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差压变送器

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基于STC15F2K56S2的差压变送器设计应用

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 摘 要:作为防护系统的重要组成部分,差压变送器可实时检测密闭空间的内、外压力差,并得到广泛应用。本文简要介绍了 SDP-1000L 微差压传感器的功能特性及其工作原理,并以该型号差压传感器为例,详细阐述了一款基于 STC15F2K56S2 单片机的差压变送器设计应用。

 
        差压变送器利用微差压传感器的基本特性,实时检测方舱内、外的压力差,并将其转换为成比例的电信号,利用放大电路对该信号进行放大处理,再经过 A/D 变换后,将对应的数字信号由单片机进行处理,最后通过单片机串口和 RS232 电平转换电路,形成标准的 RS232 接口,将处理信号输出到上位机。变送器框图如图 1 所示。
差压变送器框图
1 微差压传感器 SDP-1000L 特性简介
        SDP-1000L 微差压传感器是一种气体差压传感器,量程为 - 5 Pa ~ 125 Pa。该传感器的制作材质采用防化学腐蚀的 PPS,具有宽量程比,零漂移,长期稳定性好等优点。
 
        该差压传感器只需直流 5 V 的电源供电,输出为直流 0. 25 V ~ 4 V。虽然输出为模拟电压,但其内部线性化和温度补偿电路均为数字化实现,因此精度和分辨率相当高(可达 0. 05 Pa),并且受外界温度影响很小。其领先的性能在于将传感元件和信号放大及 A/D 转换电路集成到同一块硅芯片上,用热传感元件来测量差压。与其它热差压传感器相比,所需空气量极少,即使在恶劣环境中,操作也同样安全可靠,同膜片传感器相比,量程更宽,性能更稳定,在低差压段的重复性极好。此外,SDP-1000L可耐瞬时的较大压力,对安装方向不敏感。
 
        SDP-1000L 精密的内置温度补偿电路是通过PTAT 能隙基准温度传感器,测得芯片上的温度,再反馈到传感器芯片进行数据处理,而不需要外部温度补偿。
 
        SDP-1000L 差压受周围空气密度影响,因此受海拔高度影响,校正补偿公式如下:
0171108120217.jpg
        其中,P eff 是受影响后的差压,P sensor 是 SDP-1000L 的指示压力,P cal 是校准环境的绝压,P amb 是实际环境的绝压。校正系数如表 1 所示。
高度校正系数
2 硬件设计
2. 1 信号放大电路
        在本设计应用中,信号放大电路选用高精度运算放大器 LT1078,其功能是精密放大处理微差压传感器 SDP-1000L 的输出电信号,使处理后的电信号与接收该信号的变送器核心单元—单片机相匹配。集成运放是一个双端输入、单端输出,具有高差模放大倍数,高输入电阻,低输出电阻,能较好地抑制温漂的差动放大电路。该信号放大处理电路如图 2所示,电信号 Vin 经两级放大、滤波、限幅后,输出端电压 Vadc,公式如下:
20171108120252.jpg
信号放大处理电路
2. 2 单片机及 RS232 电平转换电路
        本设计电路如图 3 所示。
 
        微差压传感器 SDP-1000L 的输出电信号经运算放大器放大处理后,由单片机 A/D 接口输入至单片机处理,通过单片机串口和 RS232 电平转换电路,形成标准的 RS232 接口输出。
 
        本 电 路 采 用 STC 公 司 生 产 的 单 片 机STC15F2K56S2,是一款高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机。它采用第八代加密技术超级加密,指令代码完全兼容传统 8051 单片机,而速度较之传统的单片机要快 8 倍 ~12 倍。其工作电压为直流 5. 5 V ~3. 8 V(本设计选用 5 V),具有丰富的内部硬件资源,几乎覆盖了数据采集和控制中所需的所有单元模块,包含捕获/比较单元CCP/PWM/PCA、高 速 10 位 A/D 转 换、大 容 量SRAM/EEPROM、SCI/SPI 接口等。目前,该单片机已被广泛应用于各种多串行口通信电路,电机控制电路及有超强干扰的场合。
单片机及 RS232 电平转换电路
        图 3 所示电路中,STC15F2K56S2 采用了外部复位电路,使其具有手动复位功能;在 Vcc 和 GND之间增加电源去耦电容,可去除电源线噪声,提高抗干扰能力。
 
3 软件设计
        软件设计部分主要由主程序和 T0 定时器中断程序组成。
主程序流程T0 定时器中断流程
        软件流程如图 4,图 5 所示。
 
4 结论
        本差压变送器作为某防护系统的重要组成部分,目前已被广泛应用于各类具有差压变化特性的控制系统,主要用于实时检测密闭空间的内、外压力差。经实际考核验证,该变送器操作简单,使用方便,工作可靠,具有良好的社会效益和经济效益。
 
作者:差压变送器
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