CN1419114A

CN1419114A - 直接数字化的压力变送器及其测量方法

Info

Publication number: CN1419114A
Application number: CN 02158722
Authority: CN
Inventors: 潘新民
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin University; Tianjin Normal University
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2003-05-21
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: CN1188678C

Abstract

本发明之直接数字化的压力变送器，包括电容式压力传感器、压力测量多。谐振荡电路，用于接收电容变化值，直接转化为振荡频率信号；单片机、外部存储器，输入设备，用于调整量程和输入测量参数；显示单元，该方法包括以下步骤：进行测量系统的初始化设置，及根据用户输入的键值进行操作判断：如为测量，则直接获得脉冲频率，并进行插值运算得到压力值；显示该测量结果；如为参数设定，则读入给定的压力值；进行脉冲频率测量；计算相应压力参数值，并保存在外部存储单元中。本发明能够产生的积极效果是：具有智能化功能，可直接进行量程迁移，操作直观、方便；精度高，价格低；生产调试方便，成本低，可靠性高。

Description

直接数字化的压力变送器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及其测量方法，特别是涉及一种直接数字化的传感器及其测量方法。

背景技术

FR1511压力变送器是工业过程控制应用最多的一种传感器之一。它不仅可以测量压力而且还可以测量流量。对于电容式压力变送器，几十年来一直沿用“敏感测量元件——线性放大器——模拟量输出(4-20mA)”的传统模式。虽然，近两年国内外有一些研究单位对其进行了智能化改造，研制出一种所谓的“智能化压力传感器”，即在原来的基础上增加A/D转换，即如图1所示的“传感器——模拟放大——A/D转换——微型计算机处理”，但其仍然没有改变传统的压力变送器模式，而且，即使是这种稍有改进的模式，仍然存在着许多缺点：由于使用了连接非常复杂的模拟放大电路和价格昂贵的A/D转换器，因而造成了利用这种模式制作压力变送器生产工艺复杂，成本高；且利用采用这种结构制成的压力变送器体积大，不易提高测量精度，可靠性差。

为克服上述现有技术的缺点，本发明提出了一种利用新型的直接数字化测量电路构成的数字化压力变送器。

发明内容

本发明能够解决的技术问题是利用非常简单的振荡电路(或多谐振荡器)，直接把传感器电容的变化转换成频率的变化，然后直接将数字量送入微型计算机进行压力测量或流量测量。

为了达到上述目的，本发明提供一种数字化压力变送器，其特征在于它包括：

电容式压力传感器，用于将外界压力变化信号转换为电容变化值；

压力测量多谐振荡器，其输入端与所述电容式压力变送器的电容相连，用于接收所述电容变化值，并将其直接转化为振荡频率信号；

单片机，用于接收由所述压力测量多谐振荡器送出的频率振荡信号，并对其进行计算和转换；

外部存储器，用于存储所述单片机产生的计算结果数据；

输入设备，用于调整量程和输入测量参数；

显示单元，用于输出测量结果及所述参数设置的显示。

本发明还提供了一种直接数字化的测量方法，它包括以下步骤：

进行测量系统的初始化设置，及根据用户输入的键值进行操作；

如为测量，则

直接获得脉冲频率，并进行插值运算得到压力值；

显示该测量结果；

如为参数设定，则

读入给定的压力值；

进行脉冲频率测量；

计算相应压力参数值，并保存在外部存储单元中

本发明所提供的直接数字化压力变送器及压力测量方法能够直接将压力信号数字化，并送单片机进行测量，与现有技术相比具有如下的积极效果：

1.具有智能化功能，无须在实验室校验，只在现场即可进行量程迁移；

2.采用菜单和功能键进行量程迁移，操作直观、方便；

3.测量过程智能化；

4.串行D/A转换，精度高，价格低；

5.用少量功能键实现多功能操作；

6.生产调试方便；

7.成本低；

8.可靠性高。

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细说明，以便对本发明的目的、特征及积极效果有更深入的理解。

