【文章內(nèi)容簡介】 電領(lǐng)域，如洗衣機、空調(diào)器、保安系統(tǒng)、 VCD 視盤機、電子秤、 IC 卡、手機等。這些設(shè)備中使用了單片機機芯后，大大提高了其控制功能和性能，并實現(xiàn)了智能化、最優(yōu)化控制。 (6)終端及外圍設(shè)備控制 計算機網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，如銀行終端、商業(yè) POS(自動收款機 )以及計算機外圍設(shè)備如打印機、通信終端和智能化 UPS 等。在這些設(shè)備中使用單片機，使其具有計算、存儲、顯示、輸入等功能，具有和計算機連接的接口，使計算機的能力及應用范圍大大提高。 本課題以單片機作為控制器之一，進一步研究單片機在自動化檢測領(lǐng)域中的應用。 本論文研究的主要內(nèi)容 本文的主要工作是研究與設(shè)計一種基于 AT89S51 的 壓力容器 檢 測裝置 ，使之應用于 壓力容器的檢測工作上 ，在實用中具有非常廣闊的應用前景。 論文主要工作包括： （ 1） 簡述設(shè)計基于單片機的 壓力容器檢測裝置 的目的與意義，介紹了單片機技術(shù)的發(fā)展與應用，對 壓力容器 以及 自動化檢測技術(shù) 的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進行了論述。 （ 2） 根據(jù)設(shè)計要求選取適當?shù)钠骷斫M成此基于單片機的 壓力容器檢測裝置。包括基于單片機的壓力容器檢測裝置設(shè)計 7 傳感器的選擇，放大電路的選擇， 多路 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 ，單片機的 選擇 以及顯示器的選擇 ，選擇的器件是否合適是能否實現(xiàn)此 壓力容器檢測裝置 設(shè)計要求的前提條件。 （ 3）利用所選器件設(shè)計并實現(xiàn)基于單 片機的壓力容器檢測裝置的硬件部分。首先規(guī)劃此基于單片機的壓力容器檢測裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)設(shè)計要求確定應變式傳感器，測量放大器，低通濾波器等每一部分電路的具體結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)規(guī)劃將各部分電路連接起來形成一個完整的硬件系統(tǒng)。 （ 4）規(guī)劃基于單片機的壓力容器檢測裝置的軟件流程，并且最終編出相應的驅(qū)動程序及顯示程序，實現(xiàn)此壓力容器檢測裝置的設(shè)計要求。 論文的主要工作對于應用單片機實現(xiàn)的壓力容器檢測裝置具有很好的實際應用價值。 課題研究的意義 基于單片機的壓力容器檢測裝置的在實際中的 應用， 可以 及 時排除了帶缺陷運行的壓力容器的爆炸隱患，降低 惡性事故的發(fā)生 ，取得 重大的社會效益 。 20xx 年初步統(tǒng)計全國有 9000 多萬臺壓力容器在生產(chǎn)中運行，其中容積在 20 立方米 以上的壓力容器約占 15%，主要是大型的儲罐、球罐、合成塔、反應器等化工反應和儲存裝置中的核心設(shè)備，是生產(chǎn)中的重要設(shè)備，也是危險性極高的設(shè)備，造價也十分昂貴。就南京市而言， 20xx 年全市普查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)中約有兩萬多臺壓力容器在使用，其中容積在 20 立方米 以上的壓力容器約有 3000 多臺，這些壓力容器都是重要的設(shè)備，也是重大的危險源。按照國家規(guī)定要求 ，在使用 3~6 年時，必須要實施定期檢驗 。而常規(guī)檢驗就必須停產(chǎn)、清洗、介質(zhì)置換、拆除保溫和附屬設(shè)施等，從而導致整套裝置或整個企業(yè)長時間停產(chǎn)，損失巨大。同時大型壓力容器的常規(guī)檢驗耗時耗物，花費巨大的人力、物力，有的大型壓力容器要花費上千萬元。大型壓力容器采用 此 技術(shù)檢驗，可以大大地節(jié)省時間和資金，有的還可以避免開罐等過程，經(jīng)濟效益十分明顯。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 8 2 壓力容器檢測裝置的總體設(shè)計及器件選擇 壓力容器檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示： 圖 21 結(jié)構(gòu) 框圖 此 壓力容器檢測裝置 主要由 金屬電阻應變片 、測量放大器、 低通濾波電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器、單片機 及 LCD 顯示 組成。