黃 正， 李 軍，郭繼紅，何 進(jìn)，李 昆

（眉山麥克在線設(shè)備股份有限公司，四川 眉山 620000）

0 引言

差壓傳感器是一種用來測(cè)量兩個(gè)不同壓力之間差值的傳感器[1]，經(jīng)常被應(yīng)用于液體高低測(cè)量、泄漏測(cè)量、密封性檢測(cè)、微流量測(cè)量、氣體流量測(cè)量等?，F(xiàn)今，市面上常見的差壓傳感器主要有壓阻式與電容式兩種[2]。壓阻式相較于電容式差壓傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用電路設(shè)計(jì)簡單，現(xiàn)場測(cè)量數(shù)據(jù)更為牢靠。因而，本文設(shè)計(jì)選擇霍尼韋爾公司生產(chǎn)制造的HSC系列的壓阻式硅壓力傳感器。HSC系列具有0℃～50℃溫度補(bǔ)償功能，減少了溫度對(duì)壓阻式差壓傳感器的影響；同時(shí)HSC系列傳感器使用板載專用集成電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器偏移、靈敏性、非線性的校準(zhǔn)，最終能夠使差壓測(cè)量結(jié)果可靠性更高，一致性更好。從而，使氣體差壓分析儀測(cè)量數(shù)據(jù)能夠更好地指導(dǎo)和反饋石油、化工、鍋爐控制、冶金等行業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行過程。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

氣體差壓分析儀系統(tǒng)工作框圖如圖1。系統(tǒng)主要由STM32微處理器主控單元、氣體差壓傳感器模塊、485通信模塊、串口觸摸顯示屏模塊、ADC采集模塊，以及系統(tǒng)電源模塊等組成。差壓傳感器通過前端壓力采集探頭采集到某一設(shè)備或部件的當(dāng)前差壓值后，差壓傳感器根據(jù)獲取到的差壓值大小輸出0V～5V的模擬信號(hào)量，經(jīng)過運(yùn)放跟隨電路將模擬信號(hào)輸入到CS1237信號(hào)采集引腳進(jìn)行采集。STM32單片機(jī)內(nèi)部使用定時(shí)器的方式，控制CS1237芯片每隔1s進(jìn)行1次采樣。單片機(jī)將ADC采集到的數(shù)字電壓量通過差壓傳感器的電壓值與壓力值兩者之間對(duì)應(yīng)的線性計(jì)算公式，得到當(dāng)前差壓傳感器的壓力值，并將壓力值寫入到Modbus協(xié)議寄存器中，經(jīng)兩路485芯片輸出（單片機(jī)為從站）。串口屏作為Modbus協(xié)議的主站，以每間隔1s的時(shí)間對(duì)單片機(jī)輸出的一路485協(xié)議進(jìn)行訪問讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在屏幕指定位置上；另一路485協(xié)議預(yù)留給用戶觀察、讀取、儲(chǔ)存壓力數(shù)據(jù)，或者將壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)疥P(guān)聯(lián)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警處理。

圖1 系統(tǒng)工作框圖Fig.1 System working block diagram

1.1 主控電路

在此次設(shè)計(jì)中，綜合考慮到所用芯片通信接口兼容性，主控電路的控制芯片使用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6型單片機(jī)。該款單片機(jī)采用32位的Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72MHz，多種控制外設(shè)，并且具有集成度高，可靠性好，指令系統(tǒng)豐富，價(jià)格便宜等特點(diǎn)。

本文中氣體差壓分析儀的主控電路主要圍繞STM32F103C8T6的最小工作系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)。主控電路由3.3V電源電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、程序下載電路、高速和低速時(shí)鐘電路等構(gòu)成，具體如圖2。3.3V的電源電路使用德州儀器生產(chǎn)的低噪聲低壓降穩(wěn)壓芯片LP2985A-33DBVR。該芯片允許最大輸入電壓16V，滿載輸出時(shí)壓降為280mV，輸出噪聲30μVRMS，并且具有過流和熱保護(hù)，能夠?qū)?V的直流電源轉(zhuǎn)換輸出為噪聲低且穩(wěn)定性好的3.3V單片機(jī)工作電壓。

