《智能检测技术与应用》课程论文-锅炉压力检测系统设计

智能检测技术与应用课程论文目录1 设计背景12 系统总体设计12.1设计整体思路12.2系统总体框图13 各模块的选择与设计13.1 信息采集模块13.1.1 气压传感器的芯片选择13.1.2 气压传感器的原理图23.1.3气压传感器MPX4115的原理23.2信号调理电路设计333滤波电路的设计33.4模数转换电路43.4.1芯片ADC0820的 特点43.4.2 引脚说明43.4.3 工作原理43.4.4 时序分析43.5主控制器的设计63.5.1 AT89C52单片机简介63.5.2 管脚说明63.6数据显示模块设计73.6.1数码管显示73.7译码电路设计83.7.1译码器原理83.7.2引角功能93.8系统的硬件抗干扰设计93.8.1抑制干扰源93.8.2切断干扰传播路径103.8.3提高敏感器件的抗干扰性能104 总结115 参考文献11附录一：电路原理图121 设计背景压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义。在工业生产中，为了高效、安全生产，必须有效控制生产过程中的诸如压力、流量、温度等主要参数。尤其是锅炉蒸汽压力的大小对生产过程有着重要的影响,不仅会影响蒸汽的质量,还会影响人身安全,因此有必要准确测量蒸汽压力。2 系统总体设计2.1设计整体思路 通过压力传感器将需要测量的蒸汽压力信号转化为电信号， 再经过运算放大器进行信号放大送至AD转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息，最后显示输出压力大小。2.2系统总体框图 硬件部分由四部分构成，它们分别是：信息采集模块，信息处理模块，数据转换模块和数据显示模块。系统框图如图2.1所示。气压传感器信号处理电路A/D转换 单片机LED显示器图2.1 系统总体框图3 各模块的选择与设计3.1 信息采集模块3.1.1 气压传感器的芯片选择气压传感器对于系统至关重要，需要综合实际的需求和各类气压传感器的性能参数加以选择。本设计要实现的数字气压计显示的是绝对气压值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的气压传感器。因为温度补偿特性可以克服半导体压力传感器件存在的温度漂移问题。经过综合考虑，本设计选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器MPX4115,它可以产生与所加气压呈线性关系的高精度模拟输出电压。图3.1 输出电压与压力之间的线性关系拟合后的关系式：V=0.04495Pa-0.40529图3.2 MPX4115内部构造图3.1.2 气压传感器的原理图数据采集模块由气压传感器MPX4115构成，采集的是气压值。其中1脚是输出信号端，输出的是与气压值相对应的模拟电压信号。数据采集模块的原理如图3所示。图3.3 气压传感器原理图3.1.3气压传感器MPX4115的原理MPX4115系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器。压阻式压力传感器是基于半导体材料的压阻效应制成的。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。 这个传感器结合了高级的微电机技术，薄膜镀金属。还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。在0-85的温度下误差不超过1.5%，温度补偿是-40-125输出模拟信号电压范围：0.2V4.8V。表3.1 气压传感器MPX4115的特性参数参 数符 号最 小典 型最 大单 位压力范围Pop15-115KPa供电电压Vs4.855.15.35Vdc供电电流Lo-7.010mAdc最大压力偏置 （085）Vs=5.0VVpss0.1350.2040.273Vdc满量程输出 （085）Vs=5.0VVoff4.7254.7944.863Vdc满量程比例 （085）Vs=5.0VVFSS4.5214.5904.695Vdc精度（085）-1.5%VPSS灵敏度V/P-45.9-mV/KPa响应时间（10%90%）tR-1.0-ms上升报警时间-20-ms偏置稳定性-0.5-%VFSS3.2信号调理电路设计由于气压传感器MPX4115的输出电压信号足够,因而无需进行放大,这里接上一个电压跟随器起到隔离和缓冲作用，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。以隔离前后级之间的影响。其电路图如图4所示 。图3.4 电压跟随器原理图33滤波电路的设计 有源二阶滤波器结构电路如图6所示，它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率ff0时（f0 为截止频率），电路的每级RC 电路的相移趋于-90，两级RC 电路的移相到-180，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输出阻抗高，输出阻抗低。图3.5 滤波电路结构图3.4模数转换电路A/D传感器将输入电压信号转化成一个输出的数字信号。本设计中使用的A/D转换器型号是ADC0820。3.4.1芯片ADC0820的 特点ADC0820采用先进的LinCMOS 硅门技术制成的，其分辨率为8位，输入为差分基准输入，有并行微处理器接口，无需外部时钟或振荡器，片内有采样与保持电路，供电只需单电源5 伏。3.4.2 引脚说明引脚号 名称 I/O 说明 1 ANLG LN I 模拟输入端 13 CS I 片选端。CS 须保持低电平以便AD识别RD 或WR 27 D0D7 O 数据端，3 态数据输出 10 GND 地 9 INT O 3.4.3 工作原理ADC0820采用取样数据比较器技术及普遍用于许多高速转换器的快闪技术。应用两个4 位快闪模数转换器完成 8 位输出。推荐的模拟输入电压范围是0.1V 至VCC+0.1V 。器件在两种方式下工作：读及写读方式，可通过MODE 选择。 高4 位快闪ADC 通过同时工作的 16 个比较器测量输入信号。高精度的4 位DAC 这时从转换结果产生一离散的模拟电压。一段延迟时间后，第二组比较器根据输入电平及 DAC 输出间的模拟电压差完成低四位转换。每一个转换结果输入一个 8 位锁定电路并且在RD 的下降沿输出至3 态输出缓冲器。3.4.4 时序分析只读模式MODE处于低电平时，转换器被设为（只）读方式。在只读方式下，WR/RDY 被用作输出且被认为是准备好端。在此状态，WR/RDY 低电平且 CS 低电平指示器件忙。转换开始于RD 的下降沿且在INT 下降和WR/RDY 恢复至高阻抗状态后1.6s内完成。此时数据输出亦从高阻抗状态转变为有效状态。数据读出后，RD 处高电平状态，INT 恢复高电平状态，数据输出恢复至高阻抗状态。写读方式 当MODE 处高电平状态，转换器被设为写读方式且WR/RDY 被看作是写操作端。模式一 在此状态，WR/RDY 低电平且 CS 低电平指示器件忙。转换开始于WR的上升沿且在INT下降的800ns内完成。保存CS低电平、WR高电平状态，RD读取信号要在INT下降前准备好，在INT下降沿开始读数据，数据输出亦从高阻抗状态转变为有效状态。数据读出后，RD 处高电平状态，INT 恢复高电平状态，数据输出恢复至高阻抗状态。模式二 此状态类似于模式一，WR/RDY 低电平且 CS 低电平指示器件忙，转换开始于WR/RDY上升沿，大约在 WR/RDY 恢复高电平后800ns内完成。INT下降沿表示转换完成，此时，在RD的下降沿开始读数据，数据输出亦从高阻抗状态转变为有效状态。数据读出后，RD 处高电平状态，INT 恢复高电平状态，数据输出恢复至高阻抗状态。模式三此工作方式操作简单，将CS、RD一直处低电平状态，转换开始于WR的上升沿，转换大约在800ns内完成，INT下降沿表示转换完成，数据可读出。