基于单片机的压力测量仪设计论文本科学位论文.docx
《基于单片机的压力测量仪设计论文本科学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的压力测量仪设计论文本科学位论文.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的压力测量仪设计论文本科学位论文
题目：
基于单片机的压力测量仪设计
姓名：
张金花
学号：
5001120042007
专业：
电气工程及其自动化
学习中心：
西安电子科技大学校本部
指导教师：
李杰
基于单片机的压力测量仪设计
摘要
压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义。
在工业生产中，为了高效、安全生产，必须有效控制生产过程中的诸如压力、流量、温度等主要参数。
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。
本次设计为基于单片机的压力测量仪。
主要通过单片机及专用芯片对传感器所测得的模拟信号进行处理,使其完成压力测量的功能。
本文介绍的是基于单片机压力测量仪的设计。
首先，文章对压力测量仪的发展现状和发展趋势做了简单的综述，然后，文章对压力测量仪的总体设计和各模块的工作原理进行了分述。
该压力测量仪是以M430F149单片机为核心，是通过应变式传感器将压力转换成电信号，转换成LED显示器显示显示需要的值，要实现压力的显示需硬件与软件的配合，最终调试出来。
本设计的最终结果是，将软件下载到硬件上调试出来显示的数据，当输入的模拟信号发生变化的时候，通过A/D转换后，LED将显示需要的数值。
测量仪采用双组发光数码管显示。
关键词：
压力测量仪M430F149单片机应变式传感器
第一章绪论
1.1研究背景
近年来，随着微型计算机的发展，单片机的应用在人们的工作和日常生活中越来越普遍。
在与一些石油化工企业接触中，发现在这些企业使用大量的弹簧指针式压力表，但是在一些振协较大的管路上，这些指针式压力表经常损坏，虽然指针式压力表价格相对较低，但是振动造成测量的不准确和经常损坏，使得压力表需要频繁更换，修理量和随后的校准工作量很大，投入的人力和时间也很可观，运行维护成本很高。
如果有一种适应现场应用条件，价格又较为合理的替代指针式压力表的产品，采用压力传感器、变送器、数字式的压力表的模式，可以从根本上解决由于普通指针式压力表的机械零件多，耐震性差，可靠性差的问题。
由此分析可以看出，有些工业现场需要一种能够克服上述缺点的，替代指针式压力表的较低成本的产品。
另外传统的量具是杆秤或盘秤，现代社会的发展对其称重技术提出了更高的要求,工业过程控制是计算机的一个重要应用领域,现在可以毫不夸张的说，没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器。
基于单片机的压力测量仪的设计是为了满足市场对长寿命、低功耗、低成本数字式、耐震压力表的需求也满足上述的需求设计的。
随着电子技术的不断发展，数字芯片的价格下降，模拟控制已经逐步被数字控制所代替。
与普通器具相比，数字电子秤具有数字直接显示被称物体的重量、精度高、性能稳定、测量准确、使用方便等优点。
电子秤的设计模式也大都以微处理器为核心，使精度和可靠性都有了明显的提高。
具有较为广阔的市场前景。
数字电子秤在各种生产领域和人民日常生活中得到广泛应用，按原理分为电子秤、机械秤和机电结合秤，按功能分为计数秤、计价秤、计重秤，按用途分为工业秤、商业秤、特种秤。
数字电子秤正在向高精度、高分辨率、智能化方向发展。
用电子秤称重的过程是把被测物体的重量通过传感器转换成电压或电流信号，称重的准确程度首先取决于传感器输出的信号，由于这一信号通常都很小，需要应用放大系统进行准确、线性的放大，以满足模/数转换器对输入信号电平的要求。
放大后的模拟信号经过模/数转换电路转变成数字量，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。
随着大规模集成电路、计算机技术的迅速发展，以及人工智能在测试技术方面的广泛应用，传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化逐步形成了一种完全突破传统概念的新一代测试仪器——智能仪器。
在科学技术高速发展的今天，如何用简单便宜，性能良好的元器件制造出对人类生活有用的产品，已经成为人们研究的主要趋势。
1.2测量压力的意义
在现代工业生产过程中，压力是一个非常重要的参数，它决定了生产过程能否正常的进行。
