基于單片機系統(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控制的遠程智能壓力測量表以實現(xiàn)遙 測、遙控與報警的方法，介紹了單片機系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計，分析了與之配套的電子 監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)及其應(yīng)用。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來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、氣動系統(tǒng)中最常用的壓 力檢測部件就是壓力表，壓力表的結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但普通壓力表不 能實現(xiàn)遠程測量，也沒有遙控與報警的功能。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。另外其觸點對工作環(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 種電子測量壓力的傳感器，但多數(shù)不能直接用于原有的液壓、氣動系統(tǒng) 中，且其成本較高，不能為低成本的場合所采用。因此，將現(xiàn)有的壓力表 配合簡單實用的單片機系統(tǒng)，改造成智能化壓力表，是適合實際需求且 簡便易行的方法。
1.硬件系統(tǒng)設(shè)計
1.1系統(tǒng)總體設(shè)計
智能化壓力表系統(tǒng)由以下幾個部分組成：傳感器及壓力信號的采集 電路、單片機接口及其運算處理電路、控制信號的輸入電路、輸出顯示電 路以及擴展輸出控制電路等等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。
1.2壓力信號的采集電路
智能化壓力表制作的關(guān)鍵是采集壓力信號，本設(shè)計是在原壓力表上 配制格雷碼盤，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、接收對管組件采集5位格雷碼數(shù)據(jù)，該信號的采集、發(fā)送電路見圖 2。當光電組件中發(fā)光二極管發(fā)射的紅外線照射到碼盤中黑色部分，無反射光，輸出高電平；否則輸出低電平。經(jīng)由運算放大器組成的電壓比較器輸出 到單片機AT89S52的P0 口和P2 口讀入數(shù)據(jù)。運算放大器的參考電壓 UREF由限流電阻R3和穩(wěn)壓管Dz組成的電路來提供，其值約為1.5V。
1.3 單片機輸入與輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
智能化壓力表的單片機輸入控制、顯示部分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖3。由圖 3可知，該系統(tǒng)包括單片機AT89S52芯片、壓力數(shù)據(jù)采集接口、4X4鍵盤 輸入電路及4位數(shù)碼顯示電路等部分。AT89S52單片機是由最新型的電 擦寫、低功耗、高性能的CMOS八位單片機組成，其內(nèi)部具有4kB閃存 ROM，128 B的RAM，32根I/O線，2個16位定時/計數(shù)器，5個中斷源，它 與MCS—51系列單片機的管腳與指令系統(tǒng)完全兼容，并提供了更多的 可開發(fā)資源。AT89S52芯片的外圍電路很簡單，只需接入+5V、地、復(fù)位 (Reset)電路及晶振電路等即可工作，內(nèi)部程序可通過數(shù)據(jù)下載線寫入內(nèi) 部存儲器。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)運放 傳送到AT89C52的輸入端。以3個5位傳感器為例，共須占用15位端 口，可采用單片機P2.0—P2.7和P0.0—P0.7等端口輸入數(shù)據(jù)。
采用鍵盤輸入數(shù)值來設(shè)定壓力的上、下限報警閾值及其他參數(shù)。本設(shè) 計選用標準4X4薄膜按鍵，鍵盤接至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，可直接與單片機的輸入端相連。
壓力值的顯示是由單片機將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)運算處理后，得到壓力的 十進制數(shù)值8421BCD碼)，由單片機的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)過譯碼、顯示、驅(qū)動電路驅(qū)動數(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)動電路為CD4511等。但當環(huán)境照度大時，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)動電路可以采用CD4055芯片。
2.軟件系統(tǒng)設(shè)計
單片機系統(tǒng)的軟件主要包括：鍵盤讀取、數(shù)據(jù)采集、代碼轉(zhuǎn)換、驅(qū)動 顯示及輸出控制程序等部分，系統(tǒng)軟件工作的主流程見圖4。
首先，壓力系統(tǒng)工作，讀取輸入控制數(shù)據(jù)。44鍵盤數(shù)據(jù)的讀取可采
用低電平掃描鍵盤，對P1 口的高四位輪流輸入低電平，同時單片機讀低 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。鍵盤輸入 的是壓力的上、下限閾值，以供比較判斷壓力是否超標。LCD顯示器可直 接顯示鍵盤輸入的數(shù)值。初始化完成后單片機從壓力數(shù)據(jù)采集電路上讀 取格雷碼數(shù)據(jù)，把每個口讀取的數(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，但軟件實現(xiàn)起來較為簡便、經(jīng)濟，編 程采用查表的方法就可以實現(xiàn)。在系統(tǒng)工作時LCD顯示器顯示運行時的 壓力數(shù)值，顯示用單片機的串行口輸出數(shù)據(jù)。最后將實測的壓力數(shù)據(jù)與 鍵入的上、下限閾值進行比較，壓力較低時低于閾值），輸出升壓的控制 信號及報警信號；壓力較高時高于閾值），輸出降壓的控制信號及報警 信號。軟件的工作過程是始終循環(huán)檢測、比較、顯示及輸出，該系統(tǒng)是實時的測量與控制過程。
3.應(yīng)用擴展
該系統(tǒng)可用于使用真空壓力表負壓系統(tǒng)中。工程熱力系統(tǒng)中常用壓 力溫度計作溫度測量指示，其表頭部分結(jié)構(gòu)與壓力表相同，可以使用本 文所提出的方法進行測量，也可以用作溫度傳感而測量溫度。由于本系 統(tǒng)中使用了單片機，可以編制時間控制程序，而不用增加硬件，可以做到 一機多用。多壓力表系統(tǒng)復(fù)式顯示時，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。以下是幾個應(yīng)用實例。
3.1醫(yī)用低負壓吸引器
醫(yī)用低負壓吸引器是用來排除病人體內(nèi)積液的，工作時需維持一定 的低負壓，如果負壓超過300kPa，真空泵停止工作，而低于150 kPa，真 空泵又要重新啟動，其負壓傳感部分即可用智能化壓力表來測量。該儀 器還可設(shè)有定時開啟、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系統(tǒng)通過編程來實現(xiàn)。
3.2鍋爐壓力和溫度與水位的檢測和控制
鍋爐壓力溫度參量的拾取如上所述，水位的檢測采用水壓表，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油罐儲量的檢測
油罐儲量的測量原理與鍋爐水位的測量原理相同，由于本傳感器的 電器部分與液體隔離，是非接觸型、無觸點、低電壓、微電流幾十毫安）、 全封閉的。非常適合于防火、防爆要求比較嚴格的場合，如汽油庫、加油 站等處。由于單片機可以實現(xiàn)簡單的運算，根據(jù)油罐的形狀，得出壓力一 液位一體積一重量4個量值間的關(guān)系，經(jīng)過單片機運算可以直接顯示罐 內(nèi)液體體積或重量，并能提前報警顯示。
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)系來確定水量，制定合適的調(diào)水方案， 單片機的內(nèi)存空間足以實現(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
將現(xiàn)有的壓力表智能化，配合簡單實用的單片機系統(tǒng)，可以實現(xiàn)壓 力的遠程測量與監(jiān)控，實現(xiàn)壓力系統(tǒng)的閉環(huán)控制，結(jié)合其他非電量的電 測傳感技術(shù)，實現(xiàn)整個工藝流程的全自動控制。系統(tǒng)通過測試，運行正 常。該壓力表所采用的傳感器是非接觸型、無觸點式的，具有防爆性能， 適合于惡劣的工作環(huán)境，實用性強。
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