压力检测与控制试验系统设计报告

1、青岛理工大学自动化工程学院检测技术与控制仪表课程设计报告2016年 12 月 28 日压力检测与控制试验系统设计设计任务1、设计参数上位水箱尺寸：800X 500x 600mm,上位水箱离地200mm安装，通过直径 为20mm的PVC管道与其他设备相连，设备离地 30mm,要求测量设备入口处 的压力。测量误差不超过压力示值的土 1%。2、设计要求(1) 上位水箱通过水泵供水，通过变频器控制水泵的转速；(2) 通过查阅相关设备手册或上网查询， 选择压力传感器、调节器、调节阀、 变频器、水泵等设备(包括设备名称、型号、性能指标等)；(3) 设备选型要有一定的理论计算；(4) 用所选设备构成实验系统

2、，画出系统结构图；(5) 列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求等。课程设计评语设计报告成 绩(30%)设计过程成绩(30%)答辩成绩(40%)总成绩摘要压力参数指标在工业化生产中有着广泛的应用， 诸类仪表中， 变送器的应用 最为广泛、 普遍，变送器大体分为压力变送器和差压变送器。 压力测量对于保障 正常的工业化生产有着重要的意义， 对于本测控电路的设计， 通过智能微压力（差 压）变送器将物理型号变成电信号后，在经过模数转换芯片ADC0809俞送到单片 机中所进行的硬件电路设计。通过80C51单片机的编程设计，完成对硬件电路的 控制作用。ADC080是美国国家半导体公司生产的 CMO工

3、艺8通道，8位逐次逼 近式A/D模数转换器。然后连接LED显示器，显示测量时的动态数据。本次课题 设计最终结果是对俞入信号进行显示与对比，而后俞出最终结果，并且在LED上显示最终结果。关键词：WLY-KC微压力（差压）变送器，ADC0809专换器，压力传感器，A/D转换器，LED显示器ABSTRACTThe pressure parameter index is widely used in industrial production, and the transmitter is widely used in all kinds of instruments. Pressure measur

4、ementis 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-to-digital conversion chip ADC080

5、9 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 successiveapproximation A/D analog to digital conve

6、rter. 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 pressure (differential pressure) tran

7、smitter, ADC0809 converter, pressure sensor, A/D converter, LED display目录前 言 6 一、系统结构 7.1.1 压力检测与控制试验系统的结构图： 7.1.2 总体结构设计的思路： 7.1.3 一个完整的压力检测系统包括：取压口；引压管路和压力检测仪表 81.31 系统结构图 8.1.32 一个简单的压力检测系统示意图（下图 ）8.二、方案设计与模块选择 9.2.1 传感器输出电路 9.2.2变频器选型 9.2.2.1 变频器的工作原理 9.2.2.2 变频器选型时要确定以下几点 9.2.2.3 变频器所选型号： 1.02.

8、3水泵的选型 1.0.2.4 压力传感器的选型 112.5调节器 112.5.1 DDZ-III 型调节器电路结构图： 112.5.2 基型调节器 PD 控制规律图： 1.22.6 调节阀: 1.2.2.7 设计的控制系统回路 1.2三、具体硬件电路实现 1.33.1供电电路 1.3.3.2 压力感应电路 1.4.3.3 放大和滤波电路 1.53.4 压力显示电路与反馈控制 1.6四、开设的试验项目 应变式压力传感器特性实验 1. 64.1、实验目的 : 1.6.4.2、实验仪器 : 1.7.五、课程设计总结 1.7.参考文献 1.8.、八前言随着科学技术的发展与生产技术的提高，传感器技术已经