首先通過 金屬電阻應變片 將 被測容器的形變 轉(zhuǎn)換成電信號，為了提高 A/D 轉(zhuǎn)換精度，用測量放大器將該電 信號變換到 A/D 轉(zhuǎn)換電路的 最大輸入范圍內(nèi)，此放大后的信號經(jīng)低通濾波器濾波后輸入 A/D 轉(zhuǎn)換電路， A/D 轉(zhuǎn)換電路的輸出數(shù)字信號進入單片機，經(jīng)單片機對信號進行簡單處理后 用 LCD 顯示出來。 傳感器的選擇 傳感器的種類繁多、原理各異，檢測對象幾乎涉及各種參數(shù)，通常一種傳感器可以檢測多種參數(shù)，一種參數(shù)又可以用多種傳感器測量。所以傳感器的分類方法至今尚無統(tǒng)一規(guī)定，主要按工作原理、輸入信息和應用范圍來分類。 （ 1）按工作原理分類。按傳感器的工作原理不同，傳感器大體上可分為物理型、化學型及生物型三大類。 物理型傳感器是利用某些變換元件的物理性質(zhì)以及某些功能材料的特殊物理性能制成的傳感器，它又可以分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu) 型傳感器。物性型傳感器是利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應將被測量直接轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器是以結(jié)構(gòu)（如形狀、尺寸等）為基礎(chǔ)，在待測量作用下，其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，利用某些物理規(guī)律，獲得比例于待測非電量的電信號輸出的傳感器。 化學傳感器是利用敏感材料與物質(zhì)間的電化學反應原理，把無機和有機化學成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，如氣體傳感器、濕度傳感器和離子傳感器等。 生物傳感器是利用材料的生物效應構(gòu)成的傳感器，如酶傳感器、微生物傳感器、生理量（血液成分、血壓、心音、血蛋白、激素、筋肉強力等）傳感器 、組織傳感器、免信號采集電路 測量放大電路 低通濾波電路 A/D轉(zhuǎn)換 51單片機 液晶顯示 基于單片機的壓力容器檢測裝置設(shè)計 9 疫傳感器等。 （ 2）按輸入信息分類。傳感器按輸入量分類有位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、力傳感器、色傳感器、磁傳感器等，以輸入量（被測量）命名。這種分類對傳感器的應用很方便。 （ 3）按應用范圍分類。根據(jù)傳感器的應用范圍不同，通常可分為工業(yè)用、農(nóng)用、民用、科研用、醫(yī)用、軍用、環(huán)保用和家電用傳感器等。若按具體使用場合，還可分為汽車用、艦船用、飛機用、宇宙飛船用、防災用傳感器等。如果根據(jù)使用目的的不同，又可分為計測用、監(jiān)視用、檢查用、診斷用、控制用和分析用傳感器等。 物性型傳感器 物理型傳感器 結(jié)構(gòu)型傳感器 傳感器 化學型傳感器 生物型傳感器 這里我們選擇電阻應變式傳感器。它的基本原理是將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之有確定對應關(guān)系的電阻值，再通過測量此電阻值達到測量非電量的目的。這類傳感器的種類很多，在幾何量和機械量測量領(lǐng)域中應用廣泛，常用來測量力、壓力、位移、應變、扭矩、加速度等非電量。 電阻應變式傳感器應用歷史悠久，但目前仍是一種主要的測量手段，因為它具有以下獨特的優(yōu)點： （ 1）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠； （ 2）易于實現(xiàn)測試過程自動化和多點同步測量、遠距離測量和遙測； （ 3）靈敏度高，測量速度快，適合于靜態(tài)、動態(tài)測量； （ 4）可以測 量多種物理量，應用廣泛。 工作原理 電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的電阻 — 應變效應，即當金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將相應地發(fā)生變化。