唐德紅，肖博文

(湖北工業(yè)大學工業(yè)設計學院，湖北武漢 430068)

0 引言

壓力是工業(yè)控制系統(tǒng)中的一種重要參數(shù)[1]，對壓力的正確測量和控制是保證工業(yè)控制系統(tǒng)正常運行的必要條件之一。目前市面上出現(xiàn)的壓力變送系統(tǒng)大都存在測量精度低，無法在高溫、高壓環(huán)境下連續(xù)測量等問題。為了提高壓力變送器的測量精度和控制速度，以及適應高溫、高壓環(huán)境的測量，需要使用高精度的壓力傳感器。因此，系統(tǒng)設計了一種適用于高溫熔體的智能壓力變送系統(tǒng)，其采用高精度電阻式應變壓力傳感器來采集熔體的壓力變化，將熔體壓力變化量轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化量[2]。系統(tǒng)采用16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器對輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，保證了采集信號的轉(zhuǎn)換精度。利用分段式標定法對系統(tǒng)輸出的壓力-電壓曲線進行標定，保證了系統(tǒng)的測量和控制精度[3]。

1 系統(tǒng)設計

傳統(tǒng)的壓力變送系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要是由測壓元件、放大電路以及4～20 mA輸出電路組成[4-5]。放大電路中，通過多級運算放大器對傳感器輸出的信號進行放大，然后通過4～20 mA輸出電路控制輸出，因此傳統(tǒng)的壓力變送器都是基于模擬信號的，存在檢測精度低等缺點，只能用于檢測精度較低的工業(yè)控制系統(tǒng)中。

圖1 傳統(tǒng)壓力變送系統(tǒng)控制框圖

為了克服傳統(tǒng)壓力變送器的弊端，系統(tǒng)設計了一種智能高溫熔體壓力變送系統(tǒng)，智能壓力變送系統(tǒng)主要由壓力傳感器、信號調(diào)理電路、MSP430處理電路以及控制輸出電路組成，控制框圖如圖2所示。其最大的特點就是將壓力傳感器輸出信息與MSP430的快速處理能力相結(jié)合，通過外接高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片完成對傳感器輸出信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用嵌入式軟件編程，通過軟件控制的方法來對傳感器輸出的信號進行分段標定，進一步提高系統(tǒng)的檢測精度。

圖2 智能壓力變送系統(tǒng)控制框圖

2 智能壓力變送系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要是由金屬電阻應變式壓力傳感器、信號調(diào)理電路、4～20 mA輸出電路、顯示電路、按鍵輸入電路、報警電路以及電源電路等組成[6]。當壓力傳感器將所測得的壓力變化量轉(zhuǎn)換為相應的電信號之后，經(jīng)過信號調(diào)理電路之后，由A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送至MSP430內(nèi)部進行分析。根據(jù)預先設定的分段式標定算法對信號進行處理，最終通過單片機內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換和4～20 mA輸出電路將信號轉(zhuǎn)換為相應的模擬信號，供后續(xù)設備接入。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 硬件框圖

2.1 壓力傳感器

根據(jù)高溫熔體擠出生產(chǎn)控制過程的特點，所選用的壓力傳感器需要能適應高溫、高壓環(huán)境下持續(xù)測量，具備靈敏度高、測量速度快等特點，除此之外，還需要克服溫度等環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響，因此系統(tǒng)選用金屬電阻應變式壓力傳感器[7]。金屬電阻應變片能承受高溫、高壓環(huán)境，且對溫度的敏感程度較低，金屬電阻應變式壓力傳感器是目前工業(yè)檢測中應用最廣泛的壓力傳感器，其具有結(jié)構(gòu)接單、操作方便等優(yōu)點。當傳感器受到外界壓力時，它會將承受到的壓力按照一定的線性關系轉(zhuǎn)換為相應的電信號，通過采集傳感器輸出的電信號來擬定壓力-電壓曲線，從而根據(jù)采集到的電信號大小計算得到相應的壓力值[8]。

2.2 壓力檢測電路

壓力檢測電路由電橋電路和信號檢測電路組成[9]。電橋電路的一個橋臂為金屬電阻應變片式壓力傳感器，該橋臂用于檢測熔體的壓力，其會將所承受到的壓力值線性地轉(zhuǎn)換為相應的電信號。信號檢測電路對電橋輸出的電信號進行濾波、放大等處理，將輸出電壓信號的幅值調(diào)整到合適的范圍，便于A/D轉(zhuǎn)換器對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，硬件電路圖如圖4所示。

圖4 壓力檢測電路

圖4中電阻R1、R2、R3、R4均為高精度的金屬電阻應變片，構(gòu)成電橋測量電路，恒壓芯片TL431和運放U5為電橋提供穩(wěn)定的直流電壓，運算放大器U6是將電橋輸出的電壓調(diào)節(jié)到合適的范圍，以便A/D轉(zhuǎn)換器進行采集[10]。當電橋4個橋臂的電阻R1、R2、R3、R4初始狀態(tài)下阻值相等，且構(gòu)成電阻的應變片的靈敏系數(shù)也相等。由上圖可知：圖中a點的電壓可以表示為：

(1)

b點的電壓可以表示為：

(2)

因此電橋的輸出電壓Uab可以表示成：

(3)

初始狀態(tài)下，R1R4=R2R3，由式(3)可知，電橋輸出電壓Uab=0 V。當金屬電阻應變片受到壓力時，電橋平衡被打破，電橋輸出Uab不為零，且Uab輸出的電壓值與所金屬電阻應變片承受的壓力成正比。系統(tǒng)就是通過檢測電橋輸出的電壓值來計算得到相應的壓力值。