9、渗入日常生活之中。如压力传感器它已应用于医学、生活日用品之中。本设计是将压力传感器用于测量压力， 但它不同与一般的测力计， 它具有调 节控制功能， 适用于有压力限制的测量应用中。 它应用所学的集成电路和使用方 法，使整个电路具有测压力与调节功能。压力测试与控制系统顾名思义就是测试压力或压强， 当压力或压强超出一定 范围自动控制调节。 压力测试就是利用压力传感器将压力变成与其成线性关系的 电压，在一系列集成元件作用下， 在显示器中显示出压力。 整个设计之中显示电 路最为复杂。由于需要数字显示，模数转换器、七段译码器、 LED 显示器使整 个电路看起来复杂无比， 但它比用表头测量更方便， 更实用。

10、 当然器件的选择也 会使整个设计增色，它不但能提高电路的性能，还能减少功耗。设计时主要采用中小规模的集成电路实现，主要培养分析解决问题的能力， 提高设计电路，调整电路的实验技能。、系统结构1.1压力检测与控制试验系统的结构图:系统结构图1.2总体结构设计的思路:第一步：根据课设要求选取合适的器件，并通过相应的理论计算进行选取 第二步：进行控制系统回路的连接第三步：在连接好相应地回路后，根据给定的数值进行理论计算，用压力传感器对设备入口处压力进行测量，通过调节器使测得的值和给定值进行比较， 若测得的值使测量误差超过压力示值的土 1%,则需对产生的偏差进行比例、积 分或微分处理后，输出调节信号控制

11、执行器的动作，改变调节阀阀芯和阀座间的 流通面积，同时控制变频器对水泵的控制，调节水泵的转速以达到适当的进水速 度，从而使测量误差不超过压力示值的土 1%。1.3 一个完整的压力检测系统包括：取压口；引压管路和压力检测仪表1.31系统结构图1.32 一个简单的压力检测系统示意图（下图）取压口引压管路压力检测仪表系统示意图、方案设计与模块选择2.1 传感器输出电路传感器输出电路是由单个传感器构成， 由于压力变化使得电阻变化从而输出 电压发生变化，它输出的电压直接经放大电路放大与滤波之后分别送至报警系统 和表头。表头是可以直接显示模拟量的， 所以得到的电压信号不需要进行数模转 换，只需要让电压直接

12、控制表头指针的偏转，然后规定好表头的量程和单位2.2 变频器选型变频器是把工频电源(50Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速 运行的设备， 其中控制电路完成对主电路的控制， 整流电路将交流电变换成直流 电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波， 逆变电路将直流电再逆成交 流电。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。变频器的电路一般由整流、 中间直流环节、 逆变和控制 4个部分组成。整流 部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 2.2.1变频器的工作原理我们知道，交

13、流电动机的同步转速表达式位：n = 60 f(1 s)/p式中n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机极对数。由上式可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转 速,当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器 就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的， 是一种理想的高效率、 高性能的 调速手段。2.2.2变频器选型时要确定以下几点 ：1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。2) 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲 线，性能曲线决定了应用时的方式方法。3) 变频器与负载的匹配问题；I电压匹配

14、；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相 符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数， 以最大电流确定变频 器电流和过载能力。III. 转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波 增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于 普通电机的选型。5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合 电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档 或者在变频器的输出端安装输出电抗器。6）对于一

15、些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容， 变频器容量要放大一挡。223变频器所选型号:ABB变频器ACS800标准规格：（通用型） 相数，电压，频率：三相 380V 50/60HZ 过载电流额定：额定输出电流的 150%-1min额定频率：50，60Hz最高输出频率：参数设定可对应至 500Hz2.3水泵的选型水泵是一种面大量广的通用型机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力 冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的id地位。据统计，我国泵产量达525.6万台。泵的电能消耗占全国电能消耗的 21% 以上。因此大力降低泵有能源消耗，对节约能源具用十

