CN104132674A - 一种多信号输出的智能压力变送器 - Google Patents

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周冠武
李村
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Abstract

一种多信号输出的智能压力变送器,包括压力传感器,压力传感器输出端连接信号调理电路的输入端,压力传感器的激励恒流源由信号调理电路提供;信号调理电路的输出端与微控制器的输入端连接,微控制器的输出端分别和液晶显示模块输入端、V/I转换电路输入端、无线模块以及RS485通信接口连接,电源模块的输出端与信号调理电路、液晶显示模块、RS485通信接口、V/I转换电路及无线模块的电源接口连接,微控制器对压力传感器的温度补偿采用可变系数回归法。本发明电路简单可靠,数据传输方式多样及温度补偿可批量化,适应规模化生产与不同应用环境需求。

Description

—种多信号输出的智能压力变送器
技术领域
[0001] 本发明属于仪器仪表测量技术领域,具体涉及一种多信号输出的智能压力变送器。
背景技术
[0002] 压力变送器是压力测量仪表中最常用的一种设备,主要由压力传感器、信号放大电路、微控制器与信号输出电路组成;在工业领域中有着广泛的需求。信号放大电路作为最重要模块,传统压力变送器一般采用运放离散式设计,组件多且设计复杂。在数据传输方面,传统设计主要为两线制或四线制方式,当前新型设计也多为有线方式。因此对于一些偏远或环境恶劣地区,将直接导致其安装困难、成本上升与维护工作增加。硅压力传感器由于成本低、尺寸小、精度高等特点,是压力变送器首选的传感器。因为硅传感器的核心压阻膜片对温度变化敏感,从而存在的零点飘移与温度漂移现象。传统温度补偿采用插值、查表等方法,存在编程复杂、精度不高或批量温度标定困难等问题。
发明内容
[0003] 为了克服上述现有技术问题,本发明的目的在于提供一种多信号输出的智能压力变送器,电路简单可靠。
[0004] 为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
[0005] 一种多信号输出的智能压力变送器,包括压力传感器,压力传感器输出端连接信号调理电路的输入端,压力传感器的激励恒流源由信号调理电路提供;信号调理电路的输出端与微控制器的输入端连接,微控制器的输出端分别和液晶显示模块输入端、V/I转换电路输入端、无线模块以及RS485通信接口连接,电源模块的输出端与信号调理电路、液晶显示模块、RS485通信接口、V/I转换电路及无线模块的电源接口连接。
[0006] 所述的微控制器的片内A/D转换器将接收到信号调理电路的调理压力模拟信号与片内温度传感器的模拟信号分别转换为压力数字信号与温度数字信号,然后传输至温度补偿模型计算得到补偿的压力值,并将补偿压力值分别传输至片内D/A转换器与液晶显示模块。
[0007] 所述V/I转换电路接收微控制器的片内D/A转换器转换的模拟信号,并将其转换为4〜20mA电流信号输出。
[0008] 所述信号调理电路采用AD693芯片。
[0009] 所述微控制器采用C8051R)20单片机。
[0010] 所述液晶显示模块采用IXD12864。
[0011 ] 所述无线模块采用CC2520芯片。
[0012] 所述V/I转换电路采用XTRl 11芯片。
[0013] 所述微控制器对压力传感器的温度补偿采用可变系数回归法:首先在5个不同温度下采集样本数据:包含标定压力P,压力与温度的A/D转换信号U与T,然后分别对同一温度下的不同标定压力P与压力数字信号U采用最小二乘法进行最小二乘法拟合得到多项式系数矩阵A ;再对上述系数矩阵A与转化后的温度数字信号T用最小二乘法进行多项式拟合得到系数矩阵K ;从而推导出在不同温度时,压力P与压力数字信号U以及温度数字信号T的关系式,具体为:
[0014] 建立各个标定温度下的压力P与压力数字信号U关系式=P = Aci(THA1Cr)RA2(T)U2+-+An(T)Un, η为多项式的最高阶数,T为温度,P为标定压力,AJT)为不同温度下多项式η项的系数,An(T) = [An(T1)1An(T2),-,An(T5)]';对该关系式采用最小二乘法拟合得到系数矩阵 A= [A0(T)1A1(T),-,An(T)],
[0015] 建立矩阵A与温度T的关系式=Ai(T) = Ki0+KnT+Ki2T2+...+KimTm, m为多项式的最高阶数,Ai⑴为不同温度下的P-U多项式的第i项系数,i = O, I,…,n,Kim为多项式的系数;对该关系式采用最小二乘法拟合得到系数矩阵K = [Ki0, Kil, Ki2,…,Kiffl],
