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  • 单片机为核心的新一代智能型压力变送器的工作原理及应用

    摘要:随着工业应用对信号检测和传输的要求越来越高,新型智能电表将在市场中占据越来越重要的位置。本文在分析压力变送器的基本工作原理的基础上,根据新形势下的生产要求,设计了基于MSC-51单片机的智能压力变送器的数据采集电路、看门狗电路和接口电路。 . 并设计了相应的数据采集算法、通信协议等软件功能。

    关键词:单片机;压力变送器; 数字智能仪表;数据采集​​电路

    1983年,美国霍尼韦尔率先向制造业推出以单片机为核心的新一代智能压力变送器,标志着从模拟仪表向数字智能仪表的转变。今天,高性能单片机的引入和通信、微电子等相关产业的兴起单片机要用到的软件,使单片机测控仪器技术上了一个新台阶,广泛应用于工业生产、科研、民用电气及电站运行监测仪表。场地。测量过程的自动化,

    一套完整的智能测控仪表的组成可以包括单片机、A/D、D/A转换接口、键盘输入接口、显示和打印机输出接口、通讯接口和片外扩展存储器。单片机是智能测控仪表的核心,是整个仪表的“心脏”,其性能直接决定了整个系统的功能。

    1 基于MSC-51单片机的智能压力变送器压力变送器是工业过程中重要的基础自动化设备之一,主要完成压力信号的测量和转换。智能压力变送器由压力传感器和微处理器组成。由于微处理器具有多种软件和硬件功能,可以完成传统发射机难以完成的任务。因此,智能变送器降低了传感器的制造难度,大大提高了传感器的性能。智能压力变送器的工作原理如图1所示。

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    2 硬件电路设计智能压力变送器的硬件电路主要包括数据采集电路设计、看门狗电路设计、总线接口和外围接口电路设计等,其组成如图2所示。

    2、数据采集电路 数据采集电路由1B31、18位A/D转换器AD1170和单片机组成,结构如图3所示。连接一个满量程输出电压为10mV至1B31,设置1B31的增益为500倍,输出电压范围为0至5V。激励电压设置为+5V。为了进行比率操作,这个电压也用作参考AD1170的电压。通过初始化ECAL命令,该电压可以作为AD1170的满量程输入电压,然后通过周期性校准进行A/D转换。该器件可以跟随参考电压的变化,具有比例输出特性。由于采用了低通滤波和A/D转换技术,系统具有较高的共模抑制比。

    2.2 复位与运行监控电路 工业环境中的大部分扰动都以窄脉冲的形式出现,最终导致程序“跑路”或进入“死循环”。为了使这个“跑飞”程序自动恢复并再次正常工作,一个有效的方法是使用硬件“看门狗定时器”(Watchdog Timer)技术。应用看门狗后,如果出现程序“死机”,看门狗会产生复位信号,引导单片机程序重新进入正常运行。由于MCS-51单片机没有集成独立的看门狗定时器,即看门狗,因此必须外接监控电路以提高系统的可靠性。

    2.3 总线接口电路设计 这部分电路是通信协议物理层的硬件设计。其中,光电隔离部分采用高速光速电耦合器6N137,满足高速串行数据通信的要求,提高通信电路的抗干扰能力;接口部分采用ADM487芯片,为RS-485接口芯片,如图6所示。该芯片在传输速率为250kpbs的情况下,可传输最远距离1.5KM,可完成TTL电平与RS-485电平的转换。采用 RS-485 标准是因为 RS-485 是一种流行的网络分发方式。

    2. 4 V/I转换电路设计 这部分电路主要由多路模拟开关、采样保持器和放大电路组成,具有复用、采样保持和V/I转换功能。由于输出电压难以按比例放大,所以数字电压信号先通过DAC接口,再通过V/I转换转换成电流量单片机要用到的软件,为后续处理提供方便。V/I转换采用负载共源方案,如图7所示。

    2.5 外设接口电路设计 外设接口电路主要包括显示屏、键盘、打印机等输入输出设备的电路设计,可根据总线接口的排列和用户的需要灵活设计。

    3 软件电路设计 智能压力变送器软件部分采用MCS-51汇编语言和模块化编程方式,主要包括监控程序模块、信号调理模块、数据采集处理模块、信号输出模块、通讯模块、键盘扫描模块等。 .

    3.1 程序监控模块 在本系统中,监控程序是控制单片机系统按照预定的运行方式运行的程序,是所有系统程序的基本框架,如图8所示。其主要任务是完成系统自检、初始化、处理接口命令、处理条件触发和完成显示功能。在监控程序中,为了及时响应其他仪表的通信需求,应将通信功能的优先级设置为最高,依次为定时采集数据、数据输出等。一般来说,监控程序采用优先级调度类型的工作模式,即按照优先级运行。

    3.2 数据采集模块 在数据采集方面,系统利用单片机强大的数据处理能力,优化数据采集过程,保证数据的可靠性。

    1)采用限幅滤波的方法消除大脉冲的干扰,具体对滤波后的采样结果Yn-1…Y1进行如下处理:

    其中,a为相邻两个采样值的最大允许增量,其具体值由Y的变化率和采样周期决定。准确估计这两个参数以确定a的值是该算法的关键。

    2)采用自动校准算法来稳定传感器的线性度。自动校准主要解决斜率问题。它可以分为硬件模式或软件模式。考虑到被测对象为压力的特点,本系统采用软件方式实现。系数 K 由一个两字节的乘法/除法子程序计算。由于不同传感器的压力与转换电压的关系具有一定的离散性,对于测量值为X,标准值为Y的系统,系数设为K。则K=1-Y/X,校准值=XK*X。

    3)采用自校正算法,消除零漂的影响,保证数据的准确性。设A/D转换总输出为N,t1、t2、t3对应的漂移电压为Vos1、Vos2、Vos3,处理如下:

    4)为了更好的消除脉冲干扰的影响,系统采用去极值平均滤波方式,即连续采样7次,在累加求和的同时找到最大值和最小值,并从累计和中减去该值。两个结果最后用5个采样值取平均值作为最终有效值。

    3.3 抗干扰软件模块 为了防止程序跑掉,除了在硬件上连接看门狗外电路来监控程序的运行,在软件设计中还应增加一些抗干扰功能。同时。可以通过冗余指令、软件陷阱、看门狗喂食程序实现程序的自监控和自复位,提高程序的整体稳定性。

    1)冗余指令方式

    这种方法使程序在运行时执行完单字节指令后自动走上正轨。因此,应多使用单字节指令,在能决定程序流程的重要指令前增加两条NOP指令,形成指令冗余,例如:

    LJMP(RET/JZ/JNZ/LCALL等命令均可)DELAY;延迟子程序

    2)软件陷阱

    当程序位于非程序区(空闲 EPROM 段、表段等)时,冗余指令法将失效。这时可以构造软件陷阱,将失控程序引导到指定位置,并设置特殊处理。程序来解决。

    LJMP ERR1:错误处理程序条目编号 1

    4 结束语 在分析压力变送器基本工作原理的基础上,设计了一种基于MSC-51单片机的智能压力变送器。它充分利用微处理器的计算和存储能力,可以对传感器数据进行处理,包括测量信号的调理、数据显示、自动校正和自动补偿。设计了基于1831.18位A/D转换器AD1170的数据采集电路、基于MAX813L的看门狗电路和基于ADM487的RS-485总线接口电路,并给出了相应的软件设计思路和详细的采样算法。和抗干扰模块说明。

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