16、分重大的意义。近年来， 我们泵行业设计研制了许多高效节能产品，如IHF、CQB、FSB、UHB等型号的泵类产品，对降低泵的能源消耗起了积极作用。2.4压力传感器的选型应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的测量电路组成非粘性应变式压力传感器是直接使用电阻丝 （应变元件）在弹性元件上，且构 成一个简单桥路粘贴式应变式压力传感器是将电阻丝或片粘贴在压力敏感元件上，当敏感元件经受压力作用而产生应变，使得粘贴在其上的电阻丝或片的电阻值发生相应的 变化2.5调节器在实际工业生产应用中，调节器是构成自动控制系统的核心仪表， 它的基本 功能是将来自变送器的测量信号与给定信号相比较， 并对由此产生的片产

17、进行比 例、积分或微分处理后，输出调节信号控制执行器的动作， 以实现对不同被测或 被控参数压力的自动调节作用。2.5.1 DDZ-III型调节器电路结构图：外给定值内给'定I输入I I也路"彳给定耐剧软r- 动 迫ttt pri电路m务|显示 电路2.5.2基型调节器PD控制规律图:R62.6调节阀:调节阀又称控制阀，是通用的末端执行机构，通过接受调节控制单元输出的 控制信号，借助动力操作去改变流体流量。调节阀一般由执行机构和阀门组成。 如果按其所配执行机构使用的动力，调节阀可以分为电动、气动、液动三种，即 以电为动力源的电动调节阀，以压缩空气为动力源的气动调节阀，以液体介质

18、（如 油等）压力为动力的电液动调节阀。竺奥公司生产的电动调节阀阀体可任意与竺 奥公司生产的电动执行器匹配，组合为电动调节阀。同时亦可与各种电动直行程 及气动薄膜执行器联接匹配，并可根据各品牌执行器定做接口，2.7设计的控制系统回路三、具体硬件电路实现3.1供电电路本系统中用到的很多芯片需要双电源供电，所以我们设计了能够输出土5V的稳定直流电压。这一部分电路用到的器件有 LM7805，LM7905，两个二极管 IN4001.，和自制的变压器。稳压管LM7805是三端稳压电路，它的封装形式为T0220。它有一系列固定 的是输出电压，应用十分广泛，由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作 区的保护

19、，使它基本上不会损坏。它的输出电流为 100mA，输出电压为5V， 输出电压误差小于土 5%,运行温度在0125C范围。最大输入电压为 35V。LM7905是三端固定式负稳压电路封装和安全措施和 LM7805相似。输出电 压为-5V，输出电压误差小于土 5%,它的输出电流为100mA,运行温度在070C 范围，最大输入电压-35V。二极管IN4001最大反相电压为50V，输出电流可达1A。电子系统为降低运行成本一般都使用 220V工频交流供电，而电子设备内部 使用的都是稳恒直流电，因此，需要将交流电变换成直流电。本设计利用变压器 将220V的交流电变成10V的交流电，该电压经过 VD1和VD2

20、整流，VD1、 VD2是IN4001，C1、C2滤波，LM7805和LM7905稳压为土 5V后，提供给后 续电路，使电路正常工作，电源电路原理图如图 3所示。D17805T1<23AC 220V、31N4001图13.2压力感应电路我门采用型号为SP20C-G501的压力传感器，控制驱动电流稳定在1mA，则 可以在一定压力范围内调节电桥平衡使输出电压在 01mV。为得到1mA的恒 定电流，我们用LM317L连成了一个1mA的恒流源。V ref|o |adjLM317L构成的恒流源，输出电流为 R ，式中Vref是基准电压，Iadj 是从调整端Iadj流出的电流，通常1 adj<5

21、0uA，虽然Iadj也随VI及环境的变化而变 化，且也是Io的一部分，但由于Iadj仅为78xx的Iq的1%，与Io相比，Io可忽略。 可见LM317L的恒流效果较好。由于 LM317的Vref=1.25V，其最小的电压差为 3V，因此输入电压VI达到4.25V，电路就能正常地工作。本设计中 LM317L的 输入点压为5V。压降为3.75V，通过电流1mA，所以损耗的功率为3.75mW。 传感器部分电路原理图如图4所示。+5TV IMV OUT3v INADJLM 31 7L2图23.3放大和滤波电路从压力传感器出来的电压信号很微弱，仅为1mV，而且易受工频影响，为了便于应用与减小干扰，我们将