附图说明

图1为现有技术中压力变送器的工作原理示意图。

图2为直接数字化压力变送器的方框图。

图3为压力测量多谐振荡器电路连接图。

图4为压力测量多谐振荡器电路电压振荡波形图。

图5为温度补偿多谐振荡器电路连接图。

图6为温度补偿多谐振荡器电路电压振荡波形图。

图7为单片机主程序流程图。

具体实施方式

如图2所示，外界压力的变化导致压力传感器201中的可变电容器C1的变化，压力的变化，导致压力室的电容变化，从而改变压力测量多谐振荡电路202的充、放电时间，由此产生不同频率的方波；将方波送入单片机203(如89C51)中的T0计数器，利用89C51中T1作为定时器，对来自压力测量多谐振荡电路的信号进行计算和转换；外部数据存储器204用于存储数据，通常情况下，采用I²C总线串行E²PROM，但由于本发明使用的主CPU是89C51，该芯片不具备I²C总线接口，因而用2条I/O引脚模拟I²C总线接口，达到了实时准确读写数据的要求；为了进一部提高测量精度，本发明通过使用外部设备(如键盘)205，来对进行量程迁移，完成量程的设置与操作，在本发明中只需使用有限的几个键，即可满足用户的操作需要，关于这一部分的详细描述请参见后面的实施例说明；显示单元206一方面可用来显示量程范围、被测压力参数，另一方面，当系统工作在量程设置工作状态时，可用来显示压力变送器的工作状态和量程；当系统需要与电动单元组合仪表兼容时，可选择通过D/A转换器207，将计算出的压力值P由数字信号转化为模拟电压信号(1-5V)，再经过电压/电流变换器将1-5V的电压信号转化为4～20mA的标准电流信号；D/A转换模块是用于和现在某些还在使用模拟信号作为驱动的设备接口用的。该模块将CPU处理以后的数据通过标度变换和D/A转换电路转化成4～20mA的电流输出，考虑到“成本低、尽量少占用I/O引脚以及精度”等设计要求，本发明决定采用12位串行D/A转换器MAXIM5352。但由于它是SPI接口方式的，而89C51不具备SPI接口功能。我们对I²C总线的模拟成功的经验告诉我们，SPI也是可以用I/O引脚模拟的。程序编写后，通过多次试验证明模拟是成功的；为了进一步提高测量精度，系统还采用了温度补偿多谐振荡器208，它也是采用直接数字方法，将温度补偿多谐振荡器与设置在电容式压力传感器201中的热敏元件相连，将温度变化的模拟量直接变为振荡方波，通过多路开关209完成两个信号(压力和温度)的转换。

如图3所示，为压力测量多谐振荡器的电路连接图。该压力测量振荡器采用555定时器，这是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能很方便地接成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，波形的产生与变换、测量与控制由于使用灵活、方便，由数字电路分析可知，电容上的电压Vc将在V_T+和V_T-之间往复振荡，Vc和Vo的波形如图4所示。其振荡周期计算公式为：

T＝T₁+T₂＝(R₁+2R₂)Cln2由以上公式可求得振荡频率值，通过改变R和C的参数即可改变振荡频率。用CB555组成的多谐振荡器最高振荡频率达500kHz，用CB7555组成的多谐振荡器最高振荡频率可达1MHz，在本例中，C是随压力变化而变化的参数，因此，改变图4中的电阻R2的数值，即可得到一组压力-频率变化曲线。如图5所示，为温度补偿多谐振荡器电路连接图，对于温度补偿多谐振荡电路，本发明采用一种带输入保护的非对称式多谐振荡器，静态时，应使G1、G2工作在电压传输特性的转折区，以保证有较大的电压放大倍数；G1的输入端与输出端之间跨接了电阻R，G1必将工作在V_o1＝V_I1的状态；通常V_TH＝1/2V_DD，G2工作在电压传输特性转折区的中点；由于流过R上的静态电流基本为零，所以对R阻值的选择几乎没有限制，如图6所示为电路中各点的电压波形，该电路的振荡周期计算公式为：

T＝T₁+T₂≈2R_FCln3＝2.2R_FC并且可由该振荡周期得计算出振荡频率，如果改变图5中的电阻R的值，可以调整振荡器的初始振荡频率，从而获得不同的灵敏度。

