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压力变送器的原理及应用(压力变送器作用)

文章出处:华仁仪表 发表时间:2021-09-15 19:44

大气压强变送器采用STM32作为核心处理器,利用传感器输出的信号作为输入,用运算放大器LM321放大经STM32 D/A转换输出的模拟信号,并利用XTR111 V/I转换芯片输出4-20毫安电流信号。

大气压强变送器主要由单片机、运算放大器、V/I转换芯片和传感器组合而成,其具有补偿性好、测量精确度高、通信简单、调试方便的特点,并且还有数据处理和控制的功能。目前其主要应用在有气压要求的实验室、气象天气预报的监测、消防实验用的室内气压力测试等领域。

随着科学技术的不断进步,尤其是电子产业的飞速发展,将变送器的发展引入了新的领域,目前,国内外变送器发展的特点是集成化、无线化、智能化、小型化。它使用了很多高新技术,如微电子数字处理技术、信号处理技术、传感技术等,相对于传统的变送器来说,现代的变送器具有量程比较大、可靠性较高、精度较高、稳定性较好、采集区间较宽等等这些特点。

本文主要介绍基于STM32的大气压强变送器的设计,主要包括硬件电路以及单片机采集大气压强传感器值的程序的设计。

总体设计方案

变送器是实现自动化过程的重要组成部分。它用来实现物理信号量的测量和变换处理。随着容量大,参数高的设备的出现以及复杂工艺的过程。由于越来越依赖自动化技术,以及变送器的使用量在不断地上升,对其性能的要求也就不断的提高。

伴随着快速发展的微电子技术,特别是近年来由于多功能、低功耗单片机的出现以及高精度的传感器的出产,为开发通用型的精确度高的变送器奠定了坚实的基础,大气压强变送器是以单片机处理器为核心的传送装置,其工作原理如图1所示。

图1 大气压强变送器的工作原理图

大气压强变送器采用CPU后,不仅可以对温度、大气压强进行测量和变送,还能大大提高系统的精确度和可靠性,外部引线减少。

本系统采用4-20毫安电流信号作为输出,由于电流信号不容易受干扰且电流源内阻是无限大,导线在电路回路中以串联的形式并不影响其精度,在普通线上可以传输至数百米。大于20毫安的电流在通断情况下会引起电火花,其电火花的能量可以引燃瓦斯,产生爆炸,所以最大设计为20毫安;为了检测线路中是否断线,所以系统最小没有取0毫安。总体设计设计原理图如图2所示。

图2 总体设计原理图

硬件电路的设计

1 单片机的选择

本设计选择STM32单片机。单片机原理图如图3所示。

图3 STM32单片机原理图#p#分页标题#e#

2 放大电路的设计

STM32单片机接收的数字信号经过计算处理,然后再经A/D转换为模拟电压信号,其输出电压信号范围为0-3.3V,而0-3.3V经XTR111转换后的电流范围为0-16.5毫安,由于设计要求输出的电流范围为4-20毫安,而且电压量与电流量是线性比例关系,所以需要放大单片机D/A转化输出的电压信号来达到目标。在此电路中我们选择的是LM321运算放大器。

LM321它是一种单运算放大器。LM321具有低功耗的特点。它还具有很高的单位增益频率,静态电流仅为430μA/amplifier(5V),具有保证0.4V/μs摆率。该器件单、双电源供电下都可以工作。总而言之,LM321是一款低功耗,供电范围较宽的运算放大器,高性价比使其被普遍的应用,占用电路板的空间小。原理图如图4所示。

图4 LM321原理图

3 V/I转换器的设计

输出4-20毫安电流有两种方案,一种是使用集成芯片,另一种是使用分立元件搭建电路,而其中最可行的方案为使用XTR111 V/I转换芯片。

XTR111是一款精密电压-电流转换器,用于输出0-20毫安或4-20毫安的模拟信号,最大的源极电流可提升到36毫安。输入电压与输出电流之间的转换比率是靠Rset电阻来设置,一个外部的P-MOSFET晶体管确保了高输出阻抗和宽范围的电压输出(2V到电源电压V-vsp均可输出)和电压良好的稳定性。可调电压3-15V的校准输出端可为辅助电路提供电源。原理图如图5所示。

图5 XTR111原理图

4 晶振电路和复位电路设计

本设计采用的是8MHZ和32.768KHZ晶振,8M频率晶振提供单片机内部时钟信号,32.768kHz晶振为单片机中的时钟提供了一个准确的时钟源。内置复位电路。晶振电路原理图如图6所示,复位电路原理图如图7所示。

图6 晶振电路原理图图7 复位电路原理图

5 大气压强传感器BMP085模块设计

BMP085是以压阻效应技术为基础设计的大气压强传感器。包含数模转换器、压力传感器以及操控单元,其中操控单元包括IIC接口和EEPROM。,它具有的特点是稳定性高、线性失真率低、精确度高以及很好的电磁兼容性。BMP085传输没有经过补偿的大气压强值,电可擦可编程只读存储器储存了176bit的独立的数值,这些独立的数值用来补偿依赖的参数以及别的参数。

BMP085是新研发出来的具有很高的精确度的大气压传感器, 它的低电压、低功耗的电学特性使它可以很好的适用于GPS 导航器、PDA、手机以及户外装备上。在较低的高度噪声(merely 0.25)快速转换的运行环境下,大气压传感器运行正常。Bosch 公司具有多年开发气压传感器经验,在传感器这块,该公司是全球市场上的佼佼者。#p#分页标题#e#

传感器模块设计包括BMP085大气压强传感器、两个10K电阻。原理图如图8所示。

图8 传感器模块原理图

IIC总线上拉10K的电阻接+3.3V电源。当IIC闲置时,SDA、SCL都为高电平。连到IIC线上的任何元件输出的低电平,IIC总线信号都将变为低电平,即各元器件的SDA和SCL关系是“与”(&)。

系统主程序图

本软件采用的是高级编程语言C语言,并采用模块化设计方法,使其便于程序设计和调试。主要模块有采集模块、处理模块、数据输出模块。

数据采集与处理模块主要包括BMP085传感器采集模块、数据处理模块两大模块。单片机上配置两个模拟IIC,PB6配置为SCL,PB7配置为SDA。通过单片机来控制SCL、SDA的高低电平来传输数据,BMP085读取数值并通过IIC传输给单片机处理数据,大气压传感器模块执行单片机通过IIC发送来的读取大气压强指令,并将采集到的信号传输给单片机。

模拟信号输出模块主要是将单片机内数字信号转化为模拟信号输出。如图9主程序流程图所示。

图9 主程序流程图所示

系统测试

1 测试准备工作

(1)在给系统供电前,应先依据系统原理图,用万用表二极管档位检查电路中电源的走线,防止电源与其他引脚产生短路;

(2)在单片机通电后检查各个模块器件的I/O引脚的电位是否正常,特别是单片机上各引脚的电位。

2 输出信号的测试

调试方法为在XTR111的输入端送入模拟量的值,由数字万用表测量电路的输出电流,测试的结果如表1所示。

表1 4-20 毫安输出信号测试表

3 测试总结

经过系统测试后,系统预期的功能要求达到了,实现了对物理信号的采集、处理和传输,说明系统设计是可靠的。

总结

本论文详细介绍了电流型三线制大气压强变送器的设计,数字信号经过STM32采样处理后转换为模拟信号,然后通过XTR111输出4-20毫安的电流信号。本设计进行了硬件、软件、系统的整体调试,验证了系统各模块达到了预期目标。

本文编自《电气技术》,标题为“基于STM32的大气压强变送器设计”,作者为赵静龙。

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