1、青島理工大學青島理工大學自動化工程學院檢測技術與控制儀表課程設計報告題目壓力檢測與控制實驗系統設計專 業班 級姓 名學 號指導教師2016年 12 月 28 日i青島理工大學壓力檢測與控制試驗系統設計設計任務1、設計參數上位水箱尺寸：800X 500X 600mm,上位水箱離地200mm安裝，通過直徑 為20mm的PVC管道與其他設備相連，設備離地 30mm,要求測量設備入口處 的壓力。測量誤差不超過壓力示值的1%。2、設計要求(1)上位水箱通過水泵供水，通過變頻器控制水泵的轉速；(2)通過查閱相關設備手冊或上網查詢， 選擇壓力傳感器、調節器、調節閥、 變頻器、水泵等設備(包括設備名稱、型號、

2、性能指標等)；(3)設備選型要有一定的理論計算；(4)用所選設備構成實驗系統，畫出系統結構圖；(5)列出所能開設的實驗，并寫出實驗目的、步驟、要求等。課程設計評語設計報告成 績(30%)設計過程成績 (30%)答辯成績 (40%)總成績摘要壓力參數指標在工業化生產中有著廣泛的應用，諸類儀表中，變送器的應用最為廣泛、普遍， 變送器大體分為壓力變送器和差壓變送器。壓力測量對于保障正常的工業化生產有著重要的意義，對于本測控電路的設計，通過智能微壓力（差壓）變送器將物理型號變成電信號后，在經過模數轉換芯片ADC0809俞送到單片機中所進行的硬件電路設計。通過80C51 單片機的編程設計，完成對硬件電路

3、的控制作用。ADC080受美國國家半導體公司生產的 CMOS：藝8通道，8位逐次逼 近式A/D模數轉換器。然后連接LED顯示器，顯示測量時的動態數據。本次課題 設計最終結果是對輸入信號進行顯示與對比，而后輸出最終結果，并且在LED上顯示最終結果。關鍵詞：WLY-KC散壓力（差壓）變送器，ADC0809專換器，壓力傳感器，A/D轉 換器，LED顯示器7ABSTRACTThe pressure parameter index is widely used in industrial production, and the transmitter is widely used in all kind

4、s of instruments. Pressure measurementis of great significance to guarantee the normal production of industrialization, for the design of measurement and control circuit, through the intelligent micro pressure (differential pressure) transmitter physical models into electrical signals, after analog-

5、to-digital conversion chip ADC0809 delivered to the hardware circuit design of MCU in the. Through the 80C51 microcontroller programming, to complete the control of the hardware circuit. ADC0809 is produced by National Semiconductor Corporation Ns CMOS process 8 channel, the 8 bit successiveapproxim

6、ation A/D analog to digital converter. Then connect the LED monitor to display the measured dynamic data. The final result of the design of the subject is to display and contrast the input signal, and then output the final results, and display the final results on the LED.KEY WORD： SWLY-KC micro pre

7、ssure (differential pressure) transmitter, ADC0809 converter, pressure sensor, A/D converter, LED display目錄前 言 6一、系統結構7.1.1 壓力檢測與控制試驗系統的結構圖：7.1.2 總體結構設計的思路：7.1.3 一個完整的壓力檢測系統包括：取壓口；引壓管路和壓力檢測儀表81.31 系統結構圖8.1.32 一個簡單的壓力檢測系統示意圖（下圖）8.二、方案設計與模塊選擇 9.2.1 傳感器輸出電路 9.2.2 變頻器選型9.2.2.1 變頻器的工作原理 9.2.2.2 變頻器選型時要確定

8、以下幾點 9.2.2.3 變頻器所選型號：1.02.3 水泵的選型1.0.2.4 壓力傳感器的選型112.5 調節器 112.5.1 DDZ-III 型調節器電路結構圖：112.5.2 基型調節器PD 控制規律圖：1.22.6 調節閥 : 1.2.2.7 設計的控制系統回路1.2三、具體硬件電路實現1.33.1 供電電路1.3.3.2 壓力感應電路1.4.3.3 放大和濾波電路1.53.4 壓力顯示電路與反饋控制1.6四、開設的試驗項目應變式壓力傳感器特性實驗1. 64.1、 實驗目的: 1.6.4.2、 實驗儀器: 1.7.五、 課程設計總結1.7.參考文獻1.8.前言隨著科學技術的發展與生

