制转换为BCD码的功能，故而免去了用一般A/D转换器还需将二进制数转换成BCD码所带来的麻烦。
将所得到的压力大小，根据需求，通过离心水泵和电动调节阀反馈控制输出的压力。
四、开设的试验项目应变式压力传感器特性实验
4.1、实验目的:
1、了解金属箔式应变片的应变效应和性能。
2、掌握使用YJ-SL-I型实验仪设计电子秤的方法。
4.2、实验仪器:
YJ-SL-I型实验仪、应变传感器实验模板（电桥、差动）、应变压力实验装置、连接线若干。
4.3、实验内容:
1、用导线将YJ-SL-I型实验仪和应变传感器实验电桥模板及实验装置连接起来。
检查电路无误后，打开电源开关。
调节RW1旋钮，使输出为零。
按顺序增加砝码数量，每次200g，记录每次加载后的输出电压值U。
再以相反的次序将砝码逐一取下，记录输出电压。
利用逐差法求出传感器的灵敏度。
即，S=
。
2、利用应变压力传感器制作电子秤。
将压力传感器电桥实验模板的输出与差动放大器的输入相连，差动模快的输出与YJ-SL-I实验仪的“测量”相连。
当秤盘当秤盘中无任何重物时，调节调整旋钮使电压表的读数为零。
秤盘上加1000g的砝码，调节差动放大器的放大倍数旋钮，使电压表的读数为1.000V。
重复以上步骤，直至电压表的读数与秤盘上的砝码质量一致。
4.4、注意事项:
1、必须在连接完实验装置后，才能打开电源开关。
2、实验完毕后，关闭电源，依次拆卸电路。
3、加放砝码注意要放在盘中部，勿使盘边缘被压斜到一边。
5、课程设计总结
在本次课程设计制作过程中，收获颇多。
自学能力大大提高。
由一开始的一无所知到最终设计成功，所需要的知识除了来自课堂，更多的是课外通过上网查询、向老师等多种渠道获得。
锻炼了际问题实际操作和设计的实践力，能够通过课程设计的要求，合理选取器件，并且能够根据本课程设计通过对压力进行测量控制，若示数在误差范围外，能够根据自己设计的控制系统进行调节、反馈，从而达到要求的示值，会能够根据所学知识进行分析设计，本学期所学知识和力知识有一个很好的总结和应用，握了压力课程设计的原理和方法，高了独立分析问题、解决问题的能力，还有就是在制作过程中遇到很多结合嵌套等各方面的问题，多次修改最终将困难一一解决。
通过这次设计不仅丰富了理论知识，更激发了创新精神，受益终生。
参考文献
【1】检测技术与仪表第二版武汉理工大学出版社
【2】全国大学生电子设计竞赛训练教程【M】.电子工业出版社.2005-1.
【3】电子技术基础模拟部分（第四版）【M】.高等教育出版社.1996（2004重印）.
【4】模拟电子技术基础【M】高等教育出版社.2006-12.
【5】数字电子技术基础【M】高等教育出版社.1998-12.
【6】仪器仪表学报【J】第33卷第六期.2012.
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