INT为高电平状态时，数据输出呈高阻抗状态。在这种状态下，数据呈现的高阻态可以引起数据误读，影响精确度。3.5主控制器的设计对于A/D转换器输出的信号要经过单片机的数据处理，通过频率与气压之间的关系计算出气压值。功能强大AT89C52 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。本设计中选用AT89C52单片机来实现对系统的主要控制。3.5.1 AT89C52单片机简介 AT89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，如图3.8所示为AT89C52的结构示意图。图3.8 AT89C52单片机的结构示意图 3.5.2 管脚说明VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.6数据显示模块设计3.6.1数码管显示本设计采用LED数码管来显示锅炉压力的大小，LED显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。数码管的形状如图3.9所示。图3.9 数码管的外形图设计中采用数码管动态显示，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制。当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码 管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。3.7译码电路设计译码电路采用74LS47,译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码译成对应的输出的高、低电平信号。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。电路中利用译码器74LS47来控制数码管的位选通信号，显示压力大小。3.7.1译码器原理74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，表3.2列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。表3.2 74LS47真值表/ D C B Aa b c d e f g说明0X1X X X X0 0 0 0 0 0 0试灯XX0X X X X1 1 1 1 1 1 1熄灭1000 0 0 01 1 1 1 1 1 1灭零1110 0 0 00 0 0 0 0 0 101X10 0 0 11 0 0 1 1 1 111X10 0 1 00 0 1 0 0 1 021X10 0 1 10 0 0 0 1 1 031X10 1 0 01 0 0 1 1 0 041X10 1 0 10 1 0 0 1 0 051X10 1 1 01 1 0 0 0 0 061X10 1 1 10 0 0 1 1 1 171X11 0 0 00 0 0 0 0 0 081X11 0 0 10 0 0 1 1 0 0974LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器， 74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字。 74LS47为低电平作用。管脚图如图3.10所示。 图3.10 74LS47管脚图3.7.2引角功能(1)LT()：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT()=0时，无论输入A3 ，A2 ，A1 ，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，也就是七段将全亮,若驱动的数码管正常，是显示8。 (2)BI()：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。当BI()=0时，不论LT()和输入A3 ，A2 ，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极数码管熄灭。 (3)RBI()：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0，但是在RBI(-)=0作用下，使译码器输出全为高电平。其结果和加入灭灯信号的结果一样， 将0熄灭。 (4)RBO()：灭零输出，它和灭灯输入BI()共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。3.8系统的硬件抗干扰设计常用硬件抗干扰技术针对形成干扰的三要素：抑制干扰源、切断干扰传播路径和提高敏感器件抗干扰性能。 3.8.1抑制干扰源1）.继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可 动作更多的次数。2）.在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路，电阻一般选几K 到几十K,电容选0.01uF),减小电火花影响.。3）.给电机加滤波电路,注意电容、电感引线要尽量短。4）.电路板上每个IC要并接一个0.01F0.1F高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线,连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻,会影响滤波效果。5）.布线时避免90度折线,减少高频噪声发射。6）.可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声(这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的)。3.8.2切断干扰传播路径按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播,有时也可加隔离光耦来解决。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。 切断干扰传播路径的常用措施如下：1）.充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感，要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。2）.如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加形滤波电路)。3）.注意晶振布线.晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。4）.电路板合理分区，如强、弱信号,数字、模拟信号.尽可能把干扰源(如电机、继电器)与敏感元件(如单片机)远离。5）.用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地，A/D、D/A芯片布线也以此为原则。6）.单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。7）.在单片机I/O口、电线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器、源屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。3.8.3提高敏感器件的抗干扰性能 提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：1）.布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声