9、產技術的提高，傳感器技術已經滲入日常生活之中。如壓力傳感器它已應用于醫學、生活日用品之中。本設計是將壓力傳感器用于測量壓力，但它不同與一般的測力計，它具有調節控制功能，適用于有壓力限制的測量應用中。它應用所學的集成電路和使用方法，使整個電路具有測壓力與調節功能。壓力測試與控制系統顧名思義就是測試壓力或壓強，當壓力或壓強超出一定范圍自動控制調節。壓力測試就是利用壓力傳感器將壓力變成與其成線性關系的電壓， 在一系列集成元件作用下，在顯示器中顯示出壓力。整個設計之中顯示電路最為復雜。由于需要數字顯示，模數轉換器、七段譯碼器、LED 顯示器使整個電路看起來復雜無比，但它比用表頭測量更方便，更實用。 當

10、然器件的選擇也會使整個設計增色，它不但能提高電路的性能，還能減少功耗。設計時主要采用中小規模的集成電路實現，主要培養分析解決問題的能力，提高設計電路，調整電路的實驗技能。青島理工大學、系統結構1.1 壓力檢測與控制試驗系統的結構圖:系統結構圖1.2 總體結構設計的思路：第一步：根據課設要求選取合適的器件，并通過相應的理論計算進行選取第二步：進行控制系統回路的連接第三步：在連接好相應地回路后，根據給定的數值進行理論計算，用 壓力傳感器對設備入口處壓力進行測量，通過調節器使測得的值和給定值進行比較， 若測得的值使測量誤差超過壓力示值的1%,則需對產生的偏差進行比例、積分或微分處理后，輸出調節信號控

11、制執行器的動作，改變調節閥閥芯和閥座間的 流通面積，同時控制變頻器對水泵的控制，調節水泵的轉速以達到適當的進水速 度，從而使測量誤差不超過壓力示值的1%。#青島理工大學1.3 一個完整的壓力檢測系統包括：取壓口；引壓管路和壓力檢測儀 表1.31 系統結構圖111.32 一個簡單的壓力檢測系統示意圖（下圖）取壓口弓I壓管路壓力檢測儀表系統示意圖、方案設計與模塊選擇2.1 傳感器輸出電路傳感器輸出電路是由單個傳感器構成，由于壓力變化使得電阻變化從而輸出電壓發生變化，它輸出的電壓直接經放大電路放大與濾波之后分別送至報警系統和表頭。 表頭是可以直接顯示模擬量的，所以得到的電壓信號不需要進行數模轉換，只

12、需要讓電壓直接控制表頭指針的偏轉，然后規定好表頭的量程和單位2.2 變頻器選型變頻器是把工頻電源(50Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電， 直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4 個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為PWM 波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。2.2.1 變頻器的工作原理我們知道，交流電動

13、機的同步轉速表達式位：n = 60 f(1s)/p式中n異步電動機的轉速；f異步電動機的頻率；s電動機轉差率；p電動機極對數。由上式可知，轉速n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率f 即可改變電動機的轉速，當頻率f在050Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。2.2.2 變頻器選型時要確定以下幾點：1) 采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。2) 變頻器的負載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。3) 變頻器與負載的匹配問題；I .電壓匹配；變頻器的額定電壓與

14、負載的額定電壓相符。II . 電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。 對于特殊的負載如深水泵等則需要參考電機性能參數，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。III.轉矩匹配；這種情況在恒轉矩負載或有減速裝置時有可能發生。4）在使用變頻器驅動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波 增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，具容量要稍大于 普通電機的選型。5）變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合 電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔 或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。6）對于一些特殊的應用場合，如高溫

15、，高海拔，此時會引起變頻器的降容， 變頻器容量要放大一擋。2.2.3變頻器所選型號：ABB變頻器ACS800標準規格：（通用型） 相數，電壓，頻率：三相 380V 50/60HZ 過載電流額定：額定輸出電流的 150%-1min 額定頻率：50, 60Hz 最高輸出頻率：參數設定可對應至 500Hz2.3 水泵的選型水泵是一種面大量廣的通用型機械設備，它廣泛地應用于石油、化工、電力 冶金、礦山、選船、輕工、農業、民用和國防各部門，在國民經濟中占有重要的青島理工大學地位。據統計，我國泵產量達525.6萬臺。泵的電能消耗占全國電能消耗的 21% 以上。因此大力降低泵有能源消耗，對節約能源具用十分重