例如在合成氨生产中，氢气与氮气在合成塔内合成，压力是决定这个化学反应的主要因素之一，它既影响物料平衡关系，也影响化学反应速度，所以必须严格遵守工艺操作条件，保持一定的压力，才能确保生产正常地进行。
在某些条件下，压力还直接决定设备的经济性，例如汽轮机排汽真空度，内燃机的排气背压都对设备的效率有重大影响。
各种气体、液体的压力测量在生产生活、工业现场、科学实验领域有着广泛的应用。
压力测量的需要和应用几乎无处不在，可以说我们日常生产的每一天都离不开压力测量，例如凡是在气动、液压应用的领域，都必然要进行压力测量；各种工业现场的过程控制和自动化也都离不开压力测量和控制；同样，在与我们生产密切相关的领域，像汽车、轮船、飞机这些运输工具，以至于我们关心的医疗、气象、制冷、空调等都有压力测量的踪影。
其它一些测量还可以转换为压力测量，例如储油罐的液位，油量就可以驼过测量储油罐底部的压力，经过计算机得出。
火电厂中为设备的安全经济运行，需测量压力。
另外，一些不易直接测量的参数，例如，流量、液位等，往往通过压力或压差间接获得。
在石油开采过程中，常使用水泥浆拌土浆，重晶石粉浆等材料实施固井作业。
这些泥浆材料放在很大的密封罐内，在施工作业时，需要随时监测罐内材料的质量。
泥浆材料测得仪能够测量并显示密封罐内泥浆材料的质量，测量范围为1×103～1.2×105kg，可同时对4个密封罐进行监测。
所以，压力测量在自动化中具有特殊地位。
由于在工业生产过程和科学实验中，压力测量是一个非常重要的环节，所以压力测量仪在工业生产中使用得非常广泛。
在以前常用的压力测量仪表大多为液柱式压力计和弹性压力计，随着工业技术的不断发展，很多企业的生产要进行集中控制和使用电子计算机控制，所以普通弹性压力测量仪就无法实现，为些必须采用把压力转换为电参数的电测压力计，以便于观察、记录、远传和控制，这也是今后压力测量仪生产和使用的一个方向。
1.3压力的概念
压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行测量和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。
压力表可以指示、记录压力值并可附加报警或控制装置。
仪表所测压力包括绝对压力、大气压力、正压力（习惯上称表压）、负压 （习惯上称真空）和差压。
工程技术上所测量的多为表压。
压力的国际单位为帕（Pa）。
垂直均匀地作用于单位面积上的力称为压力。
1.4压力检测方法
首先利用由压力传感器组成的测量电路测出物体的重量信号,其次，由放大器电路把传感器输出的微弱电压信号进行一定倍数的放大，放大后的电压信号送到模/数转换电路中,再由模/数转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到单片机，由单片机采集并存储采集到的压力数据，最后由显示电路显示数据。
这就是压力测量仪的工作的整过程。
那这么压力的检测方法如下：
压力检测方法：
1.平衡法：
通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力
2.弹性法：
利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小
3.电气式：
用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。
第二章基于单片机的压力测量仪
2.1压力测量仪历史
在20世纪80年代前，一般的工程技术中几乎多采用弹簧式压力仪表对压力参数进行测试。
但是随着科学技术的发展和对压力测试技术的要求，特别是航空，航天等部门给压力测试技术提出了许多新的要求，这就是必须迅速反映测量过程的变化情况，并将变化的信息送给计算机，以使控制测试过程或生产工艺流程，实现自动化控制，或者能直接输入给显示、记录、数据处理系统，这样就发展产生了电测试压力仪，以代替过只能测试仪静态压力的指针式弹簧压力仪。
近年来，根据不同的测量压力的对象，且随着集成电路技术，计算机技术以及数据采集系统的发展，出现了新颖的压力传感器，以适应科学技术的发展。
1643年，意大利人托里拆利首先测定标准的大气压力值为760毫米汞柱，奠定了液柱式压力测量仪表的基础。
1847年，法国人波登制成波登管压力表，由于结构简单、实用，很快在工业中获得广泛应用，一直是常用的压力测量仪表。
二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接点压力表，从而解决了压力测量值的远距离传送和压力的报警、控制等问题。
60年代以后，为适应工业控制、航空工业和医学测试等方面的要求，压力测量仪表日益向体积轻巧、耐高温、耐冲击、耐振动和数字显示等方向发展。
