【正文】 ................... 32 基于單片機(jī)壓力測量儀設(shè)計(jì) 5 第一章 緒論 研究背景 近年來，隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展， 單片機(jī) 的應(yīng)用在人們的工作和日常生活中越來越普遍。 在與一些石油化工企業(yè)接觸中，發(fā)現(xiàn)在這些企業(yè)使用大量的彈簧指針式壓力表，但是在一些振協(xié)較大的管路上，這些指針式壓力表經(jīng)常損壞，雖然指針式壓力表價(jià)格相對較低，但是振動(dòng)造成測量的不準(zhǔn)確和經(jīng)常損壞，使得壓力表需要頻繁更換，修理量和隨后的校準(zhǔn)工作量很大，投入的人力和時(shí)間也很可觀，運(yùn)行維護(hù)成本很高。 如果有一種適應(yīng)現(xiàn)場應(yīng)用條件，價(jià)格又較為合理的替代指針式壓力表的產(chǎn)品， 采用壓力傳感器、變送器、數(shù)字式的 壓力表的模式，可以從根本上解決由于普通指針式壓力表的機(jī)械零件多，耐震性差，可靠性差的問題。 由此 分析可以看出，有些工業(yè)現(xiàn)場需要一種能夠克服上述缺點(diǎn)的，替代指針式壓力表的較低成本的產(chǎn)品 。另外 傳統(tǒng)的量具是桿秤或盤秤， 現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展對其稱重技術(shù)提出了更高的要求 ,工業(yè)過程控制是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域 ,現(xiàn)在可以毫不夸張的說，沒有微型計(jì)算機(jī)的儀器不能稱為先進(jìn)的儀器 。 基于單片機(jī)的壓力測量儀的設(shè)計(jì)是為了滿足市場對 長壽命、低功耗、低成本數(shù)字式、耐震壓力表的需求 也滿足上述的需求設(shè)計(jì)的 。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字芯片的價(jià)格 下降，模擬控制已經(jīng)逐步被數(shù)字控制所代替。與普通器具相比，數(shù)字電子秤具有數(shù)字直接顯示被稱物體的重量、精度高、性能穩(wěn)定、測量準(zhǔn)確、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。電子秤的設(shè)計(jì)模式也大都以微處理器為核心，使精度和可靠性都有了明顯的提高。 具有較為廣闊的市場前景。 數(shù)字電子秤在各種生產(chǎn)領(lǐng)域和人民日常生活中得到廣泛應(yīng)用，按原理分為電子秤、機(jī)械秤和機(jī)電結(jié)合秤，按功能分為計(jì)數(shù)秤、計(jì)價(jià)秤、計(jì)重秤，按用途分為工業(yè)秤、商業(yè)秤、特種秤。數(shù)字電子秤正在向高精度、高分辨率、智能化方向發(fā)展。用電子秤稱重的過程是把被測物體的重量通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓或電流 信號，稱重的準(zhǔn)確程度首先取決于傳感器輸出的信號，由于這一信號通常都很小，需要應(yīng)用放大系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確、線性的放大，以滿足模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求。放大后的模擬信號經(jīng)過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，然后把數(shù)字信號輸送到顯示電路中去，最后由顯示電路顯示出測量結(jié)果。 隨著大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人工智能在測試技術(shù)方面的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的電子測量儀器在原理、功能、精度及自動(dòng)化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化逐步形成了一種完全突破傳統(tǒng)概念的新一代測試儀器 —— 智能儀器。 在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，如何用簡單 便宜，性能良好的元器件制造出對人類生活有用的產(chǎn)品，已經(jīng)成為人們研究的主要趨勢。 基于單片機(jī)壓力測量儀設(shè)計(jì) 6 測量壓力的意義 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，壓力是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它決定了生產(chǎn)過程能否正常的進(jìn)行。例如在合成氨生產(chǎn)中，氫氣與氮?dú)庠诤铣伤?nèi)合成，壓力是決定這個(gè)化學(xué)反應(yīng)的主要因素之一，它既影響物料平衡關(guān)系，也影響化學(xué)反應(yīng)速度，所以必須嚴(yán)格遵守工藝操作條件，保持一定的壓力，才能確保生產(chǎn)正常地進(jìn)行。 