基于單片機系統的智能化壓力表及其應用
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遙 測、遙控與報警的方法，介紹了單片機系統的硬件及軟件設計，分析了與之配套的電子 監控系統的開發及其應用。
隨著現代科學技術的發展，越來越多的智能化儀器應用于各行各 業，使我們的生產生活更加舒適和快捷。在液壓、氣動系統中最常用的壓 力檢測部件就是壓力表，壓力表的結構簡單、工作可靠，但普通壓力表不 能實現遠程測量，也沒有遙控與報警的功能。雖然在壓力表的基礎上發 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，適應不了現代控制的要求。另外其觸點對工作環境 的要求很苛刻，容易出現故障，因此應用范圍具有局限性。目前，也有各 種電子測量壓力的傳感器，但多數不能直接用于原有的液壓、氣動系統 中，且其成本較高，不能為低成本的場合所采用。因此，將現有的壓力表 配合簡單實用的單片機系統，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.硬件系統設計
1.1系統總體設計
智能化壓力表系統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，系統結構見圖1。
1.2壓力信號的采集電路
智能化壓力表制作的關鍵是采集壓力信號，本設計是在原壓力表上 配制格雷碼盤，利用光電轉換采集壓力數值。即采用5組微型反射式紅外 發射、接收對管組件采集5位格雷碼數據，該信號的采集、發送電路見圖 2。當光電組件中發光二極管發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 口讀入數據。運算放大器的參考電壓 UREF由限流電阻R3和穩壓管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結構
智能化壓力表的單片機輸入控制、顯示部分系統的結構見圖3。由圖 3可知，該系統包括單片機AT89S52芯片、壓力數據采集接口、4X4鍵盤 輸入電路及4位數碼顯示電路等部分。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，其內部具有4kB閃存 ROM，128 B的RAM，32根I/O線，2個16位定時/計數器，5個中斷源，它 與MCS—51系列單片機的管腳與指令系統完全兼容，并提供了更多的 可開發資源。AT89S52芯片的外圍電路很簡單，只需接入+5V、地、復位 (Reset)電路及晶振電路等即可工作，內部程序可通過數據下載線寫入內 部存儲器。壓力數據采集接口電路是把壓力表的5位格雷碼數據經運放 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等端口輸入數據。
采用鍵盤輸入數值來設定壓力的上、下限報警閾值及其他參數。本設 計選用標準4X4薄膜按鍵，鍵盤接至P1 口，由于P1 口的內部具有上拉電 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據經運算處理后，得到壓力的 十進制數值8421BCD碼)，由單片機的RXD和TXD串行口輸出串行數據至CD4015轉換為并行數據，再經過譯碼、顯示、驅動電路驅動數字顯示器。其中CD4015是串入并出的移位寄存器。顯示器可以采用LED數 碼管顯示，其譯碼驅動電路為CD4511等。但當環境照度大時，LED發光 管字體不明顯，且LED發光管的能耗較大，所以也可以采用能耗極低的 LCD液晶顯示器，LCD的驅動電路可以采用CD4055芯片。
2.軟件系統設計
單片機系統的軟件主要包括：鍵盤讀取、數據采集、代碼轉換、驅動 顯示及輸出控制程序等部分，系統軟件工作的主流程見圖4。
首先，壓力系統工作，讀取輸入控制數據。44鍵盤數據的讀取可采
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，讀入相應的數值。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值。初始化完成后單片機從壓力數據采集電路上讀 取格雷碼數據，把每個口讀取的數據加以處理。將格雷碼數據轉換為 8421BCD碼，轉換也可由硬件完成，但軟件實現起來較為簡便、經濟，編 程采用查表的方法就可以實現。在系統工作時LCD顯示器顯示運行時的 壓力數值，顯示用單片機的串行口輸出數據。最后將實測的壓力數據與 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檢測、比較、顯示及輸出，該系統是實時的測量與控制過程。
3.應用擴展
該系統可用于使用真空壓力表負壓系統中。工程熱力系統中常用壓 力溫度計作溫度測量指示，其表頭部分結構與壓力表相同，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。多壓力表系統復式顯示時，壓力表數據可由串口輸入，而顯示 數值則由并口輸出，節省資源，節約了器件。以下是幾個應用實例。
3.1醫用低負壓吸引器
醫用低負壓吸引器是用來排除病人體內積液的，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 器還可設有定時開啟、間歇關閉、總工作周期設定等功能，采用多窗口顯 示，這些要求都可以由單片機系統通過編程來實現。
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，各參數經單片機處理后可以輸出 顯示，并可控制熱力系統工作。
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簡單的運算，根據油罐的形狀，得出壓力一 液位一體積一重量4個量值間的關系，經過單片機運算可以直接顯示罐 內液體體積或重量，并能提前報警顯示。
3.4潛水艇仰伏姿態的控制
潛水艇的仰伏及沉浮是靠其水柜內的存水量來控制的，如果前艙水 箱水少而后艙水箱水多，則潛水艇呈前仰姿態；反之則呈傾伏姿態。由于 潛水艇的水柜依艇艙形狀而定，很不規則，必須根據上述的壓力一液 位一體積一重量4量值間函數關系來確定水量，制定合適的調水方案， 單片機的內存空間足以實現多種控制方案，以適合于各種情況。本系統 即可以替代原有不完善的設備或作為后備系統。
4.結語
將現有的壓力表智能化，配合簡單實用的單片機系統，可以實現壓 力的遠程測量與監控，實現壓力系統的閉環控制，結合其他非電量的電 測傳感技術，實現整個工藝流程的全自動控制。系統通過測試，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境，實用性強。
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