2.2压力测量仪的种类及特点
随着科技的发展，压力测量的方法和种类也在不断推陈出新，从测量原理的角度来分类，主要分液注式、弹性式、负荷式、电子测量式等。
液柱式压力测量仪表常称为液柱式压力计，它是以一定高度的液注所产生的压力，与被告测压力相平衡的原理测量压力的。
大多是一根直的或弯成U形的玻璃管，其中充以工作液体。
常用的工作液体为蒸馏水、水银和酒精。
因玻璃管强度不高，并受读数限制，因些所测压力一般不超过0.3兆帕。
它的特点是：
液柱式压力计灵敏度高，因些主要用作实验室中的低压基准仪表，以校验工作用压力测量仪表。
由于工作液体的管理方式在环境温度、重力加速度改变时会发生变化，对测量结果常需要进行温度和重力加速度等方面的修正。
弹性式压力测量仪表是利用各种不同开关的弹性元件，在压力下产生变形的原理制成的压力测量仪表。
弹性式压力测量仪表按采用的弹性元件不同，可分为弹簧管压力表、膜片压力表、膜盒压力表和波纹管压力表等；按功能不同分为指示式压力表、电接点压力表和远传压力表等。
这类仪表的特点是:
结构简单，结实耐用，测量范围宽，是压力测量仪表中应用最多的一种。
负荷式压力测量仪表常称为负荷式压力计，它是直接按压力的定义制作的，常见的有活塞式压力计、浮球式压力计和钟罩式压力计。
由于活塞和砝码均可精确加工和测量，因此这类压力计的误差很小，可以达到0.002%，主要作为压力基准仪表使用，测量范围从数十Pa至2500MPa。
电子测量式压力仪表主要有压力传感器、压力变送器或数字式压力表。
电子测量式压力仪表核心元件是压力传感器，它能感受被测压力量并按照一定规律转换成电信号输出。
当输出为规定的标准信号时（4～20mA直流电流、1～5V直流电压），则变为压力变送器。
压力传感器加上信号处理器和数字显示器即成为数字压力表。
若再增加控制部件和记录装置，则可适合于自动控制、数据采集、数据处理和记录打印。
抛开校准用的压力标准仪表，在工业现场和科学试验中应用最多的还是弹性式和电子测量式压力仪表。
弹性式压力测量仪表由于发展多年，应用广泛，技术成熟，但发展空间较小，而随着对测量自动化程度要求的提高，电子测量式压力仪表成为压力测量的主流，发展非常迅速，主要体现在传感器技术和二次仪表技术的发展。
2.3压力测量仪的原理
这类仪表利用金属或半导体的物理特性直接将压力转换为电压、电流信号或频率信号输出，或是通过电阻应变片等将弹性体的形变转换为电压、电流信号输出。
代表性产品有由压电式、压阻式、振频式、电容式和应变式等压力传感器所构成的电测式压力测量仪表。
精确度可达0.02级，测量范围从数十帕至700兆帕不等。
压力测量仪用于物体表面压力，每台测量仪配有压力传感器。
把压力转换为电量，然后通过测量电量反映被测压力大小的压力计，叫做电测压力测量仪。
这种压力测量由于测量范围宽、精度高、携带方便等特点，因些应用日益广泛。
压力测量仪的原理是：
以M430F149单片机为核心，是通过应变式传感器将压力转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至ADS8320转换器，再经过单片机转换成LED显示器可以识别的信息，显示输出，在显示的过程中通过按键，让单片机系统处于预定的功能状态，显示需要的值，并可以完成清零功能。
压力测量仪一般由压力传感器、测量电路和显示器三个部分组成，它们相互之间的关系可用图1.1的方框图来表示。
显示器
图1.1压力测量仪原理图
⑴压力传感器的作用是感受压力，并把压力参数变换成电量，送到测量电路进行测量。
常见的压力传感器；根据其作用原理可分为电阻式，电感式，霍尔式，振弦式，压电式等多种，本文用的是电阻式。
⑵测量电路的作用是把传感器输出的电信号在显示器上显示出来。
由于传感器的输出信号一般比较小，为了能使显示器工作，常常需要将信号放大，所以一般测量电路中都包括了电子放大器。
⑶显示器用以显示所测的数值，一般分模拟显示与数字显示两种。
本文用的是数字显示，数字显示是用数字形式显示出来。
显示器一般和测量电路装在一起成为一台仪表。
第三章压力传感器
3.1压力传感器简介
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。
很多新材料、新技术、新方法应用在压力传感器的开发研制中，其中光导纤维、陶瓷材料、单晶硅、多晶硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石等材料得到广泛的应用，在半导体集成电路制造中应用的微机械加工技术，例如氧化、光刻、扩散、沉积、各向异性腐蚀及蒸镀、溅射薄膜等，都已引进到传感器制造过程中，以MEMS（Microelectromechanicalsystem微电子机械系统）技术基础的传感器已逐步实用化，这是今后发展的重点之一。