[0016] 通过上述两关系式拟合得到的系数矩阵A与K,可推导出压力P与压力信号U以及温度数字信号T关系式:
[0017] P= (Kc^KtllT+…+KtlmTm) + (Kltl+…+KlmTm) U+...+ (Kntl+...+KnmTm) Un
[0018] 在温度标定阶段,首先采集压力数字信号与温度数字信号,然后通过可变系数回归法计算得到相关系数,将系数与推导的多项式关系用程序编程,并移植到微控制器中完成信号处理需要。
[0019] 本发明的优点:电路简单可靠,数据传输方式多样及温度补偿可批量化,适应规模化生产与不同应用环境需求。
附图说明
[0020] 图1为本发明的结构示意图。
[0021] 图2为本发明的温度补偿流程示意图。
具体实施方式
[0022] 以下结合附图对本发明的技术方案作详细说明。
[0023] 如图1所示,一种多信号输出的智能压力变送器,包括压力传感器,压力传感器输出端连接信号调理电路的输入端,压力传感器的激励恒流源由信号调理电路提供;信号调理电路的输出端与微控制器的输入端连接,微控制器的输出端分别和液晶显示模块输入端、V/ι转换电路输入端、无线模块以及RS485通信接口连接,电源模块的输出端与信号调理电路、液晶显示模块、RS485通信接口、V/I转换电路及无线模块的电源接口连接。
[0024] 所述的微控制器的片内A/D转换器将接收到信号调理电路的调理压力模拟信号与片内温度传感器的模拟信号分别转换为压力数字信号与温度数字信号,然后传输至温度补偿模型计算得到补偿的压力值,并将补偿压力值分别传输至片内D/A转换器与液晶显示模块。
[0025] 所述V/I转换电路接收微控制器的片内D/A转换器转换的模拟信号,并将其转换为4〜20mA电流信号输出。
[0026] 所述信号调理电路采用AD693芯片。
[0027] 所述微控制器采用C8051R)20单片机。
[0028] 所述液晶显示模块采用IXD12864。
[0029] 所述无线模块采用CC2520芯片。
[0030] 所述V/I转换电路采用XTRl 11芯片。
[0031] 如图2所示,所述微控制器对压力传感器的温度补偿采用可变系数回归法:首先在5个不同温度下采集样本数据:包含标定压力P,压力与温度的A/D转换信号U与T,然后分别对同一温度下的不同标定压力P与压力数字信号U采用最小二乘法进行最小二乘法拟合得到多项式系数矩阵A ;再对上述系数矩阵A与转化后的温度数字信号T用最小二乘法进行多项式拟合得到系数矩阵K ;从而推导出在不同温度时,压力P与压力数字信号U以及温度数字信号T的关系式,具体为:
[0032] 建立各个标定温度下的压力P与压力数字信号U关系式:P = A0⑴+A1⑴U+A2⑴U2+-+An(T)Un, η为多项式的最高阶数,T为温度,P为标定压力,AJT)为不同温度下多项式η项的系数,An(T) = [An(T1)1An(T2),-,An(T5)]';对该关系式采用最小二乘法拟合得到系数矩阵 A= [A0(T)1A1(T),-,An(T)],
[0033] 建立矩阵A与温度T的关系式=Ai(T) = Ki0+KnT+Ki2T2+...+KimTm, m为多项式的最高阶数,Ai⑴为不同温度下的P-U多项式的第i项系数,i = O, I,…,n,Kim为多项式的系数;对该关系式采用最小二乘法拟合得到系数矩阵K = [Ki0, Kil, Ki2,…,Kiffl],
[0034] 通过上述两关系式拟合得到的系数矩阵A与K,可推导出压力P与压力信号U以及温度数字信号T关系式:
[0035] P = (K00+K01T+…+K0mTm) + (K10+…+KlmTm) U+...+ (Kn0+...+KnmTm) Un
[0036] 在温度标定阶段,首先采集压力数字信号与温度数字信号,然后通过可变系数回归法计算得到相关系数,将系数与推导的多项式关系用程序编程,并移植到微控制器中完成信号处理需要。
[0037] 本发明的工作原理为:
[0038] 压力传感器由信号调理电路提供恒流源激励,采集压力数据并转换为电压信号;输入信号调理电路,经放大调理输出电压信号并输入至微控制器;片内A/D转换器读取压力电压信号与片内温度传感器温度电压信号进行模数转换,微控制器将采集到的压力值与温度值输入设计好的温度补偿算法,经过计算输出温度补偿后的压力值,并由LCD12864显示;补偿后的压力值传输至片内D/A转换器进行数模转换,将转换后的压力模拟信号输入V/I转换电路进行转换输出4〜20mA电流信号;微控制器通过RS485通信接口以及无线模块与外界进行通信及数据传输。电源模块由电平转换芯片组成,为微控制器、无线模块芯片及其他电路提供3.3V和5V电压。