在某些條件下，壓力還直接決定設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，例如汽輪機(jī)排汽真空度，內(nèi)燃機(jī)的排氣背壓都對設(shè)備的效率有重大影響。 各種氣體、液體的壓力測 量在生產(chǎn)生活、工業(yè)現(xiàn)場、科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。壓力測量的需要和應(yīng)用幾乎無處不在，可以說我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)的每一天都離不開壓力測量，例如凡是在氣動(dòng)、液壓應(yīng)用的領(lǐng)域，都必然要進(jìn)行壓力測量；各種工業(yè)現(xiàn)場的過程控制和自動(dòng)化也都離不開壓力測量和控制；同樣，在與我們生產(chǎn)密切相關(guān)的領(lǐng)域，像汽車、輪船、飛機(jī)這些運(yùn)輸工具，以至于我們關(guān)心的醫(yī)療、氣象、制冷、空調(diào)等都有壓力測量的蹤影。其它一些測量還可以轉(zhuǎn)換為壓力測量，例如儲油罐的液位，油量就可以駝過測量儲油罐底部的壓力，經(jīng)過計(jì)算機(jī)得出。 火電廠中為設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需測量壓力。 另外，一些不易直接測量的參數(shù)，例如，流量、液位等，往往通過壓力或壓差間接獲得。 在石油開采過程中，常使用水泥漿拌土漿，重晶石粉漿等材料實(shí)施固井作業(yè)。這些泥漿材料放在很大的密封罐內(nèi)，在施工作業(yè)時(shí)，需要隨時(shí)監(jiān)測罐內(nèi)材料的質(zhì)量。泥漿材料測得儀能夠測量并顯示密封罐內(nèi)泥漿材料的質(zhì)量，測量范圍為 1103～ 105kg，可同時(shí)對 4 個(gè)密封罐進(jìn)行監(jiān)測。 所以，壓力測量在自動(dòng)化中具有特殊地位。 由于在工業(yè)生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，壓力測量是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，所以壓力測量儀在工業(yè)生產(chǎn)中使用得非常廣泛。在以前常用的壓力測量 儀表大多為液柱式壓力計(jì)和彈性壓力計(jì)，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多企業(yè)的生產(chǎn)要進(jìn)行集中控制和使用電子計(jì)算機(jī)控制，所以普通彈性壓力測量儀就無法實(shí)現(xiàn)，為些必須采用把壓力轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的電測壓力計(jì)，以便于觀察、記錄、遠(yuǎn)傳和控制，這也是今后壓力測量儀生產(chǎn)和使用的一個(gè)方向。 壓力的概念 壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，為了保證生產(chǎn)正常運(yùn)行，必須對壓力進(jìn)行測 量 和控制，但需說明的是，這里所說的壓力，實(shí)際上是物理概念中的壓強(qiáng)，即垂直作用在單位面積上的力。 壓力表可以指示、記錄壓力值并可附加報(bào)警或控制裝置。儀表所測壓力包括絕對壓力、大氣壓力、正壓力（習(xí)慣上稱表壓）、負(fù)壓 (習(xí)慣上稱真空 )和差壓。工程技術(shù)上所測量的多為表壓。壓力的國際單位為帕 (Pa)。 垂直均勻地作用于單基于單片機(jī)壓力測量儀設(shè)計(jì) 7 位面積上的力稱為壓力。 壓力檢測方法 首先利用由 壓力 傳感器組成的測量電路測出物 體 的重量信號 ,其次，由放大器電路把傳感器輸出的微弱 電壓 信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大， 放大后的電壓信號 送 到模 /數(shù) 轉(zhuǎn)換電路中 ,再由 模 /數(shù) 轉(zhuǎn)換電路把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送到 單片機(jī) ，由單片機(jī)采集并存儲采集到的壓力數(shù)據(jù)，最后由顯示電路顯示數(shù)據(jù)。這就是壓力測量儀的工作的整過程。 那這么 壓力的檢測方法如下： 壓力檢測方法： ：通過儀表使液柱高度的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理測量壓力 ：利用各種形式的彈性元件，在被測介質(zhì)的表壓力或負(fù)壓力作用下產(chǎn)生的彈性變形來反映被測壓力的大小 ：用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化 。 第二章 基于單片機(jī)的壓力測量儀 歷史 在 20 世紀(jì) 80 年代前，一般的工 程技術(shù)中幾乎多采用彈簧式壓力儀表對壓力參數(shù)進(jìn) 行 測試。