摘 要：本設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，以89C51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)智能液化氣罐的壓力檢測(cè)以及數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。所用的主要器件除89C51之外，還包括芯片X25045、TLC1549、壓力傳感器等。壓力信號(hào)首先進(jìn)入壓力傳感器，傳感器出來的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)壓力與輸出電流的線性關(guān)系計(jì)算出當(dāng)前的壓力。本設(shè)計(jì)所用器件之間的接口比較簡(jiǎn)單，容易操作，占地面積小，性能好，可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作簡(jiǎn)單方便。

關(guān)鍵詞：液化氣罐；A/D轉(zhuǎn)換；運(yùn)算放大器

1 概述

在我國(guó)，管道天然氣一直沒有普及，鋼瓶液化氣仍然在大量使用。我們不難發(fā)現(xiàn)，人們一旦使用了液化氣罐，安全隱患就一直存在，而且一旦出問題，小則會(huì)造成錢財(cái)損失，大則可能賠上人員人命。我國(guó)幾乎每天都有因液化氣罐使用不當(dāng)而導(dǎo)致燃燒、爆炸、中毒死亡等等事故，這些事故給人們的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)、人身安全等方面造成巨大的損失。

智能液化氣罐的設(shè)計(jì)初衷，就是為了減少液化氣罐的潛在威脅，使人們?cè)趹?yīng)用液化氣的過程中更加安全、方便。智能液化氣罐的主要功能，一是自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警功能，二是自動(dòng)截氣功能，三是自動(dòng)測(cè)壓、保證液化氣罐壓力恒定。只有同時(shí)具備這些功能，才能實(shí)現(xiàn)智能化（全自動(dòng)化）地保障安全，并減少因液化氣泄漏造成的危險(xiǎn)。而對(duì)于智能液化氣罐壓力數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集功能是所有功能的一個(gè)基礎(chǔ)。文章就液化氣罐的壓力采集做電路設(shè)計(jì)。

2 壓力傳感器的選擇

此款智能液化氣罐是基于單片機(jī)89C51來設(shè)計(jì)的。而89C51只能對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和采樣，因此，我們必須運(yùn)用壓力傳感器，它能夠?qū)毫π盘?hào)直接轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)或電流信號(hào)。

壓力傳感器的種類多種多樣，在傳感器選擇方面，作者主要是從以下幾個(gè)方面考慮的：首先，要符合設(shè)計(jì)的要求，作者所需要的傳感器，其測(cè)量范圍應(yīng)大于10Mpa，且適合對(duì)液體進(jìn)行測(cè)壓，并能夠承受一定程度的腐蝕性。其次，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，最好是既經(jīng)濟(jì)又能滿足需要的。最后，要考慮應(yīng)用的方便程度。從以上幾個(gè)方面考慮，作者最終選擇了HART協(xié)議智能差壓變送器。從壓力變送器出來的信號(hào)為電流信號(hào)，我們需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，這就需要我們連接一和地相連的伴隨電阻，從而使電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。通過查閱變送器的參數(shù)，我們可以知道其輸出電流為0～20mA，而我們需要的電壓為0～5伏特，根據(jù)公式R=U/I，我們可以計(jì)算出伴隨電阻的阻值R為250歐姆。電路中為了起到穩(wěn)定電壓的作用，我們還設(shè)計(jì)了運(yùn)算放大器LF353。當(dāng)壓力不夠時(shí)，我們可用加熱的方式，利用熱脹冷縮的原理給液化氣罐加熱。

HART協(xié)議智能差壓變送器與傳統(tǒng)的1151、CECC等系列產(chǎn)品在安裝上可直接替換，其主要工作參數(shù)簡(jiǎn)介如下：

使用對(duì)象：液體、氣體和蒸汽

測(cè)量范圍：0～0.1kPa至0～40Mpa

輸出信號(hào)：4～20mA DC

供電電源：24V DC

負(fù)載特性：與供電電源有關(guān)，RL≤50（Vs-12）

溫度范圍：放大器工作溫度范圍：-29～+93℃（LT型為：-25～+70℃）。

濕度：相對(duì)濕度為5～95%

精確度：±0.25%，±0.5%（智能型：±0.1%）

死區(qū)：無（≤0.1%）

電源影響：小于輸出量程的0.005%/V

3 A/D轉(zhuǎn)換

在壓力控制系統(tǒng)中，我們將壓力傳感器與要測(cè)的容器相連接，由傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成或強(qiáng)或弱的電流信號(hào)，我們?cè)俑鶕?jù)電流和電壓之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過連接一伴隨電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷耗M信號(hào)。從壓力變送器出來的電壓模擬信號(hào)，不能直接輸入到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，我們需要進(jìn)一步對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，使其轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，也就是說，我們需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在本次設(shè)計(jì)中，我們選用的A/D轉(zhuǎn)換器為TLC1549芯片，由于它采用串行輸出，所用空間小，使用方便，與單片機(jī)的接口也簡(jiǎn)單。

A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)有：分辨率、量化誤差、偏移誤差、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換實(shí)踐與轉(zhuǎn)換速率基對(duì)電源電壓的抑制比。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的壓力變送器的最大量程是40Mpa，而我們所需要測(cè)量的壓力最大值為10Mpa，所以我們只需將壓力變送器的量程設(shè)定為10Mpa。壓力信號(hào)經(jīng)過電流/電壓變換后，變成0-5V的電壓信號(hào)。所以，我們可以得出分辨率為：

5V/10Mpa=0.5V/Mpa （1）

即壓力每變化1Mpa，相應(yīng)的輸入電壓變化值為0.5V。而對(duì)于一個(gè)5V滿刻度的10位A/D轉(zhuǎn)換器能分辨輸入電壓變化的最小值為：

5V/210=4.9mV （2）

而4.9mV<0.5V，所以選用10位A/D可以完全滿足水位測(cè)量精度的要求。本電路選用的是 TLC1549。

在電路圖中可以看到，我們?cè)诒倦娐返脑O(shè)計(jì)中，TLC1549的基準(zhǔn)電壓是由集成電路LM336-5.0提供的。LM336-5.0可以調(diào)整精密的5.0V電壓，外界基準(zhǔn)電壓源是否穩(wěn)定以及是否滿足精度要求，直接影響到A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。采用LM336-5.0來提供基準(zhǔn)電壓，可以提高轉(zhuǎn)化精度。

4 設(shè)計(jì)電路圖

5 結(jié)束語(yǔ)

文章所設(shè)計(jì)的壓力數(shù)據(jù)采集方式，既可以使液化氣罐在使用過程中更加的便捷，也可以使其更加的安全。同時(shí)，此技術(shù)不僅適用于智能液化氣罐，其在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中可應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。比如，在自來水公司可以用此技術(shù)采集水的壓力和流速，在煉油廠可以用此技術(shù)來控制油罐的壓力、流量、溫度等。我們可以用傳感器將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過單片機(jī)的處理以后，發(fā)送到PC機(jī)，由PC機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行監(jiān)控，并向被控單元發(fā)出動(dòng)作指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行智能化的控制。

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作者簡(jiǎn)介：孫萬利（1982-），籍貫：山東省德州市，現(xiàn)工作于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，職稱為實(shí)驗(yàn)師。