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压力传感器数据采集
题目:
压力传感器数据采集
摘要
压力传感器是自动控制中使用最多的测量装置之一。
在大型的化工项目中,几乎包含了所有压力传感器的应用:
差压、绝压、表压、高压、微差压、高温、低温,以及各种材质及特殊加工的远传法兰式压力传感器。
近年来压力传感器在市场上大热,在各类消费产品中都可以看到传感器的应用,既丰富了产品的功能又提高了产品的方便性和易用性,成为吸引消费者关注的新亮点。
压力传感器具有全密封不锈钢焊接结构、小体积、高灵敏度、零点满度可调节应可用于液压、压铸、中央空调系统、恒压供水、机车制动系统轻工、机械、冶金、石化、环保、空压机等其他自动控制系统。
无线技术能在短距离内用发射、接收模块代替有线电缆的连接。
本文给出了一种基于无线技术的智能压力传感器数据采集系统,由数据采集发射端和接收端两部分组成。
主要介绍了硬件结构设计、软件系统工作流程及测试结果,并且应用多项式标准化拟合的方法对压力值作了热零点漂移补偿,提高了传感器的测量精度及温度稳定性。
该系统可以在一些特殊的场所实现信号的采集、处理和发送,解决了复杂的现场连线,并且具有成本低、可靠性好、实用性强等优点。
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关键词:
压力传感器无线技术数据采集
Abstract
Pressuresensorisoneofthemostfrequentlyusedmeasuringdevicesinautomaticcontrol.Inlarge-scalechemicalprojects,includingalmostallthepressuresensorapplication:
differentialpressure,absolutepressure,gaugepressure,highpressure,differentialpressure,hightemperature,lowtemperature,andavarietyofmaterialsandspecialprocessingtransmissionflangetypepressuresensor.Inrecentyears,pressuresensorinthemarkethot,inawiderangeofconsumerproductscanseesensorapplication,notonlyenrichthefunctionsoftheproductandimprovetheproductsoftheconvenienceandeaseofuse,becometoattractconsumerattention,anewbrightspot.Thepressuresensorhasthewholesealingstainlesssteelweldedstructure,smallvolume,highsensitivity,zerofulladjustableshouldbeusedforhydraulic,die-casting,centralair-conditioningsystem,constantpressurewatersupply,locomotivebrakesystemlightindustry,machinery,metallurgy,petrochemical,environmentalprotection,aircompressorandotherautomaticcontrolsystem.
Wirelesstechnologycanbeusedinashortdistancetotransmitandreceivemoduleinsteadofcableconnection.Inthispaper,adataacquisitionsystembasedonwirelesstechnologyispresented,whichiscomposedoftwoparts,thetransmitterandreceiver.Thispapermainlyintroducesthehardwarestructuredesign,softwaresystemworkflowandtestresults,andappliesthemethodofpolynomialfitting.Thethermalzerodriftcompensationisusedtoimprovethemeasurementaccuracyandtemperaturestabilityofthesensor.Thesystemcanrealizethesignalacquisition,processingandtransmissioninsomespecialplaces,whichcansolvethecomplicatedsceneconnection,andhastheadvantagesoflowcost,goodreliabilityandstrongpracticability.
Keywords:
pressuresensor,wirelesstechnology,datacollection
一、实验目的
1、由于压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用,因此有必要准确测量压力。
通过压力传感器将需要测量的位置的压力信号转化为电信号。
2、通过本次实验,同学们可以加深对A/D转换器、单片机及系统仿真软件的了解。
二、实验条件
2.1开发软件
KeilC51是Keilsoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。
KeilC51软件提供了丰富的库数据和功能强大的集成开发调试工具μVision2全是windows界面。
keilC51生成的目标代码的效率之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
Keil的版
本目前是V7版本,他是很优秀的8051C编译器。
2.2实验设备
(1)传感器
(2)程控放大器
(3)A/D转换器ICL7135
(4)无线发射与接收电路
(5)计算机
三、实验设计原理与步骤
3.1压力传感器信号采集设计原理
数据采集系统是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后,以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。
图一为压力传感器通过无线来进行信号采集的系统图。
3.2传感器的选用条件
(1)转换范围与被测量实际变化范围相一致
(2)转换精度转换速度应符合整机要求
(3)能满足被测介质和使用环境的特殊要求
(4)能满足用户对可靠性和可维护性的要求