根据应用的场合的不同，压力表传感器向适应不同的应用条件发展。
为了测量快速变化的动态压力，可以使用高动态特性传感器，压电式传感器体积小，结构简单，不需外加电源，灵敏度和响应频率高，适用于动态压力的测量，广泛地应用于空气动力学、爆炸力学、发动机内部燃烧压力的测量等等。
其测量范围可人0～700Pa到0～70MPa精确度可达0.1%。
。
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，
一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。
或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。
而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。
3.2压力传感器的种类
压力传感器从其原理及结构来看可分为：
液柱式、机械式及电气式测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四类：
液柱式：
根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度。
机械式：
根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移。
电气式：
将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量。
活塞式：
根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。
压力传感器种类繁多，另外还有电位器式、应变式、压阻式、电感式、霍尔式、电容式、压电式、振动式等等。
压力传感器的精确度可达0.01级，测量范围从数十Pa至700MPa不等。
3.3应变式压力传感器参数规格
应变式压力传感器
应用领域：
汽车衡、地上秤、料斗秤等计量设备中。
Application:
Applytomotorvehicles,groundweighter,,hopperweighing,meteringequipment.
外形图：
AppearancePicture
量程（kg）
L
L0
H
H0
B
E
F
ΦD1
ΦD2
C
50～200
138
65
32
27
29
40
78
12.5
12.5
10
300～800
138
65
32
27
29
40
74
12.5
12.5
12
1000～2000
200
95
40
34
34
64
98
12.5
16.5
22
3000
200
95
40
34
34
64
98
16.5
16.5
22
4000～5000
200
95
50
45
40
56
102
22.5
22.5
22
技术参数Technicalparameter
额定载荷RatedLoad 50kg～5000kg
精度Precision
0.05
0.02
灵敏度Ratedoutput
2.000±0.005mV/V
2.000±0.001mV/V
非线性Nonlinearity
±0.05%F·S
±0.02%F·S
滞后Hysteresis
±0.05%F·S
±0.02%F·S
重复性Repeatability
±0.03%F·S
±0.02%F·S
蠕变Creep（30Min）
±0.05%F·S
±0.02%F·S
推荐工作电压RecommendedExcitationVoltage
5V—12V（DC）
最大工作电压MaximumExcitationVoltage
15V（DC）
零点平衡ZeroBalance
±1%F·S
输入阻抗inputimpedance
380±20Ω
380±10Ω
输出阻抗Outputimpedance
350±2Ω
绝缘阻抗InsulationResistance
≥3000MΩ
≥5000MΩ
安全过载率SateOverload
150%F·S
极限过载率UltimateOverload
200%F·S
工作温度范围OperatingTemperatureRange
（-30+70）℃
温度补偿范围CompensatedTemperatureRange
（-10+60）℃
输出温度影响TemperatureEffectOnLoad
±0.03%F·S/10℃
±0.02%F·S/10℃
零点温度影响TemperatureEffectOnZero
±0.03%F·S/10℃
±0.02%F·S/10℃