Claims (9)

1.一种多信号输出的智能压力变送器,包括压力传感器,其特征在于:压力传感器输出端连接信号调理电路的输入端,压力传感器的激励恒流源由信号调理电路提供;信号调理电路的输出端与微控制器的输入端连接,微控制器的输出端分别和液晶显示模块输入端、V/ι转换电路输入端、无线模块以及RS485通信接口连接,电源模块的输出端与信号调理电路、液晶显示模块、RS485通信接口、V/I转换电路及无线模块的电源接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种多信号输出的智能压力变送器,其特征在于:所述的微控制器的片内A/D转换器将接收到信号调理电路的调理压力模拟信号与片内温度传感器的模拟信号分别转换为压力数字信号与温度数字信号,然后传输至温度补偿模型计算得到补偿的压力值,并将补偿压力值分别传输至片内D/A转换器与液晶显示模块。
3.—种多信号输出的智能压力变送器,包括压力传感器,其特征在于:所述V/I转换电路接收微控制器的片内D/A转换器转换的模拟信号,并将其转换为4〜20mA电流信号输出。
4.一种多信号输出的智能压力变送器,包括压力传感器,其特征在于:所述信号调理电路采用AD693芯片。
5.—种多信号输出的智能压力变送器,包括压力传感器,其特征在于:所述微控制器采用C8051F020单片机。
6.一种多信号输出的智能压力变送器,包括压力传感器,其特征在于:所述液晶显示模块采用LCD12864。
7.一种多信号输出的智能压力变送器,包括压力传感器,其特征在于:所述无线模块采用CC2520芯片。
8.—种多信号输出的智能压力变送器,包括压力传感器,其特征在于:所述V/I转换电路采用XTRlll芯片。
9.一种多信号输出的智能压力变送器,包括压力传感器,其特征在于:所述微控制器对硅压力传感器的温度补偿采用可变系数回归法:首先在5个不同温度下采集样本数据:包含标定压力P,压力与温度的A/D转换信号U与T,然后分别对同一温度下的不同标定压力P与压力数字信号U采用最小二乘法进行最小二乘法拟合得到多项式系数矩阵A ;再对上述系数矩阵A与转化后的温度数字信号T用最小二乘法进行多项式拟合得到系数矩阵K ;从而推导出在不同温度时,压力P与压力数字信号U以及温度数字信号T的关系式,具体为: 建立各个标定温度下的压力P与压力数字信号U关系式:P = A0 (T) +A1 (T) U+A2 (T) U2+-+An(T)Un, η为多项式的最高阶数,T为温度,P为标定压力,An(T)为不同温度下多项式η项的系数,An(T) = [An(T1)1An(T2),-,An(T5)]';对该关系式采用最小二乘法拟合得到系数矩阵A = [A0(T)1A1(T), - ,An(T)], 建立矩阵A与温度T的关系式=Ai⑴=Ki0+KnT+Ki2T2+...+KimTm, m为多项式的最高阶数,Ai(T)为不同温度下的P-U多项式的第i项系数,i = 0,1,...,η,Kim为多项式的系数;对该关系式采用最小二乘法拟合得到系数矩阵K = [Ki0, Kil, Ki2,…,KiJ, 通过上述两关系式拟合得到的系数矩阵A与K,可推导出压力P与压力信号U以及温度数字信号T关系式: P = (K00+KQ1T+…+KtlmTm)+ (Kltl+…+KlmTm) U+…+ (Kntl+…+KnmTm) Un 在温度标定阶段,首先采集压力数字信号与温度数字信号,然后通过可变系数回归法计算得到相关系数,将系数与推导的多项式关系用程序编程,并移植到微控制器中完成信号处理需要。
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