3.3压力传感器的特点
(1).传感器的量程和功能都得到了进一步扩展,能实现对基本参数和特殊参数的测量,满足不同场合的需要。
(2).传感器的灵敏度和测量精度也同时得到了提高,对于微弱信号测量,各种信号的校正和补偿都可以实现,测量数据可以根据需要进行存储。
(3).数据测量的稳定性和可能性得到提升,减小外界环境对压力传感器输出干扰,可以对测量有选择性地进行。
(4).能够实现自我诊断功能,对发生故障的部位能及时且准确地进行锁定,故障状态迅速识别,解决一些通过硬件不能实现的问题。
(5).信号输出形式和接口选择更为多样,通信距离得到更大提高。
3.4A/D转换原理
ICL7135是高精度四位半CMOS双积分型A/D转换器,具有如下特点:
(1)转换速度为3~10次/s,分辨率相当于14位二进制数,转换误差为±1LSB,转换精度高。
(2)量程范围0~1.9999V。
(3)对输入的模拟信号过(欠)量程能够识别;具有自动转换和自动调零功能,可保证零点在常温下的长期稳定性。
(4)与单片机可直接连接,不需地址选择信号。
当ICL7135工作于双极性情况时,时钟最高频率为125kHz,可采用555定时器作为ICL7135的CLK时钟输入。
当ICL7135的积分器在积分过程中(对信号积分和反向积分),其BUSY端输出高电平,积分器反向积分过零后输出低电平。
ICL7135的POL端为极性输出端。
当输入信号为正时POL输出高电平;当输入信号为负时POL输出为低电平。
B1、B2、B4、B8是BCD码输出端。
A/D转换器的基准电压的精度和稳定性是影响转换精度的主要因素。
为保证ICL7135的转换精度,我们采用高准确度、低温漂的带隙基准电压源MC1403向其提供1V的基准电压。
A/D转换器与单片机的基本连线见图2。
3.5无线发射部分
发射电路部分由PT2262编码器和F05发射模块组成。
其中PT2262是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编码电路,能将数据和地址编译成代码的波形。
它最大有12位(A0~A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),共有531441种地址代码。
最大有6位(D0~D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出。
F05具有较宽的工作电压范围及低功耗特性,当发射电压为3V时,发射电流约2mA,发射功率较小,12V为最佳工作电压,具有较好的发射效果,发射电流约5~8mA,大于12V直流功耗增大,有效发射功率不再明显提高。
F05系列采用AM方式调制以降低功耗,数据信号停止,发射电流降为零。
数据电平应接近F05的实际工作电压以获得较高的调制效果,F05对过宽的调制信号易引起调制效率下降,收发距离变近。
当高电平脉冲宽度在0.08~1ms时发射效果较好,大于1ms后效率开始下降;当低电平区大于10ms,接收到的数据第一位极易被干扰(即零电平干扰)而引起不解码。
如采用CPU编译码可在
数据识别位前加一些乱码以抑制零电平干扰,若是通用编解码器,可调整振荡电阻使每组码中间的低电平区小于10ms。
平时F05输入端应处于低电平状态,输入的数据信号应是正逻辑电平,幅度最高不应超过F05的工作电压。
F05应垂直安装在印刷电路板边部,应离开周围器件5mm以上,以免受分布参数影响而停振。
发射部分电路见图3。
图3发射电路部分设计
3.6无线接收部分
接收电路部分主要由PT2272解码器和J05接收模块组成。
其中PT2272最多可有12位(A0~A11)三态地址端管脚,任意组合可提供531441地址码,最多可有6位(D0~D5)数据端输出管脚,17脚为解码有效指示输出,PT2272分为锁存型输出或非锁存型输出。
J05接收模块采用超外差,二次变频结构,所有的射频接收、混频、滤波、数据解调,放大整形全部在芯片内完成,接收功能高度集成化。
具有二种工作方式选择,以适合解调不同的数据速率。
当第3脚悬空(内部已上拉为高电平)时,射频接收带宽较宽,可适应发射频率精度误差较大的声表谐振器稳频的发射机及一般的LC发射机。
当第3脚接地时,射频接收带宽较窄,解调滤波器带宽较大,但要求配套的发射机必须具有较高的频率精度及稳定度,发射频率必须由晶体或精度较高的声表谐振器稳频。
接收部分电路见图4。
图4接收部分电路设计
3.7软件部分设计
智能压力传感器前端系统软件包括初始化程序、压力和温度的数据采集程序、数字滤波程序、测量算法程序、发送程序等部分组成。
系统初始化程序包括堆栈指针的设置、中断源控制字设置和有关工作单元的初始化等。
本系统采用的是复合滤波方法,此法首先将n次采样值按大小排队,然后去掉最大值和最小值,再对剩下的n-2个采样值求算术平均值。
复合滤波法既可以去掉脉冲干扰,又可以对采样值进行平滑加工,它兼有中值滤波和算术平均滤波的优点。
关于温度引起的压力传感器热零点漂移现象,我们采用的是非线性函数多项式拟合的规范化方法。
在程序中通过拟合出的规范化多项式,对压力值进行温度漂移的补偿计算。
最后得到的压力值数据经P1口发送到PT2262数据端,由PT2262编码送F05发射数据。
接收端的软件实现比较简单,主要是解码器PT2272将J05接收来的数据发送到单片机的P1口,经单片机处理后由P2口发送给LED显示。
图5接收端程序流程图
四、实验结果分析及总结
测试时将数据采集发射电路与信号接收装置相距20m左右,将压力传感器置于恒温槽中,在不同的温度下进行了分组压力测试,实验结果如表1所示。
从实验结果可以看出,由于在智能传感器系统中融入了温度信息,并且应用多项式拟合的算法对压力值进行了零点漂移补偿计算,所以基本消除了温度对压力传感器输出信号的影响。
该压力传感器系统由于采用了无线技术来传送采集到的数据信息,因此应用起来更加灵活可靠。
尤其在一些环境恶劣的场所,较之传统的有线压力监测系统更具优势,有利于实现远程监测。
该压力传感器无线数据采集系统具有广泛的应用前景。
实验中总是遇到各种问题,此时我们需要及时翻阅资料询问老师,将问题迅速解决,不把问题留到明天。
只有这样我们才能更快的进步,更快的解决问题。
在进行数据采集部分时,我们还考虑到温度对实验的影响,并且进行数据处理计算,消除温度对信号的影响,使数据更加精确。
参考文献
[1]《智能无线数据采集系统》苏亚杜晨红孙以材张超河北工业大学
[2]《基于AT89C2051单片机压力传感与检测系统》林延畅,颜志国,刘佳明
[3]《智能仪表技术》北京师范大学出版社柳桂国,葛鲁波
[4]《无线信号传输装置及传输方法》张默晗,张北,王天亮
[5]《电子测量技术基础》张永瑞
[6]《无间断无线信号传输方法及装置》李羿承,林俊嘉
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- 关 键 词:
- 压力传感器 数据 采集