材质Construction
合金钢AlloySteel
防护等级ProtectionClass
IP67
安装示意图InstallationDiagram
量程（kg）
L0
E
F
H
H0
H1
H2
ΦD1
ΦD2
ΦD3
50～200
65
40
78
32
27
30
12
12.5
12
34
300～800
65
40
74
32
27
30
12
12.5
12
34
1000～2000
95
64
98
40
34
30
15
12.5
16
36
3000
95
64
98
40
34
30
15
16
16
36
4000～5000
95
56
102
50
45
38
15
22
22
44
接线方式：
Modeofconnection
应变式压力传感器电缆输出
注：
四芯屏蔽线Φ5，标准长度4M
3.4电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器由弹性元件和电阻应变片构成，弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。
应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。
当弹性元件感受到物理量时，其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应变化。
通过测量电阻应变片的电阻值变化，这样电阻应变式传感器就将被测物理量的变化转换成电信号的变化。
3.5传感器与压力测量仪的连接法
传感器的模拟输出对电子噪声很敏感，故不要将这些电线结扎在一起，以避免可能导致的干扰,并请将这些电线远离交流电源，如图1.2所示
压力测量仪的连接法
引脚端子编号
讯号含义
EXC+
EXC－
SIG+
SIG－
SHD
激励电压输出＋
激励电压输出－
讯号输入＋
讯号输入－
屏蔽
SHD
图1.2传感器与压力测量仪连接
第四章压力测量仪技术规格
4.1一般规格
1.电源:
直流24V
2.消耗功率:
6W
3.工作温度:
-10℃～70℃
4.湿度:
10%～90％相对湿度（无凝结水）
5.电源滤波器:
内置
4.2数字部分
1．计量显示上排数码管显示称重净重。
净重为零时输出4mA，
净重为最大量程时输出20mA。
下排数码管显示称重最大量程。
2.负数显示在最左边数位显示“－”号
1.上限显示显示“U-OL”表示称量超过最大量程
4.下限显示当显示“d-OL”时，表示称量低于下限显示
4.3模拟部分
1．适用的传感器类型适用于电阻应变式测力与称重传感器
2．传感器激励电压10V±2%,Imax=200mA
3．传感器灵敏度2mV/V
4．输入阻抗>5MΩ
5．温度系数100ppm/℃
6．非线性误差0.05%
7．采样速度：
1000次／秒
8．输出模拟信号4――20mA精度0.1％
9.零位可调范围由0.05毫伏到15毫伏
10.最大显示分度数10，000分度
第五章压力测量仪的相关操作
5.1一般说明
不要将压力测量仪安装在阳光直晒处，并须避免突然的温度变化、振动或被风吹。
当温度大约为20℃或68℉、相对湿度约为50％时，可获得最佳的性能。
通过电源线将压力测量仪后端接地，并保证接触良好。
不要将地线接至其他设备的地线。
模拟输入或输出讯号对电子噪声很敏感，故不应将这些模拟输入或输出讯号的电线结扎在一起，以避免可能造成的干扰。
并请将这些电线远离交流电源，尽量缩短所有电线或同轴电缆的长度。
5.2压力测量仪输入灵敏度
压力测量仪输入灵敏度（A）可通过以下方程式计算出来：
对于压力测量仪而言，A必须大于或等于0.5
。
5.3前面板说明
前面板外观
1
N1
N2
8
7
6
5
4
3
2
ZERO
N4
MODE
TARE
M1
N3
ENTER
1.N1指示灯:
闪烁时表示正在通讯。
2.N2指示灯:
备用。
3.N3指示灯:
亮时显示重量变动检测。
4.N4指示灯:
亮时显示零。
5.ENTER按键:
接受输入数据。
6．MODE按键:
选择功能设定方式。
7．TARE按键:
设置时，用于选择数据。
8.ZERO按键:
正常运转时，长按“ZERO”键，可对显示的净重清零。
5.4控制输出插座
插座编号讯号含义
J8
①24V+电源24V+
②24V-电源24V-
③
④4-20mA-4～20mA输出-
⑤4-20mA+4～20mA输出+
插座编号讯号含义
⑩SHIELD屏蔽
⑾EX-激励电压输出-
⑿EX+激励电压输出+
⑾SIG-信号输入-
⑿SIG+信号输入+
5.5压力测量仪的标定
5.5.1.零点标定
零点标定1
MODE
如果不标定零点，可按MODE.
升级会员 