16、大的意義。近年來， 我們泵行業設計研制了許多高效節能產品，如 IHF、CQB、FSB、UHB等型號的 泵類產品，對降低泵的能源消耗起了積極作用。2.4 壓力傳感器的選型應變式壓力傳感器是由彈性元件、應變片以及相應的測量電路組成非粘性應變式壓力傳感器是直接使用電阻絲 （應變元件）在彈性元件上，且構 成一個簡單橋路粘貼式應變式壓力傳感器是將電阻絲或片粘貼在壓力敏感元件上，當敏感元件經受壓力作用而產生應變，使得粘貼在其上的電阻絲或片的電阻值發生相應的 變化2.5 調節器在實際工業生產應用中，調節器是構成自動控制系統的核心儀表， 它的基本 功能是將來自變送器的測量信號與給定信號相比較， 并對由此產生的

17、片產進行比 例、積分或微分處理后，輸出調節信號控制執行器的動作， 以實現對不同被測或 被控參數壓力的自動調節作用。2.5.1 DDZ-III型調節器電路結構圖:外給定值內給定-電甑_d給定髭泊顯示電路r- 動 也硬 F 功ILJ?輸出13青島理工大學2.5.2 基型調節器PD控制規律圖:R6152.6 調節閥：調節閥又稱控制閥，是通用的末端執行機構，通過接受調節控制單元輸出的 控制信號，借助動力操作去改變流體流量。調節閥一般由執行機構和閥門組成。 如果按其所配執行機構使用的動力，調節閥可以分為電動、氣動、液動三種，即 以電為動力源的電動調節閥，以壓縮空氣為動力源的氣動調節閥，以液體介質（如 油

18、等）壓力為動力的電液動調節閥。竺奧公司生產的電動調節閥閥體可任意與竺 奧公司生產的電動執行器匹配，組合為電動調節閥。同時亦可與各種電動直行程 及氣動薄膜執行器聯接匹配，并可根據各品牌執行器定做接口，2.7 設計的控制系統回路ZOiuiu /上優*麻 / 阿r廣/ 皿BPR-*舒力在應川汽利系；不;工三、具體硬件電路實現3.1 供電電路本系統中用到的很多芯片需要雙電源供電，所以我們設計了能夠輸出土5V的穩定直流電壓。這一部分電路用到的器件有 LM7805, LM7905,兩個二極管 IN4001.,和自制的變壓器。穩壓管LM7805是三端穩壓電路，它的封裝形式為T0220。它有一系列固定 的是輸

19、出電壓，應用十分廣泛，由于內部電流的限制，以及過熱保護和安全工作 區的保護，使它基本上不會損壞。它的輸出電流為 100mA ,輸出電壓為5V, 輸出電壓誤差小于土 5%,運行溫度在0125c范圍。最大輸入電壓為 35V。LM7905是三端固定式負穩壓電路封裝和安全措施和 LM7805相似。輸出電 壓為-5V,輸出電壓誤差小于土 5%,它的輸出電流為100mA，運行溫度在070c 范圍，最大輸入電壓-35V。二極管IN4001最大反相電壓為50V,輸出電流可達1A。電子系統為降低運行成本一般都使用 220V工頻交流供電，而電子設備內部 使用的都是穩恒直流電，因此，需要將交流電變換成直流電。本設計

20、利用變壓器 將220V的交流電變成10V的交流電，該電壓經過 VD1和VD2整流，VD1、 VD2是IN4001 , C1、C2濾波，LM7805和LM7905穩壓為 5V后，提供給后 續電路，使電路正常工作，電源電路原理圖如圖 3所示。青島理工大學D17805T3AC 220V 、1N4001圖13.2 壓力感應電路我門采用型號為SP20C-G501的壓力傳感器，控制驅動電流穩定在1mA,則 可以在一定壓力范圍內調節電橋平衡使輸出電壓在 01mV。為得到1mA的包 定電流，我們用LM317L連成了一個1mA的恒流源。V refIo IadjLM317L構成的恒流源，輸出電流為R ，式中Vre

21、f是基準電壓，Iadj是從調整端Iadj流出的電流，通常Iadj50uA,雖然Iadj也隨VI及環境的變化而變化，且也是Io的一部分，但由于Iadj僅為78xx的1q的1%,與Io相比，Io可忽略。可見LM317L的恒流效果較好。由于 LM317的Vef=1.25V,其最小的電壓差為 3V,因此輸入電壓VI達到4.25V,電路就能正常地工作。本設計中 LM317L的 輸入點壓為5V。壓降為3.75V,通過電流1mA,所以損耗的功率為3.75mW。 傳感器部分電路原理圖如圖4所示。3.3 放大和濾波電路從壓力傳感器出來的電壓信號很微弱，僅為1mV,而且易受工頻影響，為了便于應用與減小干擾，我們將

