基于單片機(jī)系統(tǒng)的智能化壓力表及其應(yīng)用
闡述了將指針式壓力表改制成單片機(jī)控制的遠(yuǎn)程智能壓力測(cè)量表以實(shí)現(xiàn)遙 測(cè)、遙控與報(bào)警的方法，介紹了單片機(jī)系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，分析了與之配套的電子 監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的智能化儀器應(yīng)用于各行各 業(yè)，使我們的生產(chǎn)生活更加舒適和快捷。在液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)中最常用的壓 力檢測(cè)部件就是壓力表，壓力表的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但普通壓力表不 能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量，也沒(méi)有遙控與報(bào)警的功能。雖然在壓力表的基礎(chǔ)上發(fā) 展了電接觸壓力表，可作為壓力控制元件，但它只能進(jìn)行定值控制，在工 作中不能更改閾值，適應(yīng)不了現(xiàn)代控制的要求。另外其觸點(diǎn)對(duì)工作環(huán)境 的要求很苛刻，容易出現(xiàn)故障，因此應(yīng)用范圍具有局限性。目前，也有各 種電子測(cè)量壓力的傳感器，但多數(shù)不能直接用于原有的液壓、氣動(dòng)系統(tǒng) 中，且其成本較高，不能為低成本的場(chǎng)合所采用。因此，將現(xiàn)有的壓力表 配合簡(jiǎn)單實(shí)用的單片機(jī)系統(tǒng)，改造成智能化壓力表，是適合實(shí)際需求且 簡(jiǎn)便易行的方法。
1.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
智能化壓力表系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：傳感器及壓力信號(hào)的采集 電路、單片機(jī)接口及其運(yùn)算處理電路、控制信號(hào)的輸入電路、輸出顯示電 路以及擴(kuò)展輸出控制電路等等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
1.2壓力信號(hào)的采集電路
智能化壓力表制作的關(guān)鍵是采集壓力信號(hào)，本設(shè)計(jì)是在原壓力表上 配制格雷碼盤(pán)，利用光電轉(zhuǎn)換采集壓力數(shù)值。即采用5組微型反射式紅外 發(fā)射、接收對(duì)管組件采集5位格雷碼數(shù)據(jù)，該信號(hào)的采集、發(fā)送電路見(jiàn)圖 2。當(dāng)光電組件中發(fā)光二極管發(fā)射的紅外線照射到碼盤(pán)中黑色部分，無(wú)反射光，輸出高電平；否則輸出低電平。經(jīng)由運(yùn)算放大器組成的電壓比較器輸出 到單片機(jī)AT89S52的P0 口和P2 口讀入數(shù)據(jù)。運(yùn)算放大器的參考電壓 UREF由限流電阻R3和穩(wěn)壓管Dz組成的電路來(lái)提供，其值約為1.5V。
1.3 單片機(jī)輸入與輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
智能化壓力表的單片機(jī)輸入控制、顯示部分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。由圖 3可知，該系統(tǒng)包括單片機(jī)AT89S52芯片、壓力數(shù)據(jù)采集接口、4X4鍵盤(pán) 輸入電路及4位數(shù)碼顯示電路等部分。AT89S52單片機(jī)是由最新型的電 擦寫(xiě)、低功耗、高性能的CMOS八位單片機(jī)組成，其內(nèi)部具有4kB閃存 ROM，128 B的RAM，32根I/O線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，它 與MCS—51系列單片機(jī)的管腳與指令系統(tǒng)完全兼容，并提供了更多的 可開(kāi)發(fā)資源。AT89S52芯片的外圍電路很簡(jiǎn)單，只需接入+5V、地、復(fù)位 (Reset)電路及晶振電路等即可工作，內(nèi)部程序可通過(guò)數(shù)據(jù)下載線寫(xiě)入內(nèi) 部存儲(chǔ)器。壓力數(shù)據(jù)采集接口電路是把壓力表的5位格雷碼數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)放 傳送到AT89C52的輸入端。以3個(gè)5位傳感器為例，共須占用15位端 口，可采用單片機(jī)P2.0—P2.7和P0.0—P0.7等端口輸入數(shù)據(jù)。
采用鍵盤(pán)輸入數(shù)值來(lái)設(shè)定壓力的上、下限報(bào)警閾值及其他參數(shù)。本設(shè) 計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)4X4薄膜按鍵，鍵盤(pán)接至P1 口，由于P1 口的內(nèi)部具有上拉電 阻，所以按鍵電路不需外接上拉電阻，可直接與單片機(jī)的輸入端相連。
壓力值的顯示是由單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算處理后，得到壓力的 十進(jìn)制數(shù)值8421BCD碼)，由單片機(jī)的RXD和TXD串行口輸出串行數(shù)據(jù)至CD4015轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)譯碼、顯示、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)數(shù)字顯示器。其中CD4015是串入并出的移位寄存器。顯示器可以采用LED數(shù) 碼管顯示，其譯碼驅(qū)動(dòng)電路為CD4511等。但當(dāng)環(huán)境照度大時(shí)，LED發(fā)光 管字體不明顯，且LED發(fā)光管的能耗較大，所以也可以采用能耗極低的 LCD液晶顯示器，LCD的驅(qū)動(dòng)電路可以采用CD4055芯片。
2.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