2.3 A/D采集電路

為了提高檢測精度，系統(tǒng)選用高精度16位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606，AD7606最高采樣頻率到達200 kHz，可同時采集8個通道的數(shù)據(jù)，采用單5 V供電，采集電壓的范圍在-10～+10 V之間。單片機通過FSMC總線接口與AD7606進行數(shù)據(jù)交互，AD7606的CONVST為啟動引腳，CONVSTA控制1～4通道，CONVSTB控制5～8通道。本文設計的智能壓力變送系統(tǒng)共用到兩個采集通道，通道1是對壓力信號進行采樣。通道2是對單片機供電電壓進行采樣，當供電異常時，及時發(fā)出報警。BUSY引腳為轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位，當BUSY為高電平時表示AD7606正在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當BUSY為低電平時表示轉(zhuǎn)換結(jié)束[11]。硬件電路圖如圖5所示。

圖5 A/D采集電路

2.4 4～20 mA輸出電路

單片機將采集到的壓力信號在內(nèi)部進行計算、處理，然后將壓力值送入單片機內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換模塊，通過轉(zhuǎn)換可以將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為對應的電流信號[12]。但此電流信號并不是工業(yè)上標準的4～20 mA電流輸出信號，因此需要將單片機D/A模塊輸出的電信號轉(zhuǎn)換為標準的4～20 mA電流輸出信號，硬件電路圖如圖6所示。

圖6 4～20 mA輸出電路

3 軟件設計

軟件設計也是系統(tǒng)的重要組成部分之一，系統(tǒng)利用C語言進行編程，主要設計了系統(tǒng)初始化程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、D/A轉(zhuǎn)換程序、分段式壓力算法程序等。當系統(tǒng)采集到壓力信號時，經(jīng)外部A/D轉(zhuǎn)換芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機內(nèi)部對采集到的壓力值進行預處理，最后利用分段式壓力標定算法對壓力值進行修正，最后將處理過后的壓力值發(fā)送到顯示器上實時顯示。還可以通過預留的標準4～20 mA電流輸出接口，將采集到的壓力信號供給其他儀表使用。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)分析

為了驗證系統(tǒng)的檢測精度和穩(wěn)定性，需要利用標準儀器對設計的智能熔體壓力變送系統(tǒng)進行標定。由于系統(tǒng)設計的壓力變送系統(tǒng)在測量較高壓力時具有很好的線性度，在測量低壓力時線性度不是很好，為了提高系統(tǒng)的測量精度，需要對電壓-壓力曲線進行分段式標定。

系統(tǒng)選用西安云儀儀器公司提供的JY系列活塞式壓力計對系統(tǒng)進行標定，其精度高達萬分之五。對壓力進行標定時，依次劃分0 MPa、1 MPa、2 MPa、3 MPa，…，30 MPa等區(qū)間段，將標定好的各個區(qū)間段的算法存在單片機內(nèi)部，當啟動系統(tǒng)測量壓力時，其會將測得的壓力歸屬到相應的區(qū)間段上。通過活塞式壓力計按照上述劃分的區(qū)間段對系統(tǒng)進行加壓，最大壓力加到30 MPa，此時記錄A/D測得的電壓。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由于系統(tǒng)在低壓區(qū)間段的線性度不是很好，因此在低壓區(qū)間段進行細致劃分，在高壓區(qū)間段(大于10 MPa)系統(tǒng)的線性度較好，因此可以進行粗略劃分。由上表1測試數(shù)據(jù)可知：

當測得的壓力在0～1 MPa時，系統(tǒng)擬合曲線為：

y=20.83x-0.958

當測得的壓力在1～2 MPa時，系統(tǒng)擬合曲線為：

y=15.625x-0.468

當測得的壓力在2～3 MPa時，系統(tǒng)擬合曲線為：

y=14.493x-0.261

表1 測試數(shù)據(jù)

以此類推，當測得壓力在25～30 MPa時，系統(tǒng)擬合曲線為：

y=12.788x+1.086

式中：x為A/D轉(zhuǎn)換器輸出的電壓；y為測得的壓力值。

將系統(tǒng)在各個壓力段進行分段標定之后，開始利用系統(tǒng)對進行壓力測量，將系統(tǒng)測得的值與標準儀器測得值進行對比，驗證系統(tǒng)的精確度，對比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測試對比數(shù)據(jù)

由表2測試數(shù)據(jù)可知，當系統(tǒng)所測的壓力小于10 MPa時，系統(tǒng)的測量誤差小于2%；當系統(tǒng)測量的壓力大于10 MPa時，系統(tǒng)測量精度有所提高，測量誤差小于1%。綜合考慮，系統(tǒng)的檢測誤差小于2%，符合設計預期，具有一定的應用價值。

5 結(jié)束語

本文設計了一種基于MSP430的高精度熔體壓力變送系統(tǒng)，系統(tǒng)利用金屬應變片式壓力傳感器檢測熔體的壓力值，傳感器可將承受的壓力值線性的轉(zhuǎn)換為與之相應的電信號，利用高精度A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取，利用分段式壓力標定算法對壓力值進行分段標定，進一步提高系統(tǒng)的測量精度。系統(tǒng)利用顯示屏實時顯示測得的壓力值，同時還預留4～20 mA標準電流輸出口，供其他儀表使用。實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)檢測的誤差小于2%，具有一定的應用推廣價值。