CN210072357U - 一种高温敏感型压力传感控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高温敏感型压力传感控制系统，采用加法器、比例微分控制模块、单片机、外接设备驱动机构、放气阀、加气阀、压力传感器等模块相互配合形成闭环负反馈压力控制系统，此压力控制系统以外接密闭容器为载体，由电源模块为此压力控制系统提供电源；压力传感器安装在外接容器内，其含有测压元件与测温元件，同时对压力值与温度值进行测量，通过压力传感器内预设的程序进行函数计算后输出排除了温度影响的压力反馈值，由比例微分控制模块对预设压力期望值与反馈值的偏差信号进行调节，通过单片机处理后输出控制信号以控制外接设备驱动机构，从而控制外接容器内的压力值。本实用新型结构简单、耐高温、响应速度快、稳定性强、精确度高。

Description

一种高温敏感型压力传感控制系统

技术领域

本实用新型涉及自动化控制技术领域，尤其压力传感技术领域，具体涉及一种高温敏感型压力传感控制系统。

背景技术

随着自动化控制技术的迅速发展，以及对压力传感器的深入研究，在许多压力控制系统中，经常需要采集压力信号，转化成能够实现自动控制的电信号。因此，大量压力传感器技术在自动控制领域得到广泛应用。

目前，在压力控制过程中，要求传感器不仅能感知压力信号，而且必须具有良好的准确性和较强的抗干扰能力。但就现在国内的情况来看，单一指标的压力传感器应用系统较多，但多指标优化的系统明显不足，特别是能耐高温且快速稳定的压力传感系统较少。大部分压力传感器的内部结构采用温度敏感元件，面对高温敏感的环境时，性能就会下降，从而导致整个压力传感控制系统的稳定性和准确性的降低甚至崩溃，极大地限制了压力传感控制系统的适用范围。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种高温敏感型压力传感控制系统，本实用新型具有结构简单、耐高温、精确度高、快速稳定的特点。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种高温敏感型压力传感控制系统，包括电源模块、外接容器，还包括比例微分控制模块、单片机、外接设备驱动机构、压力传感器，所述比例微分控制模块、所述单片机、所述外接设备驱动机构分别在所述外接容器外设置，所述压力传感器固定安装在所述外接容器内；

所述电源模块分别与所述比例微分控制模块、所述单片机、所述外接设备驱动机构、所述压力传感器电连接，所述电源模块为所述比例微分控制模块、所述单片机、所述外接设备驱动机构、所述压力传感器提供电源；

所述比例微分控制模块输入端与所述压力传感器的输出端信号连接，所述比例微分控制模块的输出端作为所述单片机的信号输入与所述单片机信号连接，所述比例微分控制模块对接收到的电信号进行调节处理，为所述单片机提供准确、稳定的信号；

所述单片机的输出端作为所述外接设备驱动机构的输入与所述外接设备驱动机构信号连接，所述单片机将接收到的信号进行运算处理然后向所述外接设备驱动机构输出控制信号；

所述外接设备驱动机构用于控制所述外接容器内的压力；

所述压力传感器作为所述比例微分控制模块的输入与所述比例微分控制模块的输入端信号连接，所述压力传感器安装在所述外接容器内，用于检测所述外接容器内部压力，并将反馈信号传递到所述比例微分控制模块。

优选地，所述压力传感器内包括测压元件、测温元件、A/D转换器、CPU、D/A转换器、ROM、EPROM、RAM；

所述测压元件、所述测温元件分别与所述A/D转换器的输入端信号连接，所述测压元件、所述测温元件分别将测得的压力信号、温度信号传送到所述A/D转换器；

所述A/D转换器输出端与所述CPU的输入端信号连接，所述A/D转换器将接收到的电信号转换为数字信号并传输到所述CPU；

所述CPU通过总线与所述ROM、所述EPROM、所述RAM分别信号连接，所述ROM中装有温度补偿算法程序与非线性补偿算法程序，所述CPU输出端与所述D/A转换器的输入端信号连接，所述CPU将接收到的压力信号与温度信号进行运算处理后输出到所述D/A转换器进行数模转换；