22、输出电压信号进行放大与滤波处理。我们采用仪用放大器LH0036作为第一级放大，是一种高精度的放大器。其 最大输入失调电压1mV，共模抑制比100dB,输入阻抗高达300M ，电压增益范围11000，输入电压范围土 12V,输出短路时间连续，双电源供电，电源电压 在土 1v土 18V的范围内，我们采取土 5V供电。它的放大倍数可以由可调电阻A vcl控制，放大倍数计算公式如下:50KRg ， Rg为接在引脚4和7之间的电阻。可以看到当电阻值50Q，放大倍数为1000，当电阻值无穷大时，放大倍数 为1。它的内部连接有3个放大模块，构成了前级差分放大电路与后级的比例放 大电路，输入阻抗大，输出阻抗小

23、，共模增益大。这些优点都有适宜用做我们的 放大电路部分的前级放大。另外 LH0036的内部功耗约为1.5W前级放大原则上放大倍率是500倍，但由于后面我们用到了有源滤波器，考 虑到滤波效果，其放大倍数不好确定，所以前级放大我们在引脚4和7之间接可 调电阻，以调整放大倍数，使总的放大倍数为 1000倍，这样从这一部分电路输 出的电压范围应是01V。为了防止工频对信号的影响，我们对放大输出信号进行滤波。由于对信号幅 值的稳定要求比较严格，通频带范围内的幅頻曲线应十分平稳， 所以本设计选用 巴特沃斯滤波器滤出10HZ以上的频率，它是电子滤波器的一种。其特点是通频 带的频率响应曲线最平滑，频率响应曲线

24、最大限度的平坦，没有起伏，而且超过 频带宽度逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波形图上，从某以边界频率开 始，振幅随着角频率的增加而逐渐减小， 趋向负无穷大。它是唯一的一个无论阶 数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。只不过滤波器的阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。本设计中，我们采用常用于有源滤波器的放大器 0PA2111,该芯片内部集成 了两个运算放大器 A和B。选择电容和电阻时，电容宜在微法数量级下，因此 我们选定电容为O.OluF,再根据截止频率为10Hz,我们计算出电阻R1、R4、R5Ri R4 R5 R8 1.6M和R8的值，2 fC。选择Ri、R3、R6和R7时，为减小

25、偏置电流的影响，应尽可能使加到运放同相端对地的直流电阻与加到反相端对 地的电阻基本相等。11R2R3944K+58R12R43亠C7亠C8001uF001uR-513.4压力显示电路与反馈控制这部分电路是将采集到的关于压力大小的电信号显示成实际压力的大小。我们将其显示在数码管。主要用到了 ICL7135，CD4511, NE555定时器和数码管。为显示出压力大小，需将放大和滤波后的模拟电压进行 AD转换，得到数字 信号，本设计中需要将输出的数字量在数码管中显示，我们选用积分式A/D转换器ICL7135，它的内部有将二进制转换为 BCD码的功能，故而免去了用一般 A/D转换器还需将二进制数转换成 BCD码所带来的麻烦。将所得到的压力大小，根据需求，通过离心水泵和电动调节阀反馈控制输出 的压力。四、开设的试验项目应变式压力传感器特性实验4.1、实验目的：1、了解金属箔式应变片的应变效应和性能。2、掌握使用YJ-SL-I型实验仪设计电子秤的方法。4.2、实验仪器：YJ-SL-I型实验仪、应变传感器实验模板（电桥、差动）、应变压力实验装置、 连接线若干。4.3、实验内容:1用导线将YJ-SL-I型实验仪和应变传感器实验电桥模板及实验装置连接起来。检查电路无误后，打开电源开关。调节 RW1旋钮，使输出为零。按顺序增 加砝码数量，每次2