圖2 單片機(jī)核心主要系統(tǒng)電路Fig.2 Main system circuits of single chip microcomputer core

C5、C6、C7、C8用于穩(wěn)定電源，減少外部負(fù)載波動(dòng)給單片機(jī)電源帶來的影響。STM32單片機(jī)工作時(shí)鐘電路使用外部8MHz高速晶振[3]，給單片機(jī)工作系統(tǒng)提供高速且穩(wěn)定的頻率信號(hào)。系統(tǒng)復(fù)位電路采用單點(diǎn)輕觸按鍵開關(guān)設(shè)計(jì)，單片機(jī)的復(fù)位采用低電平觸發(fā)的方式。電容C4應(yīng)用于復(fù)位電路中，主要能夠延緩上電時(shí)電平變化，為上電系統(tǒng)復(fù)位提供足夠的時(shí)間。STM32單片機(jī)具有多種下載方式，對(duì)芯片程序進(jìn)行下載與更新，使用SWD下載方式比JLINK下載方式所需引腳更少，同時(shí)相較于串口下載，具有在線仿真優(yōu)勢(shì)。

1.2 氣體差壓傳感器

霍尼韋爾高精度硅陶瓷（HSC）系列壓阻式硅壓力傳感器具有模擬輸出或數(shù)字輸出兩種信號(hào)輸出方式，從而在指定滿量程壓力和溫度范圍內(nèi)讀出壓力。該系列傳感器采用霍尼韋爾專有技術(shù)，將高靈敏度與過壓和爆破壓力相結(jié)合，使該系列傳感器具有高穩(wěn)定性，高爆破壓力，高工作壓力范圍。同時(shí)，該系列還具有如下性能：

1）工作時(shí)采用3.3Vdc或5.0Vdc的單電源供電。

2）帶有0℃～50℃的溫度補(bǔ)償算法，能夠在0℃～50℃實(shí)際測(cè)量工況下，保證傳感器測(cè)量值的真實(shí)性，提高系統(tǒng)精度。

3）測(cè)量精度能夠達(dá)到±0.25% FSS BFSL，減少修正系統(tǒng)誤差所需算法與時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。

4）允許傳感器在經(jīng)校準(zhǔn)的壓力范圍上，持續(xù)穩(wěn)定地工作，減少潛在的停機(jī)時(shí)間。

5）模塊化的靈活設(shè)計(jì)，搭配多種封裝類型、壓力端口和可選配件，簡化了集成設(shè)備制造工作。

6）多種壓力范圍，即±1.6mbar ～±10bar，±160Pa ～±1MPa，±0.5inH2O～150psi等3種壓力范圍，可應(yīng)用于多種場合。

7）HSC系列傳感器經(jīng)過完全校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償?shù)膲毫敵鲋担骂l率接近1KHz（模擬輸出）和2KHz（數(shù)字輸出）。

綜上所述優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場工況，本文選用了HSCSANN2.5KDAA5型差壓傳感器。該型號(hào)差壓傳感器測(cè)量壓力范圍為±2.5KPa，采用5V單電源供電，輸出信號(hào)為0V～5V模擬信號(hào)。其輸出壓力值與電壓值對(duì)應(yīng)關(guān)系為-2.5KPa～0KPa；對(duì)應(yīng)輸出模擬電壓值為0V～2.5V；0KPa～2.5KPa對(duì)應(yīng)輸出模擬電壓值為2.5V～5V。