所述D/A转换器将接收到的数字信号转换为模拟电信号，并作为反馈信号输出。

优选地，所述比例微分控制模块的输入端还设有第一加法器，所述第一加法器输入端与所述压力传感器的输出端信号连接，所述第一加法器的输出端与所述比例微分控制模块的输入端信号连接。

优选地，所述比例微分控制模块的输出端还设有第二加法器，所述第二加法器输入端与所述比例微分控制模块的输出端信号连接，所述第二加法器的输出端与所述单片机的输入端信号连接。

优选地，所述压力传感器输出端设有滤波器，所述压力传感器的输出作为所述滤波器的输入与所述滤波器信号连接，所述滤波器的输出作为所述第一加法器的输入与所述第一加法器信号连接。

优选地，所述比例微分控制模块包括并联设置的微分器与比例放大器，所述第一加法器的输出端与所述微分器输入端、所述比例放大器输入端分别信号连接，所述微分器输出端、所述比例放大器输出端分别与所述第二加法器的输入端信号连接。

优选地，所述外接容器为密闭容器。

优选地，所述外接容器上安装有加气阀与放气阀，所述加气阀、所述放气阀分别与所述外接设备驱动机构信号连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型在压力传感器中增加了测温元件，通过压力测试值与温度测试值综合计算出准确的压力反馈信号，减小了温度变化造成的压力偏差，将传统的常温压力传感控制系统扩展到高温压力传感控制系统，将低压控制领域的适应性扩展到高压控制领域，提高了压力传感系统的适应性，从而能够适应较高压力和较高温度环境的压力精确测量。进一步，结合比例微分控制环节和单片机控制应用于本实用新型压力传感控制系统，不仅能够克服温度对系统压力测量的影响，确保在高温环境中依然能够精确测量，还能提高压力控制系统的快速性与稳定性。以上方案对系统稳定性、准确性、快速性等三个重要性能都进行了优化改进，系统灵活度更好，实用性更强，改善了压力传感控制系统的动态性能。

附图说明

图1为本实用新型结构总框图；

图2为本实用新型压力传感器结构示意图；

图3为本实用新型单片机结构示意图；

图4为本实用新型比例微分控制模块电路原理图；

图5为本实用新型单片机控制流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、上位机，2、比例微分控制模块，201、微分器，202、比例放大器，3、单片机，4、外接设备驱动机构，5、放气阀，6、加气阀，7、外接容器，8、压力传感器，801、测压元件，802、测温元件，803、A/D转换器，804、CPU，805、D/A转换器，806、ROM，807、EPROM，808、RAM，9、滤波器，10、电源模块，11、第一加法器，12、第二加法器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，一种高温敏感型压力传感控制系统，包括电源模块10、外接容器7，还包括比例微分控制模块2、单片机3、外接设备驱动机构4、压力传感器8，比例微分控制模块2、单片机3、外接设备驱动机构4分别在所述外接容器7外设置，压力传感器8固定安装在外接容器7内。

电源模块10分别与比例微分控制模块2、单片机3、外接设备驱动机构4、压力传感器8电连接，电源模块10为比例微分控制模块2、单片机3、外接设备驱动机构4、压力传感器8提供电源。

比例微分控制模块2输入端与压力传感器8的输出端信号连接，比例微分控制模块2的输出端作为单片机3的信号输入与单片机3信号连接，比例微分控制模块2对接收到的电信号进行信号调节处理，为单片机3提供准确、稳定的信号。

单片机3的输出端作为外接设备驱动机构4的输入与外接设备驱动机构4信号连接，单片机3将接收到的信号进行运算处理然后向外接设备驱动机构4输出控制信号。外接容器7为密闭容器。外接设备驱动机构4用于控制外接容器7内的压力。外接容器7上安装有加气阀6与放气阀5，加气阀6、放气阀5分别与外接设备驱动机构4信号连接，外接设备驱动机构4接收到单片机3给出的控制信号后，经过信号处理(例如信号放大)后，控制加气阀6或放气阀5开闭，从而达到调节外接容器7内压力的目的。