單片機(jī)系統(tǒng)的軟件主要包括：鍵盤(pán)讀取、數(shù)據(jù)采集、代碼轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng) 顯示及輸出控制程序等部分，系統(tǒng)軟件工作的主流程見(jiàn)圖4。
首先，壓力系統(tǒng)工作，讀取輸入控制數(shù)據(jù)。44鍵盤(pán)數(shù)據(jù)的讀取可采
用低電平掃描鍵盤(pán)，對(duì)P1 口的高四位輪流輸入低電平，同時(shí)單片機(jī)讀低 四位是否有低電平，有則可判斷其按鍵位置，讀入相應(yīng)的數(shù)值。鍵盤(pán)輸入 的是壓力的上、下限閾值，以供比較判斷壓力是否超標(biāo)。LCD顯示器可直 接顯示鍵盤(pán)輸入的數(shù)值。初始化完成后單片機(jī)從壓力數(shù)據(jù)采集電路上讀 取格雷碼數(shù)據(jù)，把每個(gè)口讀取的數(shù)據(jù)加以處理。將格雷碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 8421BCD碼，轉(zhuǎn)換也可由硬件完成，但軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，編 程采用查表的方法就可以實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)工作時(shí)LCD顯示器顯示運(yùn)行時(shí)的 壓力數(shù)值，顯示用單片機(jī)的串行口輸出數(shù)據(jù)。最后將實(shí)測(cè)的壓力數(shù)據(jù)與 鍵入的上、下限閾值進(jìn)行比較，壓力較低時(shí)低于閾值），輸出升壓的控制 信號(hào)及報(bào)警信號(hào)；壓力較高時(shí)高于閾值），輸出降壓的控制信號(hào)及報(bào)警 信號(hào)。軟件的工作過(guò)程是始終循環(huán)檢測(cè)、比較、顯示及輸出，該系統(tǒng)是實(shí)時(shí)的測(cè)量與控制過(guò)程。
3.應(yīng)用擴(kuò)展
該系統(tǒng)可用于使用真空壓力表負(fù)壓系統(tǒng)中。工程熱力系統(tǒng)中常用壓 力溫度計(jì)作溫度測(cè)量指示，其表頭部分結(jié)構(gòu)與壓力表相同，可以使用本 文所提出的方法進(jìn)行測(cè)量，也可以用作溫度傳感而測(cè)量溫度。由于本系 統(tǒng)中使用了單片機(jī)，可以編制時(shí)間控制程序，而不用增加硬件，可以做到 一機(jī)多用。多壓力表系統(tǒng)復(fù)式顯示時(shí)，壓力表數(shù)據(jù)可由串口輸入，而顯示 數(shù)值則由并口輸出，節(jié)省資源，節(jié)約了器件。以下是幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例。
3.1醫(yī)用低負(fù)壓吸引器
醫(yī)用低負(fù)壓吸引器是用來(lái)排除病人體內(nèi)積液的，工作時(shí)需維持一定 的低負(fù)壓，如果負(fù)壓超過(guò)300kPa，真空泵停止工作，而低于150 kPa，真 空泵又要重新啟動(dòng)，其負(fù)壓傳感部分即可用智能化壓力表來(lái)測(cè)量。該儀 器還可設(shè)有定時(shí)開(kāi)啟、間歇關(guān)閉、總工作周期設(shè)定等功能，采用多窗口顯 示，這些要求都可以由單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.2鍋爐壓力和溫度與水位的檢測(cè)和控制
鍋爐壓力溫度參量的拾取如上所述，水位的檢測(cè)采用水壓表，裝在 鍋爐低水位處，水位降低則壓力減小，各參數(shù)經(jīng)單片機(jī)處理后可以輸出 顯示，并可控制熱力系統(tǒng)工作。
3.3油罐儲(chǔ)量的檢測(cè)
油罐儲(chǔ)量的測(cè)量原理與鍋爐水位的測(cè)量原理相同，由于本傳感器的 電器部分與液體隔離，是非接觸型、無(wú)觸點(diǎn)、低電壓、微電流幾十毫安）、 全封閉的。非常適合于防火、防爆要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)合，如汽油庫(kù)、加油 站等處。由于單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的運(yùn)算，根據(jù)油罐的形狀，得出壓力一 液位一體積一重量4個(gè)量值間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)單片機(jī)運(yùn)算可以直接顯示罐 內(nèi)液體體積或重量，并能提前報(bào)警顯示。
3.4潛水艇仰伏姿態(tài)的控制
潛水艇的仰伏及沉浮是靠其水柜內(nèi)的存水量來(lái)控制的，如果前艙水 箱水少而后艙水箱水多，則潛水艇呈前仰姿態(tài)；反之則呈傾伏姿態(tài)。由于 潛水艇的水柜依艇艙形狀而定，很不規(guī)則，必須根據(jù)上述的壓力一液 位一體積一重量4量值間函數(shù)關(guān)系來(lái)確定水量，制定合適的調(diào)水方案， 單片機(jī)的內(nèi)存空間足以實(shí)現(xiàn)多種控制方案，以適合于各種情況。本系統(tǒng) 即可以替代原有不完善的設(shè)備或作為后備系統(tǒng)。
4.結(jié)語(yǔ)
將現(xiàn)有的壓力表智能化，配合簡(jiǎn)單實(shí)用的單片機(jī)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)壓 力的遠(yuǎn)程測(cè)量與監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)壓力系統(tǒng)的閉環(huán)控制，結(jié)合其他非電量的電 測(cè)傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝流程的全自動(dòng)控制。系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試，運(yùn)行正 常。該壓力表所采用的傳感器是非接觸型、無(wú)觸點(diǎn)式的，具有防爆性能， 適合于惡劣的工作環(huán)境，實(shí)用性強(qiáng)。
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