22、輸出電壓信號進行放大與濾波處理。我們采用儀用放大器LH0036作為第一級放大，是一種高精度的放大器。其 最大輸入失調電壓1mV,共模抑制比100dB,輸入阻抗高達300M ,電壓增益范圍11000,輸入電壓范圍 12V,輸出短路時間連續，雙電源供電，電源電壓 在 1v 18V的范圍內，我們采取土 5V供電。它的放大倍數可以由可調電阻Avci 1 50K控制，放大倍數計算公式如下:Rg , Rg為接在引腳4和7之間的電阻。可以看到當電阻值50Q,放大倍數為1000,當電阻值無窮大時，放大倍數 為1。它的內部連接有3個放大模塊，構成了前級差分放大電路與后級的比例放 大電路，輸入阻抗大，輸出阻抗小，

23、共模增益大。這些優點都有適宜用做我們的 放大電路部分的前級放大。另外 LH0036的內部功耗約為1.5W前級放大原則上放大倍率是500倍，但由于后面我們用到了有源濾波器，考 慮到濾波效果，其放大倍數不好確定，所以前級放大我們在引腳4和7之間接可 調電阻，以調整放大倍數，使總的放大倍數為1000倍，這樣從這一部分電路輸出的電壓范圍應是01V。為了防止工頻對信號的影響，我們對放大輸出信號進行濾波。由于對信號幅 值的穩定要求比較嚴格，通頻帶范圍內的幅曲線應十分平穩， 所以本設計選用 巴特沃斯濾波器濾出10HZ以上的頻率，它是電子濾波器的一種。具特點是通頻 帶的頻率響應曲線最平滑，頻率響應曲線最大限度

24、的平坦， 沒有起伏，而且超過 頻帶寬度逐漸下降為零。在振幅的對數對角頻率的波形圖上，從某以邊界頻率開 始，振幅隨著角頻率的增加而逐漸減小， 趨向負無窮大。它是唯一的一個無論階 數，振幅對角頻率曲線都保持同樣的形狀的濾波器。只不過濾波器的階數越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快。本設計中，我們采用常用于有源濾波器的放大器 OPA2111,該芯片內部集成 了兩個運算放大器 A和Bo選擇電容和電阻時，電容宜在微法數量級下，因此我們選定電容為0.01uF,再根據截止頻率為10Hz,我們計算出電阻R1、R4、R51R1 R4 R5 R81.6M和R8的值，2 fC。選擇R1、R3、R6和R7時，為減小偏置電流

25、的影響，應盡可能使加到運放同相端對地的直流電阻與加到反相端對 地的電阻基本相等。R1R2二63R4001uFR3944K+582_|X001uF4-513.4 壓力顯示電路與反饋控制這部分電路是將采集到的關于壓力大小的電信號顯示成實際壓力的大小。我們將其顯示在數碼管。主要用到了 ICL7135, CD4511, NE555定時器和數碼管。為顯示出壓力大小，需將放大和濾波后的模擬電壓進行 AD轉換，得到數字 信號，本設計中需要將輸出的數字量在數碼管中顯示，我們選用積分式A/D轉換器ICL7135,它的內部有將二進制轉換為 BCD碼的功能，故而免去了用一般 A/D轉換器還需將二進制數轉換成 BCD碼所帶來的麻煩。將所得到的壓力大小，根據需求，通過離心水泵和電動調節閥反饋控制輸出 的壓力。四、開設的試驗項目應變式壓力傳感器特性實驗4.1、 實驗目的：1、了解金屬箔式應變片的應變效應和性能。2、掌握使用YJ-SL-I型實驗儀設計電子秤的方法。4.2、 實驗儀器：YJ-SL-I型實驗儀、應變傳感器實驗模板（電橋、差動）、應變壓力實驗裝置、 連接線若干。4.3、 實驗內容：1、用導線將YJ-SL-I型實驗儀和應變傳感器實驗電橋模板及實驗裝置連接起來。檢查電路無誤后，打開電源開關。調節 RW1旋鈕，使輸出為零。按順序增 加整碼數量，每次200g,記