单片机3是整个系统的重要部分之一，单片机3提供此系统所需要的I/O接口、数据存储器、程序存储器、运算/控制单元。更具体的，本实施例所运用的单片机3是STC89C52单片机。由于该单片机3做了很多的改进，使得芯片具有传统51单片机不具备的功能；并且在单芯片上，拥有8个数据位的CPU和系统可编程Flash，使得本实用新型压力传感控制系统在更新、维护和扩展时具有更高的灵活性。单片机3结构如图3所示，主要包括运算/控制单元，RAM(数据存储器)，Flash ROM(程序存储器)，I/O接口(含P0口，P1口，P2口，P3口)，可编程串行口，定时/计数器，中断系统以及特殊功能寄存器。此系统主要运用的单片机部件中，程序存储器内部预先装有饱和快速响应算法程序，控制单元中的EA接电源，保证端口持续高电平；而RESET用于单片机3复位；P1口的P1.0～P1.7引脚接收来自比例微分控制模块2的输出数据，数据通过数据总线传输到运算单元进行处理，将处理之后的数据通过P2口的P2.0和P2.1引脚输出至外接设备驱动机构4，外接设备驱动机构4分别对接收到的两种控制信号进行放大处理，以至于能够驱动对应的加气阀6和放气阀5的开闭，从而控制外接容器7内压力的大小。

压力传感器8作为比例微分控制模块2的输入与比例微分控制模块2的输入端信号连接。压力传感器8安装在外接容器7内，用于检测外接容器7内部压力，并将反馈信号传递到比例微分控制模块2。

如图2所示，压力传感器8内包括测压元件801、测温元件802、A/D转换器803、CPU804、D/A转换器805、ROM806、EPROM807、RAM808；

测压元件801、测温元件802分别与A/D转换器803的输入端信号连接，测压元件801、测温元件802分别将测得的压力信号、温度信号传送到A/D转换器803。

A/D转换器803输出端与CPU804的输入端信号连接，A/D转换器803将接收到的电信号转换为数字信号并传输到CPU804。

CPU804通过总线与ROM806、EPROM807、RAM808分别信号连接。ROM806中预先装有温度补偿算法程序与非线性补偿算法程序，CPU804输出端与D/A转换器805的输入端信号连接，CPU804将接收到的压力信号与温度信号进行运算处理，然后输出到D/A转换器805进行数模转换。

D/A转换器805将接收到的数字信号转换为模拟电信号，并作为反馈信号输出到下一环节。

本实施例中，压力传感器8推荐使用型号DLK3010,其为佛山市德力克测控仪器有限公司生产。压力传感器8的输出端还可以连接一个压力表，此压力表具有存储及显示功能，可以设置在外接容器7外部实现远程读取数据，以便随时监控外接容器7内的压力情况。

压力传感器8输出端设有滤波器9，压力传感器8的输出作为滤波器9的输入与滤波器9信号连接。

本实施例中，比例微分控制模块2的输入端还设有第一加法器11，滤波器9的输出作为第一加法器11的输入与第一加法器11信号连接，上位机1作为第一加法器11的另一个输入与第一加法器11信号连接；第一加法器11的输出端与比例微分控制模块2的输入端信号连接。通过上位机1设定压力期望值，作为第一加法器11的信号输入，压力传感器8通过滤波器9将反馈信号作为第一加法器11的另一个信号输入，第一加法器11通过设定压力期望值与反馈信号计算出偏差信号，然后输出到比例微分控制模块2。

本实施例中，比例微分控制模块2的输出端还设有第二加法器12，第二加法器12输入端与比例微分控制模块2的输出端信号连接，第二加法器12的输出端与单片机3的输入端信号连接。

本实施例中，比例微分控制模块2包括并联设置的微分器201与比例放大器202，比例微分控制模块2的原理图见图4所示。第一加法器11的输出端与比例微分控制模块2输入端信号连接，比例微分控制模块2输出端与第二加法器12的输入端信号连接。

压力传感器CPU检测到来自测压元件的压力信号后，通过A/D转换器进行模数转换，将模拟信号转化为二进制的数字信号，同时压力传感器CPU检测到来自测温元件的温度信号，同样进行模数转化，在CPU内部将压力信号和温度信号结合处理。压力传感器8每进行一次压力测量的同时进行温度测量，将每次压力测量结果和温度测量结果一同输出到压力传感器CPU中，在压力传感器CPU中进行数据处理，调用预存在ROM中的温度补偿算法程序与非线性算法程序，得到最终的反馈压力值数字信号，通过数模转换，向下一控制环节输出精准的反馈压力电信号值。

