基于STC89C51芯片和壓力傳感器實現(xiàn)高精度壓力測控系統(tǒng)的設(shè)計

壓力是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到的重要參數(shù)，壓力檢測和控制的準(zhǔn)確性直接影響著生產(chǎn)安全性和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在很多工業(yè)現(xiàn)場，對壓力測量及控制精度都有很高的要求。很多情況下，除需要隨時了解生產(chǎn)過程中介質(zhì)壓力的變化外， 還需要將壓力自動保持在一定的范圍內(nèi)。顯然，較高的壓力測控精度是溫差控制精度的有力保證。本實驗系統(tǒng)針對這一要求，以單片機為控制器核心，對壓力傳感器信號進(jìn)行檢測并從硬件和軟件兩方面進(jìn)行誤差校正及補償，對壓力控制采用相關(guān)的控制算法并在實驗室中通過反復(fù)調(diào)試控制參數(shù)，使控制器的測量精度達(dá)到了±0.001MPa，控制精度達(dá)到了±0.01MPa。測量精度及壓力控制精度都達(dá)到了較高要求，為解決壓力控制提供了良好的基礎(chǔ)。

1 硬件設(shè)計

壓力控制系統(tǒng)對測量部分有較高的要求，系統(tǒng)采用I2C總線型16位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1119，HKM-375型硅壓阻式壓力傳感器，以STC89C51芯片為核心控制器件，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

為提高對壓力的測量精度，首先必須確保測控系統(tǒng)具有很好的抗干擾能力，因此，系統(tǒng)采用抗干擾性能超強的單片機STC89C51作為控制芯片。該芯片具有高抗靜電性即ESD保護(hù)，輕松通過2kV/4kV快速脈沖干擾，寬電壓、不怕電源抖動，內(nèi)帶看門狗電路和E2PROM，支持程序串口下載，能很好地滿足系統(tǒng)的可靠性及控制要求。

實驗室中的控制對象為液壓壓力試驗系統(tǒng)，硅壓阻將壓力信號變?yōu)?a target="_blank">電阻信號，再通過適當(dāng)?shù)碾娐忿D(zhuǎn)化為電壓信號，并經(jīng)放大濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換器；然后輸出BCD碼進(jìn)入CPU，通過軟件對所測電壓進(jìn)行數(shù)字非線性校正，同時將所測壓力在LED上進(jìn)行實時顯示。通過系統(tǒng)程序，對PID運算以及輸出進(jìn)行控制，最終由CPU給出控制壓力回路的有效電壓，通過移相調(diào)壓達(dá)到調(diào)壓目的。

1.1 檢測部分

大多數(shù)壓力檢測電路都采用恒流源或恒壓源，也有采用比例法的。其實質(zhì)是無論采用恒流源或恒壓源對壓力傳感器供電，都是希望在最后消除電壓或電流的影響。經(jīng)綜合比較，恒流源受環(huán)境影響小、抗噪聲能力強，所以采用恒流源。為保證壓敏元件不受流過本身電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響，恒流源的電流信號應(yīng)不大于1mA，這里選用1mA。前端信號的檢測及處理電路如圖2所示。選用HKM-375型硅壓阻式壓力傳感器來采集壓力變化的信號，采用三線制接線。

從圖2可以得出檢測電路的輸出電壓為：

UP=KIΔRP （1）

式中：K為放大器的增益，I為恒流源的電流，ΔRP為壓力傳感器的電阻隨壓力變化產(chǎn)生的改變值。

為保證精度，電阻R0、R1、R2、R3、R4和R5均用精密電阻，一旦阻值確定，K即為一個固定值，幾乎不受環(huán)境影響。但是恒流源并非真正意義上的“恒流”，LM332的溫度系數(shù)為0.33%/℃。當(dāng)系統(tǒng)工作于不同環(huán)境、不同季節(jié)時，恒流源的電流有一定的波動［5］。

由于放大器每級輸出存在誤差，給測量精度帶來了較大影響，故系統(tǒng)通過軟件對實測壓力與采樣值的關(guān)系數(shù)據(jù)作曲線擬合，從而對放大器進(jìn)行誤差校正與補償。

