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浅析智能压力变送器

行业动态 2020-07-23 16:16:02
浅析智能压力变送器

摘 要:本文给出了智能压力变送器的概念,并从硬件和软件两个方面对智能压力变送 器的设计进行了分析,本文的研究对于推动我国智能压力变送器的发展起到了积极的探索意义。

一、智能压力变送器的概念

所谓智能压力变送器是指利用传感器技术进行信号采集,利用通信技术进行信号处理,利用数字信号处理技术进行信号处理,利用微型计算机技术进行数据存储和运算的智能型压力变送器处理系统。由于运用了上述先进的技术和理念,智能压力变送器可以实现对数据的实时获取和实时处理,并通过事先 编好的程序对操作进行更加实时、精确、 稳定的控制,是硬件和软件相结合的综合系统,其高精确性和高稳定性是传统的压力变送器无法相比的,具有广阔的市场前景。

二、智能压力变送器的硬件设计

智能压力变送器在硬件上由主控制器、压力采集、温度采集、总线通信和电源五部分组成,其中主控制器主要用于对所采集的信号数据进行处理从而实现对其他物理硬件的控制。

由于当前智能压力变送器的发展 方向是向着高精度、高集成性和高智能化的方向发展,所以对主控制器的性能要求便越来越高。为此,本文选用的C8051F350作为智能压力变送器硬件系统的核心控制器。这是因为首先C8051F350集成了24位模转换器以及其他的模数器件能够满足系统对分辨率的较高要求以及系统对抗干扰能力的要求;其次C8051F350内集成了8位FLASH存储器,除了用于存储程序代码之外还可以用于非易失性数据存储,数据写入时用MOVX指令,读出时用MOVC指令。这就使得系统不需要再另外配置非易失性数据存储器,因此简化了硬件设计,降低了成本。

压力采集的主要硬件是压力传感器,其位置在智能压力变送器的最前面。压力传感器负责将测量的压力数值首先转换为电信号,再将电信号经过A/D转换器转换成数字信号,然后交送主控制器进行数据处理。由此可见压力传感器的好坏将直接决定整个智能压力变送器的性能十分重要。本文采用的压力传 感器是CPS181陶瓷压力传感器。这是 由于陶瓷压力传感器首先具有很好的抗腐蚀性、抗震动型和抗磨损性,并且可以和绝大多介质直接接触;其次是陶瓷压力传感器具有很好的热稳定性可以满足实际工作环境中低温和高温的要求;第三陶瓷压力传感器输出信号较强、灵敏度高、绝缘性好能够满足长期、稳定的工作要求。

温度采集的主要硬件是温度采集传感器,其主要功能是测量压力传感器的工作环境温度,将采集所得的温度数 据传递给主控制器,主控制器对数据进行分析然后执行发出相关的指令控制其他部件来实现对压力传感器工作环境的温度控制,从而使得压力传感器在一个温度相对稳定的环境下进行工作。本文采用的是DS18B20采集压力传感器来完 成这项工作。这是由于DS18B20输出的直接就是数字信号,从而省略了电信号到数字信号之间的转换过程,提高了工作效率,使得测量更加具有实时性,另 外,由于DS18B20只占用一个 I/O端口, 所以减少了硬件的体积,提高了系统的可靠性。

总线通讯的主要硬件是进行总线传输的相关设计,本文的总线通讯采用过的是RS—485标准,这是由于RS— 485标准支持更远的传送距离,更高的传输速率以及更强的抗干扰能力。而且为了提高总线通讯的抗干扰能力,在总线末端通过一个短路套接一个匹配电阻,吸收总线上的反射信号,保证信号传输无毛刺,大大提高了总选通讯的抗干扰能力。

电源系统是智能压力变送器的主要动力系统,也是其工作保障的重要环节,电源系统的稳定性和可靠性将直接影响着系统运行的成败。通常的电源系统主要有两种,一种是我们日常使用的220伏交流电,一种是一些小型电器使用的24伏直流电。由于本文研究的智能压力变送器体积较小,主要的硬件都是集成电路板,所以对电压的要求并不是很高,而对电源的稳定性却要求较高, 所以本文采用24伏直流电的供电模式, 主要由线性稳压器实现,线性稳压电路具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、纹波电压小等优点。

三、智能压力变送器的软件设计

智能压力变送器的智能体现在该 系统通过事先编写好的程序来完成对数据的分析、处理以及对相关硬件的控制。智能压力变送器的软件系统主要包括系统主程序、压力采集模块、温度采集模块、数字滤波处理模块、通信模块五个模块。

系统主程序主要是指系统的操作 界面,用于连接和调用其他独立的子模块以及数据初始化的处理。为了保证系统的易维护性和可扩展性,系统采用模 块设计的开发思想,每个功能独立的模块都单独设计,而为了实现不同模块之间的数据传递和调用,主程序来实现对这些独立的子模块进行管理和协调从而 保证整个系统能够流畅地运行。此外, 在系统正式工作之前,用户还需要通过主程序来完成一些基础数据信息的录 入。

压力采集模块是按照初始化设定好的时间间隔对压力进行测量和传输。模块测量的数据以数组的形式存放在存储其中,并按照初始化的时间要求传送给主程序,由主程序传送给主控制器。

温度采集模块同样是按照事先设定好的时间间隔对压力采集传感器的工作温度进行测量和传输,并根据事先设定好的温度范围执行相应的温度补偿程序,从而保证压力采集传感器的工作温度稳定。

数字滤波处理模块是指通过算法来判断由于随机干扰而产生的带有随机误差的数据,本文的数据滤波处理采用的是复合滤波算法,其优点是具有更高 的兼容性和更好的滤波效果。

传统控制系统中的压力传感器,大多采用 4 一 20mA 直流模拟信号作为传输信号,具有抗干扰能力差,不适合长距离传输,成本高、误差大等缺点。 并且随着检测点的增多,给系统的扩充和维修带来了不便。本文设计的智能压力变送器可以解决上述问题,单片机C8051F350使用串行通信接口,通过基于RS一 485接口的Modbus通讯协议, 与PC机构成主从式总线型通讯网络来实现数字通讯,方便灵活的实现了系统 组态功能,提高了系统的抗干扰能力, 扩展了系统功能,节约了布线成本。