压力传感器8输出处理后的精准的压力电信号数据(即压力测量输出值P)，经过D/A转换器进行数模转化后输出至滤波器9，通过滤波器9的过滤作用，排除来自压力传感器8的CPU电路转化中的电源干扰以及传输过程中的干扰，将信号反馈到第一加法器11与预设的压力期望值P_set进行差值计算，得到偏差信号。继续将偏差信号输出到比例微分控制模块2，并对偏差信号进行调节，然后通过第二加法器12将准确、稳定的偏差信号输入单片机3中进行处理。

比例微分控制模块2接收来自第一加法器11的输出信号，初始状态时，没有反馈值，故差值就是预设的压力期望值。为了使偏差信号能被单片机3稳定的接收和使压力传感控制系统稳定性提高，对控制环节进行改进，采用的方法不是单一的使用一种控制环节。由于比例放大器202可以控制偏差量向着差值减小的方向变化，提高系统开环增益，减小系统的稳态误差，因此比例放大器202会改善系统准确性，但会恶化稳定性；而微分器201只对动态过程起作用，对稳态过程没有影响，单一的微分器201不宜与被控对象串联起来单独使用，因此实际的控制系统采用比例微分控制模块2。比例微分控制模块2能够产生早期的修正信号，增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性，并且对系统的准确性无影响。相比较比例积分微分环节，减少了一个控制环节，成本也大大降低。比例微分环节可通过调节比例系数k和微分时间常数τ，来提高系统的阻尼程度，使阻尼比调节到最优的大小，这样系统输出会呈现振荡衰减，此时系统趋于稳定且响应快速。

接下来，单片机3接收来自比例微分控制模块2的输出信号后，常规控制方法是判断输出的偏差信号与零的大小，大于零则打开加气阀6，放气阀5关闭；小于零则打开放气阀5，加气阀6关闭。为了进一步提高压力传感控制系统的快速性，对比例微分控制模块2的输出信号进行控制，给予偏差信号一个上下限，令偏差信号在即将小于上限时就关闭加气阀6，放气阀5状态不变；偏差信号在即将大于下限时就关闭放气阀5，加气阀6状态不变。利用预存在单片机3内的算法程序快速消除大偏差，提高压力传感控制系统稳定的快速性。假设偏差信号为I(x)，前一时刻偏差信号为I(x-1)，P为压力测量输出值，单片机3的控制流程图如图5所示，流程如下：

S101：开始；

S102：输入压力测量输出值P，偏差信号I(x)及前一时刻偏差信号I(x-1)，执行S103；

S103：判断I(x)-I(x-1)是否等于零，是则执行S109，否则执行S104；

S104：判断I(x)-I(x-1)是否小于零，是则执行S105，否则执行S107；

S105：判断I(x)是否小于差值最大值，是则执行S106，否则执行S109；

S106：将加气阀门关闭信号输出至外接设备控制器，执行S109；

S107：判断I(x)是否大于差值最小值，是则执行S108，否则执行S109；

S108：将放气阀门关闭信号输出至外接设备控制器，执行S109；

S109：测量容器内压力值，执行S110；

S110：将压力值赋值给P，执行S111；

S111；输出P，结束。

系统工作原理为：首先通过上位机1预设压力期望值，比例微分控制模块2接收来自第一加法器11的输出信号，当初始状态时没有反馈值(即初始状态无压力测量输出值)，差值(偏差信号)就是设定压力期望值。为了提高压力传感控制系统稳定性，通过比例微分控制模块2对差值进行处理，保证信号稳定的被单片机3接收和再处理，信号在单片机3内部进行函数计算处理，结束后将数据信号转化为控制信号输出至外接设备驱动机构4，外接设备驱动机构4对接收到的控制信号进行放大等处理，以驱动相应的阀门开关(放气阀5与加气阀6)，调整外接容器7内压力的大小向趋于设定压力期望值的方向靠近。进一步通过压力传感器前端的测压元件以及测温元件对外接容器7压力信号和温度信号进行测量(压力传感器结构示意图如图2)，并对检测信号进行电压转换、模数转换，在CPU中进行温度补偿、线性变化等函数计算处理后，再进行数模转换，通过滤波器9信号滤波后反馈到第一加法器11，利用第一加法器11计算设定的压力期望值与反馈值(压力测量输出值)的偏差信号，此时偏差信号再一次依次输出至比例微分控制模块2与单片机3，并进行同等操作，当再次进行压力和温度的测量时，此时的偏差信号将减小，如此循环，最终偏差信号归零，系统达到稳定。