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對壓力測試技術(shù)的要求，特別是航空，航天等部門給壓力測試技術(shù)提出了許多新的要求，這就是必須迅速反映測量過程的變化情況，并將變化的信息送給計(jì)算機(jī)，以使控制測試過程或生產(chǎn)工藝流程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，或者能直接輸入給顯示、記錄、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這樣就發(fā)展產(chǎn)生了電測試壓力儀，以代替過只能測試儀靜態(tài)壓力的指針式彈簧壓力儀。 近年來，根據(jù)不同的測量壓力的對象，且隨著集成電路技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展，出現(xiàn)了新穎的壓力傳感器，以適應(yīng)科學(xué)技術(shù) 的發(fā)展。 1643 年，意大利人托里拆利首先測定標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓力值為 760 毫米汞柱，奠定了液柱式壓力測量儀表的基礎(chǔ)。 1847 年，法國人波登制成波登管壓力表，由于結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用，很快在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，一直是常用的壓力測量儀表。 二十世紀(jì)上半葉出現(xiàn)了遠(yuǎn)傳壓力表和電接點(diǎn)壓力表，從而解決了壓力測量值的遠(yuǎn)距離傳送和壓力的報(bào)警、控制等問題。 60 年代以后，為適應(yīng)工業(yè)控制、航空工業(yè)和醫(yī)學(xué)測試等方面的要求，壓力測量儀表日益向體積輕巧、耐高溫、耐沖擊、耐振動(dòng)和數(shù)字顯示等方向發(fā)展。 及特點(diǎn) 隨著 科技的發(fā)展， 壓力測量的方法和 種類 也在不斷推陳出新， 從測量原理的角度來分類，主要分液注式、彈性式、負(fù)荷式、電子測量式等。 液柱式壓力測量儀表常稱為液柱式壓力計(jì)，它是以一定高度的液注所產(chǎn)生的基于單片機(jī)壓力測量儀設(shè)計(jì) 8 壓力，與被告測壓力相平衡的原理測量壓力的。大多是一根直的或彎成 U 形的玻璃管，其中充以工作液體。常用的工作液體為蒸餾水、水銀和酒精。因玻璃管 強(qiáng)度不高，并受讀數(shù)限制，因些所測壓力一般不超過 兆帕。 它的特點(diǎn)是 ： 液柱式壓力計(jì)靈敏度高，因些主要用作實(shí)驗(yàn)室中的低壓基準(zhǔn)儀表，以校驗(yàn)工作用壓力測量儀表。由于工作液體的管理方式在環(huán)境溫度、重力加速度改變時(shí)會(huì)發(fā)生變化，對測量結(jié)果常需要進(jìn)行溫度和重力加速度等方面的修正。 彈性式壓力測量儀表是利用各種不同開關(guān)的彈性元件，在壓力下產(chǎn)生變形的原 理 制成的 壓力測量儀表。彈性式壓力測量儀表按采用的彈性元件不同，可分為彈簧管壓力表、膜片壓力表、膜盒壓力表和波紋管壓力表等；按功能不同分為指示式壓力表、電接點(diǎn)壓力表和遠(yuǎn)傳壓力表等。 這類儀表的特點(diǎn)是 :結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)實(shí)耐用，測量范圍寬，是壓力測量儀表中應(yīng)用最多的一種。 負(fù)荷式壓力測量儀表常稱為負(fù)荷式壓力計(jì)，它是直接按壓力的定義制作的，常見的有活塞式壓力計(jì)、浮球式壓力計(jì)和鐘罩式壓 力計(jì)。由于活塞和砝碼均可精確加工和測量，因 此 這類壓力計(jì)的誤差很小，可以達(dá)到 %，主要作為壓力基準(zhǔn)儀表使用，測量范圍從數(shù)十 Pa至 2500MPa。 電子 測量式壓力儀表主要有壓力傳感器、壓力變送器或數(shù)字式壓力表。電子測量式壓力儀表核心元件是壓力傳感器，它能感受被測壓力量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號輸出。當(dāng)輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號時(shí)（ 4～ 20mA 直流電流、 1～ 5V 直流電壓），則變?yōu)閴毫ψ兯推鳌?壓力傳感器加上信號處理器和數(shù)字顯示器即成為數(shù)字壓力表。若再增加控制部件和記錄裝置，則可適合于自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和 記錄打印。 拋開校準(zhǔn)用的壓力標(biāo)準(zhǔn)儀表，在工業(yè)現(xiàn)場和科學(xué)試驗(yàn)中應(yīng)用最多的還是彈性式和電子測量式壓力儀表。彈性式壓力測量儀表由于發(fā)展多年，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，但發(fā)展空間較小，而隨著對測量自動(dòng)化程度要求的提高，電子測量式壓力儀表成為壓力測量的主流，發(fā)展非常迅速，主要體現(xiàn)在傳感器技術(shù)和二次儀表技術(shù)的發(fā)展。 