1.3 電源模塊

考慮到工業(yè)上常規(guī)用電電壓值為24V，再結(jié)合主控電路、壓力傳感器、24位ADC芯片，及串口觸摸顯示屏等模塊的工作電源電壓，本位設(shè)計(jì)選用金升陽生產(chǎn)的B2405XT-2WR2隔離電源模塊輸出5V電壓給主控電路單元、壓力傳感器、ADC芯片提供輸入電源。B2405XT-2WR2隔離電源模塊工作溫度范圍為-40℃～+105℃，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)84%，隔離電壓1500Vdc，內(nèi)部貼片化設(shè)計(jì)，無需外加元件，減化設(shè)計(jì)電路。

如圖4，在24V輸入端口處，加入單片TVS二極管，防止過壓，吸收浪涌功率，保護(hù)后端電路。U9為整流二極管，防止直流輸入正負(fù)極反接，導(dǎo)致元器件損毀。F1為500mA自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，在后端電路短路時(shí)，切斷前端輸入電壓，保護(hù)后端元器件不被損壞。C5、C6、C7、C8、C9電容，主要為模塊旁路濾波穩(wěn)壓電容，減少后端負(fù)載電路變化對(duì)前端輸入電源造成輸入不穩(wěn)的影響。

圖3 HSCSANN2.5KDAA5型差壓傳感器Fig.3 HSCSANN2.5KDAA5 Differential pressure sensor

圖4 24V轉(zhuǎn)5V電路Fig.4 24V to 5V circuit

1.4 485模塊通信電路

氣體差壓分析儀與外部數(shù)據(jù)的交互傳輸，主要通過RS485通信模塊實(shí)現(xiàn)。RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，具有良好的抗干擾能力，信號(hào)能夠傳輸上千米。本文采用SP3485芯片實(shí)現(xiàn)RS485電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，具體電路如圖5。電容C47為芯片工作穩(wěn)壓電容；R33為上拉電阻，把不確定的信號(hào)鉗位在高電平，同時(shí)還起著限流作用；R34為下拉電阻，把不確定的信號(hào)鉗位在低電平；R35為終端匹配電阻，增加信號(hào)的抗干擾能力[4]。

圖5 485通訊電路Fig.5 485 Communication circuit

1.5 24位ADC工作電路

CS1237是一款高精度、低功耗、低成本24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具有一路差分輸入通道，內(nèi)置溫度傳感器、高精度振蕩器以及可選PGA（1、2、64、128），ADC輸出速率可選（10Hz、40Hz、640Hz、1.28kHz）。主控MCU通過兩線SPI接口SCLK、DOUT與CS1237進(jìn)行通信，并對(duì)其通道選擇、PGA選擇、輸出速率選擇等進(jìn)行配置，具體電路如圖6。

圖6 CS1237采集電路Fig.6 CS1237 Acquisition circuit

R33為0Ω電阻，連接電路板上被分割的數(shù)字地與模擬地。C33為輸出芯片輸入電壓的穩(wěn)壓電容，C34為芯片輸入?yún)⒖茧妷旱姆€(wěn)壓電容。R34、R35、R36、R37為信號(hào)輸入限流電阻，避免芯片被損壞[5]。C35、C36、C37為輸入采集信號(hào)源的穩(wěn)壓電容，以確保輸入信號(hào)的穩(wěn)定。

1.6 串口屏幕模塊

串口觸摸顯示屏選用廣州大彩生產(chǎn)的3.5寸顯示屏。該屏幕無操作系統(tǒng)，上電即可運(yùn)行，4.5V～15V寬電源供電，采用TTL電平通訊，支持1200bps～921600bps波特率，存儲(chǔ)空間64Mbit。該屏幕配有配套開發(fā)上位機(jī)，上位機(jī)上集成了豐富的組態(tài)控件、虛擬數(shù)字鍵盤，內(nèi)嵌LUA腳本編譯器，用戶可在屏內(nèi)定義各種復(fù)雜邏輯關(guān)系與協(xié)議等，通過配套上位機(jī)可快速對(duì)串口屏幕進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。