以上就是本实用新型压力传感控制系统完整流程，此方案改进了内部压力传感器因外界温度变化以及非线性特性带来的误差，利用温度补偿与非线性补偿结合提高测量的准确性，并增加比例微分环节提高系统的稳定性，保证每进行一次测量都更加接近设定的压力期望值，最终压力大小被控制在设定的压力期望值上，保证系统快速性的同时，不影响系统的准确性和稳定性。

综上所述，在已有的压力传感控制系统的基础上进行了多方面的改进，并适用于现代工业压力传感控制领域，本实用新型通过对控制环节模块的改进以及对高温敏感型压力传感控制系统的过程分析，给出了切实有效的解决方案，提高了高温敏感型压力传感控制系统的准确性，稳定性及快速性。同时，本实用新型结构合理，实用性强，效果显著。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高温敏感型压力传感控制系统，包括电源模块(10)、外接容器(7)，其特征在于，还包括比例微分控制模块(2)、单片机(3)、外接设备驱动机构(4)、压力传感器(8)，所述比例微分控制模块(2)、所述单片机(3)、所述外接设备驱动机构(4)分别在所述外接容器(7)外设置，所述压力传感器(8)固定安装在所述外接容器(7)内；

所述电源模块(10)分别与所述比例微分控制模块(2)、所述单片机(3)、所述外接设备驱动机构(4)、所述压力传感器(8)电连接，所述电源模块(10)为所述比例微分控制模块(2)、所述单片机(3)、所述外接设备驱动机构(4)、所述压力传感器(8)提供电源；

所述比例微分控制模块(2)输入端与所述压力传感器(8)的输出端信号连接，所述比例微分控制模块(2)的输出端作为所述单片机(3)的信号输入与所述单片机(3)信号连接，所述比例微分控制模块(2)对接收到的电信号进行调节处理，为所述单片机(3)提供准确、稳定的信号；

所述单片机(3)的输出端作为所述外接设备驱动机构(4)的输入与所述外接设备驱动机构(4)信号连接，所述单片机(3)将接收到的信号进行运算处理然后向所述外接设备驱动机构(4)输出控制信号；

所述外接设备驱动机构(4)用于控制所述外接容器(7)内的压力；

所述压力传感器(8)作为所述比例微分控制模块(2)的输入与所述比例微分控制模块(2)的输入端信号连接，所述压力传感器(8)安装在所述外接容器(7)内，用于检测所述外接容器(7)内部压力，并将反馈信号传递到所述比例微分控制模块(2)。

2.根据权利要求1所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述比例微分控制模块(2)的输入端还设有第一加法器(11)，所述第一加法器(11)输入端与所述压力传感器(8)的输出端信号连接，所述第一加法器(11)的输出端与所述比例微分控制模块(2)的输入端信号连接。

3.根据权利要求2所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述比例微分控制模块(2)的输出端还设有第二加法器(12)，所述第二加法器(12)输入端与所述比例微分控制模块(2)的输出端信号连接，所述第二加法器(12)的输出端与所述单片机(3)的输入端信号连接。

4.根据权利要求2所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述压力传感器(8)输出端设有滤波器(9)，所述压力传感器(8)的输出作为所述滤波器(9)的输入与所述滤波器(9)信号连接，所述滤波器(9)的输出作为所述第一加法器(11)的输入与所述第一加法器(11)信号连接。

5.根据权利要求3所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述比例微分控制模块(2)包括并联设置的微分器(201)与比例放大器(202)，所述第一加法器(11)的输出端与所述微分器(201)输入端、所述比例放大器(202)输入端分别信号连接，所述微分器(201)输出端、所述比例放大器(202)输出端分别与所述第二加法器(12)的输入端信号连接。

6.根据权利要求1所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述外接容器(7)为密闭容器。

7.根据权利要求6所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述外接容器(7)上安装有加气阀(6)与放气阀(5)，所述加气阀(6)、所述放气阀(5)分别与所述外接设备驱动机构(4)信号连接。

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