本系统的软件部分采用模块化结构，根据功能划分为7个模块，分别是：主程序模块、压力脉冲自动采集模块、键盘处理模块、显示模块、数据存储模块以及根据实际应用情况采用的量程的自动选择及线性化处理模块和D/A转换模块。

如图7所示，为本发明在单片机中运行的主程序流程图，首先初始化系统，循环等待用户通过键盘的操作，步骤701；根据接收到的键值判断当前操作是测量，还是参数设定，步骤702；如果是测量，则初始化并进行脉冲频率测量，步骤703；计算出频率后，进行插值计算，求得被测压力值，步骤704，具体来说，该插值计算的过程是：当被测的脉冲上升沿来临时，T0开始计数，同时T1定时开始。当T1时间到时，T0停止计数，然后由微型机读取计数器记录时钟脉冲，求得t时间内所记录的脉冲的个数N，再根据标度变换公式求出压力值P；将该压力值转化为显示码，通过液晶显示屏LCD显示出来，步骤705；如果当前用户通过键盘输入的为参数设定操作，则先读入给定的压力值，步骤706；然后进行脉冲频率的测量，步骤707；最后计算相应压力参数值，并保存于外部存储器E²PROM中，步骤708。

由于考虑到仪表空间不宜过大，仅设置三个功能键K1、K2和K3，采用中断方式接口，操作键盘的设置举例说明如下：

由于按键数量有限，且为了满足调整功能的需要，把每个键设置为双功能键，用于设定量程等级和进行量程迁移，其具体功能如下：

加1键K1

当首次按下的键是该键时进入等级设置界面，以后每按一下，量程等级画面的等级单元加1，并在下面显示该等级所对应的量程。量程等级加到最大值时，再按下K1键，量程等级将回到最小值，即实现自动循环选择；

当在量程迁移界面中按下该键时，则作为量程迁移加1键，即每按一次K1，在上限单元加1，与之对应的下限也加1，并且据有自动循环功能；

减1键K2

当首次按下的键是该键时，进入等级设置界面，以后每按一下，量程等级减1，并在下面显示该等级所代表的量程。量程等级减到最小值时，再按下K1键，量程等级将回到最大值，即实现自动循环选择；

当在量程迁移画面中按下该键时，则作为量程迁移减1键，即每按一次K1，在上限单元减1，与之对应的下限也减1；

确认键K3

当第一次按下K3时，进入量程调整界面，对参数进行初始化设置。

当K3不是第一次按下时，则为界面确认键，实现界面间的切换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施方式，不应被视为是对本发明范围的限制，而且本发明所主张的权利要求范围并不局限于此，凡熟悉此领域技艺的人士，依据本发明所揭露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种直接数字化的压力变送器，其特征在于它包括：

外部存储器，用于存储所述单片机产生的计算结果数据；

输入设备，用于调整量程和输入测量参数；

显示单元，用于输出测量结果及所述参数设置的显示。

2.如权利要求1所述的直接数字化压力变送器，还包括温度补偿多谐振荡器，用于接收温度变化所产生的振荡信号。

3.如权利要求2所述的直接数字化的压力变送器，还包括多路开关，用于将压力测量多谐振荡器和温度补偿多谐振荡器的输出信号进行分时采样。

4.如权利要求1所述的直接数字化的压力变送器，其中所述外部输入设备为键盘，其键值分别为加1键、减1键和确认键。

5.如权利要求1所述的直接数字化的压力变送器，还包括12串行D/A转换器，用于将计算出的压力值P由数字信号转化为模拟电压信号，与其他压力变送器兼容。

6.一种直接数字化的测量方法，包括以下步骤：

进行测量系统的初始化设置，及根据用户输入的键值进行操作判断；

如为测量，则

直接获得脉冲频率，并进行插值运算得到压力值；

显示该测量结果；

如为参数设定，则

读入给定的压力值；

进行脉冲频率测量；

计算相应压力参数值，并保存在外部存储单元中。

7.如权利要求5所述的直接数字化的测量方法，用于压力和流量测量。

8.如权利要求5所述的直接数字化的测量方法，包括主程序模块、压力脉冲自动采集模块、键盘处理模块、显示模块、数据存储模块。

9.如权利要求8所述的直接数字化的测量方法，还包括量程的自动选择及线性化处理模块和D/A转换模块。