通過屏幕配套上位機(jī)，配置Modbus Rtu協(xié)議，讀取STM32單片機(jī)輸出的其中一路Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)，并將獲取到的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上的文本顯示控件上。同時(shí)，通過LUA腳本編譯器在屏幕內(nèi)部編程，對(duì)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行二次線性校正，使用戶最終觀察到的壓力數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)，STM32單片機(jī)執(zhí)行內(nèi)部初始化程序，先將延時(shí)函數(shù)、單片機(jī)運(yùn)行指示燈、調(diào)試打印串口、Modbus協(xié)議串口等基礎(chǔ)外設(shè)初始化完成，然后再將CS1237初始化。系統(tǒng)主函數(shù)中，主要完成Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)的監(jiān)聽與回復(fù)。單機(jī)中采用定時(shí)器2，控制CS1237完成對(duì)壓力傳感器數(shù)據(jù)采集。定時(shí)器2，每間隔1s進(jìn)入定時(shí)器2中斷服務(wù)函數(shù)，調(diào)用ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)，獲得當(dāng)前壓力傳感器輸出的電壓值，將獲得的采集電壓值采用滑動(dòng)平均濾波算法，使輸出的電壓值更為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)更可靠。

為了使最終得到的差壓值更準(zhǔn)確，采用優(yōu)利德UT705回路校準(zhǔn)儀測(cè)量電路中的電壓值，然后再將采集得到的ADC電壓值相對(duì)比，進(jìn)行二次多項(xiàng)次擬合校正。將校正后的電壓值帶入壓力計(jì)算公式，計(jì)算得到當(dāng)前電壓值所對(duì)應(yīng)的差壓值。最后，將得到的差壓值通過Modbus協(xié)議上傳到串口屏上進(jìn)行顯示。串口屏上可以通過設(shè)置零點(diǎn)與量程，對(duì)所測(cè)量的差壓值進(jìn)行二次校正顯示。

3 測(cè)試

在測(cè)試時(shí)，采用了一款工業(yè)級(jí)單晶硅壓力變送器[6]，與設(shè)計(jì)的差壓分析儀做數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)（單晶硅壓力變送器精度為±0.075%FS，量程為-2KPa～2KPa）。用設(shè)計(jì)的差壓分析儀與單晶硅壓力變送器測(cè)量同一設(shè)備、同一點(diǎn)的氣體差壓值，將差壓進(jìn)氣口兩端放置在同一位置，前端采用配氣儀控制輸入差壓兩端的流量，從而改變差壓值。兩款差壓儀表的測(cè)量結(jié)果見表1。

從表1中的數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)的差壓分析儀與工業(yè)單晶硅壓力變送器對(duì)同一點(diǎn)的壓力測(cè)量值最大差值，正壓為0.026KPa，負(fù)壓為-0.027KPa；平均差值正壓為0.019KPa，負(fù)壓為-0.007KPa。

表1 差壓分析儀與單晶硅壓力變送器正負(fù)壓測(cè)量值Table 1 Positive and negative pressure measurements of differential pressure analyzer and monocrystalline silicon pressure transmitter

由此，可得本文所設(shè)計(jì)的差壓分析儀與工業(yè)單晶硅壓力變送器測(cè)量結(jié)果較為接近，誤差較小。然而，工業(yè)單晶硅壓力變送器重量為2.6kg，體積為15×18×11（cm3），差壓分析儀為60g，體積為6×6×5（cm3），更方便攜帶，更易于現(xiàn)場安裝應(yīng)用。

4 結(jié)束語

實(shí)際使用結(jié)果表明：該便攜式差壓分析儀不僅體積小，重量輕，而且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，差壓數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，顯示分辨率高，反應(yīng)靈敏，符合現(xiàn)場生產(chǎn)要求，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控現(xiàn)場工業(yè)氣體壓力，具有很好的應(yīng)用前景。