金屬導體的電阻 — 應變用應變靈敏系數(shù) K 描述，它決定于導體電阻的相對變化△ R/R 與其長度相對變化△ l/l之比值： //RRK ll??△ △ R/R△ ε (21) 式中，ε =△ l/l— 軸向應變。 一根長為 l、截面積為 s、電阻率為ρ的金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻為 lR s?ρ (22) 陜西科技大學畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 10 當電阻絲受到拉力 F 作用時，將伸長△ l，橫截面積相應減小△ S，電阻率則因晶格發(fā)生變形等因素的影響而改變△ρ，故引起電阻值變化△ R。將式（ 2— 2）全微分，并用相對變化量來表示，則有 R l sR l s? ? ?△ △ △ △ ρρ (23) 式中，（△ l/l） =ε為電阻絲的軸向應變，常用單位με（ 1με =1 106mm/mm）。由于S=π R2=π d2/4，則△ S/S=2△ d/d，其中，△ d/d 為徑向應變，由材料力學可知△ d/d=με，式中，μ為電阻絲材料的泊松比。將前面關(guān)系代入式（ 2— 3），可得 △ R/R=（ 1+2μ）ε +△ρ /ρ (24) 其應變靈敏系數(shù)為 //RRK ??△ △ ρ ρ（ 1+2 μ ） +ε ε (25) 從式（ 2— 5）看出，應變靈敏系數(shù) K 受兩個因素的影響：一是受力后由于材料的幾何尺寸變化引起的，即（ 1+2μ）項；另一因素是受力作用后由于材料的電阻率ρ發(fā)生變化而引起的，即（△ρ /ρ） /ε。對于金屬材料來說，（△ρ /ρ） /ε項比（ 1+2μ）項小得多，而對于半導體材料的（△ρ /ρ） /ε項比（ 1+2μ）項大得多，甚至可認為 K=（△ρ /ρ） /ε。 金屬材料在彈性變形范圍內(nèi)，泊松比μ =~，在塑性變形范圍內(nèi)μ≈ 。所以（ 1+2μ） =~（彈性區(qū)）或（ 1+2μ）≈ 2（塑性區(qū)）。但是根據(jù)對各種金屬材料的靈敏系數(shù)進行的實測表明，一般都超過 ，這說明（△ρ /ρ） /ε項對金屬材料的靈敏系數(shù)還是有影響的。但大量實驗證明，在應變極限內(nèi)，金屬材料電阻的相對變化與應變成正比，即 R KR ?△ ε (26) 應變片測試原理 使用應變片測量應變或應力時，是將應變片牢固地粘貼在被測彈性試件上，當試件受力變形時，應變片的金屬敏感柵隨之相應變形，從引起應變片電阻的變化。如果應用測量電路和儀器測出應變片的電阻值變化△ R，則根據(jù)式（ 2— 6），可得到被測試件的應變值ε，而根據(jù)應力 — 應變關(guān)系 ? =Eε 式中， E— 試件材料彈性模量；? — 試件的應力；ε — 試件的應變。計算可得應力值?。 通過彈性敏感元件的作用，將位移、力、力矩、壓力、加速度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為應變，因此可以將應變片由測量應變擴展到測量上述能引起應變的各種參量，從而形成各種電阻應變式傳感器。 基于單片機的壓力容器檢測裝置設(shè)計 11 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的類型較多，常用的有逐次逼近型和積分型。單片機應用系統(tǒng)中最常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器是可編程的 ADC0809。 ADC0809 是典型的 8 位 8 通道逐次型 A/D 轉(zhuǎn)換器， CMOS 工藝， ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如 圖 22 所示。 IN0 EOC D0 IN7 A D7 B C ALE VR(+) VR() OE 圖 22 ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 圖中 8 路模擬量開關(guān)可選通 8個模擬通道， 8路模擬量分時輸入，共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對 A、 B、 C 三個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道的選擇。 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式，由控制與時序電路、逐次逼近寄存器、樹狀