這類儀表利用金屬或 半導(dǎo)體 的物理 特性直接將壓力轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號或頻率信號輸出，或是通過電阻應(yīng)變片等將彈性體的形變轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號輸出。代表性產(chǎn)品有由壓電式、壓阻式、振頻式、電容式和應(yīng)變式等壓力傳感器所構(gòu)成的電測式壓力測量儀表。精確度可達(dá) 級，測量范圍從數(shù)十帕至 700兆帕不等。 壓力測量儀用于物體表面壓力，每臺測量儀配有壓力傳感器。 把壓力轉(zhuǎn)換為電量，然后通過測量電量反映被測壓力大小的壓力計(jì)，叫做電基于單片機(jī)壓力測量儀設(shè)計(jì) 9 測壓力測量儀。這種壓力測量由于測量范圍寬、精度高、攜帶方便等特點(diǎn)，因些應(yīng)用日益廣泛。 壓力測量儀的原理是： 以 M430F149 單片機(jī) 為核心 ， 是通過應(yīng)變式傳感器將壓力轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行信號放大，送至 ADS8320 轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)過單片機(jī)轉(zhuǎn)換成 LED 顯示器可以識別的信息，顯示輸出，在顯示的過程中通過按鍵，讓單片機(jī)系統(tǒng)處于預(yù)定的功能狀態(tài)，顯示需要的值，并可以完成清零功能。 壓力測量儀一般 由 壓力傳感器、測量電路和顯示器三個(gè)部分組成，它們相互之間的關(guān)系可用圖 。 圖 壓力測量儀原理圖 ⑴壓力傳感器的作用是感受壓力，并把壓力參數(shù) 變換成電量，送到測量電路進(jìn)行測量。常見的壓力傳感器；根據(jù)其作用原理可分為電阻式，電感式，霍爾式，振弦式，壓電式等多種，本文用的是電阻式。 ⑵測量電路的作用是把傳感器輸出的電信號在顯示器上顯示出來。由于傳感器的輸出信號一般比較小，為了能使顯示器工作，常常需要將信號放大，所以一般測量電路中都包括了電子放大器。 ⑶顯示器用以顯示所測的數(shù)值，一般分模擬顯示與數(shù)字顯示兩種。本文用的是數(shù)字顯示，數(shù)字顯示是用數(shù)字形式顯示出來。顯示器一般和測量電路裝在一起成為一臺儀表。 第三章 壓力傳感器 簡介 傳感器技術(shù)是一項(xiàng)當(dāng) 今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起的高新技術(shù)之一，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。很多新材料、新技術(shù)、新方法應(yīng)用在壓力傳感器的開發(fā)研制中，其中光導(dǎo)纖維、陶瓷材料、單晶硅、多晶硅、碳化硅、藍(lán)寶石、金剛石等材料得到廣泛的應(yīng)用，在半導(dǎo)體集成電路制造中應(yīng)用的微機(jī)械加工技術(shù)，例如氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積、各向異性腐蝕及蒸鍍、濺射薄膜等，都已引進(jìn)到傳感器制造過程中，以 MEMS（ Microelectromechanical system 微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)基礎(chǔ)的傳感器已逐步實(shí)用化，這是今后發(fā)展的重點(diǎn)之一。 根據(jù)應(yīng)用的場合的不 同，壓力表傳感器向適應(yīng)不同的應(yīng)用條件發(fā)展。為了測量快速變化的動(dòng)態(tài)壓力，可以使用高動(dòng)態(tài)特性傳感器，壓電式傳感器體積小，結(jié)壓力 壓力傳感器 測量線路 顯示器 基于單片機(jī)壓力測量儀設(shè)計(jì) 10 構(gòu)簡單，不需外加電源，靈敏度和響應(yīng)頻率高，適用于動(dòng)態(tài)壓力的測量，廣泛地應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)、爆炸力學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量等等。其測量范圍可人 0～ 700Pa 到 0～ 70MPa 精確度可達(dá) %。 。 壓力 傳感器 是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、 油井 、電力、船舶、機(jī)床、 管道 等眾多行業(yè)， 一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號，模擬信號是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號。 或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息 的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號。而我們通常使用的壓力傳感器