1.2 控制部分

控制部分采用移相調(diào)壓的方法來實現(xiàn)調(diào)壓，硬件電路如圖3所示。

由于對電容C的充放電，使得在A點的電壓波形為與正弦波同步的鋸齒波，為了得到質(zhì)量更好的波形，在前端還加了有源運放，通過示波器觀察，波形下降段的角度非常接近90°。調(diào)整R、C的參數(shù)，可以改變鋸齒波的幅值。B點為控制電壓，它是PID運算后得到的數(shù)字控制量再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出所得到的直流電壓。A、B兩點的電壓信號作為比較器輸入，當(dāng)B點電壓高于A點電壓時，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即在可控硅的開通時刻得到脈沖電壓。顯然，B點的信號幅值決定移相角的大小，調(diào)節(jié)該信號即可控制可控硅輸出電壓的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)液壓閥開度的目的。

1.3 人機接口

系統(tǒng)采用獨立式鍵盤與240×180點陣液晶模塊作為信息輸入輸出設(shè)備。鍵盤通過優(yōu)先編碼器74LS148與單片機相連，定義了菜單、菜單項上翻/數(shù)據(jù)增、菜單項下翻/數(shù)據(jù)減、確認(rèn)等4個功能按鍵。液晶模塊顯示控制參數(shù)信息或在溫控過程中顯示實時壓力數(shù)據(jù)。兩者構(gòu)成了友善的人機交互界面。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序主要處理系統(tǒng)初始化、掃描鍵盤、采樣壓力值，并對采樣數(shù)值進(jìn)行數(shù)字濾波、顯示壓力及控制輸出等工作。主程序流程圖如圖4所示。定時器T0用于定時控制采樣的時間。系統(tǒng)設(shè)定采樣周期為3s，而控制周期為1s。通過鍵盤設(shè)定初始比例系數(shù)、積分系數(shù)及設(shè)定壓力，輸入后做相應(yīng)的數(shù)據(jù)備份，即將參數(shù)存入單片機內(nèi)E2PROM中。

除了硬件濾波外，設(shè)計中還采用了數(shù)字濾波方案，以減少干擾信號對有用信號的影響，提高信號的真實性?？刂?a target="_blank">算法采用積分分離的數(shù)字PID算法，以防止超調(diào)量過大，對于電阻爐這樣純滯后的環(huán)節(jié)有一定的補償作用。

2.1 控制算法

數(shù)字PID算法用增量式表示為：

由于壓力響應(yīng)具有遲滯性，屬于一階延時系統(tǒng)，若采用常規(guī)PID算法，控制效果不好，并且會出現(xiàn)較大的超調(diào)量。為了解決這一問題，設(shè)計中采用了積分分離PID算法。從實驗結(jié)果看，其性能指標(biāo)均有所提高。當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時，取消積分作用；當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差很小時，加入積分作用。也就是說系統(tǒng)啟動、停止或大幅度改變設(shè)定值時，只用比例控制和微分控制，然后才加入積分控制，這樣更有利于改善動態(tài)特性和消除靜差。具體做法是：針對被控對象參量，設(shè)定一個偏差的門限e0，當(dāng)過程控制中偏差 e（k）的絕對值大于e0時，系統(tǒng)不引入積分控制，只用PD控制；當(dāng)偏差 e（k）的絕對值小于e（k）時，才引入積分控制，即采用PID控制。對計算公式的積分項，乘一個權(quán)系數(shù)β。當(dāng) e（k）的絕對值小于等于e0時，β值取1；當(dāng) e（k）的絕對值大于e0時，β值取0。

因此，式（2）可改寫為：

2.2 參數(shù)整定

設(shè)計采用擴充臨界比例度法整定。通過實驗測量，被控對象的純滯后時間為30s左右，因此選擇采樣周期為3s。通過在實驗中進(jìn)行一系列實測數(shù)據(jù)的比較，選擇控制度為1.2，采用PI控制。整定的各參數(shù)值如下：KP=3.14，TK=180s，Ti=0.91，TK=163.8s，Ki=KPT/Ti=0.058。經(jīng)過對參數(shù)微調(diào)，最后得出最佳PID參數(shù)，即KP=3.14，Ki=0.058。

3 實驗結(jié)果

通過實驗室環(huán)境下的多次實測，得出控制器控制精度在±0.5℃之內(nèi)。表1為實驗過程中的一次數(shù)據(jù)記錄。從結(jié)果看，當(dāng)設(shè)定壓力為25MPa時，最后穩(wěn)定壓力為25.03MPa，控制效果比較理想。

系統(tǒng)采用抗干擾性能超強、功耗低的單片機，配合高精度的小信號檢測控制電路，使系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)得到簡化。軟件采用必要的誤差校正及控制算法，使測量及控制性能得到了提高。該系統(tǒng)可應(yīng)用到大部分壓力高精度控制場合中，具有較高的應(yīng)用價值。

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