專利名稱：直接數(shù)字化的壓力變送器及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器及其測(cè)量方法，特別是涉及一種直接數(shù)字化的傳感器及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
FR1511壓力變送器是工業(yè)過程控制應(yīng)用最多的一種傳感器之一。它不僅可以測(cè)量壓力而且還可以測(cè)量流量。對(duì)于電容式壓力變送器，幾十年來一直沿用“敏感測(cè)量元件——線性放大器——模擬量輸出(4-20mA)”的傳統(tǒng)模式。雖然，近兩年國內(nèi)外有一些研究單位對(duì)其進(jìn)行了智能化改造，研制出一種所謂的“智能化壓力傳感器”，即在原來的基礎(chǔ)上增加A/D轉(zhuǎn)換，即如

圖1所示的“傳感器——模擬放大——A/D轉(zhuǎn)換——微型計(jì)算機(jī)處理”，但其仍然沒有改變傳統(tǒng)的壓力變送器模式，而且，即使是這種稍有改進(jìn)的模式，仍然存在著許多缺點(diǎn)由于使用了連接非常復(fù)雜的模擬放大電路和價(jià)格昂貴的A/D轉(zhuǎn)換器，因而造成了利用這種模式制作壓力變送器生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高；且利用采用這種結(jié)構(gòu)制成的壓力變送器體積大，不易提高測(cè)量精度，可靠性差。
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種利用新型的直接數(shù)字化測(cè)量電路構(gòu)成的數(shù)字化壓力變送器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明能夠解決的技術(shù)問題是利用非常簡(jiǎn)單的振蕩電路(或多諧振蕩器)，直接把傳感器電容的變化轉(zhuǎn)換成頻率的變化，然后直接將數(shù)字量送入微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行壓力測(cè)量或流量測(cè)量。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種數(shù)字化壓力變送器，其特征在于它包括電容式壓力傳感器，用于將外界壓力變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電容變化值；壓力測(cè)量多諧振蕩器，其輸入端與所述電容式壓力變送器的電容相連，用于接收所述電容變化值，并將其直接轉(zhuǎn)化為振蕩頻率信號(hào)；單片機(jī)，用于接收由所述壓力測(cè)量多諧振蕩器送出的頻率振蕩信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)換；外部存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)所述單片機(jī)產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)；
輸入設(shè)備，用于調(diào)整量程和輸入測(cè)量參數(shù)；顯示單元，用于輸出測(cè)量結(jié)果及所述參數(shù)設(shè)置的顯示。
本發(fā)明還提供了一種直接數(shù)字化的測(cè)量方法，它包括以下步驟進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的初始化設(shè)置，及根據(jù)用戶輸入的鍵值進(jìn)行操作；如為測(cè)量，則直接獲得脈沖頻率，并進(jìn)行插值運(yùn)算得到壓力值；顯示該測(cè)量結(jié)果；如為參數(shù)設(shè)定，則讀入給定的壓力值；進(jìn)行脈沖頻率測(cè)量；計(jì)算相應(yīng)壓力參數(shù)值，并保存在外部存儲(chǔ)單元中本發(fā)明所提供的直接數(shù)字化壓力變送器及壓力測(cè)量方法能夠直接將壓力信號(hào)數(shù)字化，并送單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的積極效果1.具有智能化功能，無須在實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)，只在現(xiàn)場(chǎng)即可進(jìn)行量程遷移；2.采用菜單和功能鍵進(jìn)行量程遷移，操作直觀、方便；3.測(cè)量過程智能化；4.串行D/A轉(zhuǎn)換，精度高，價(jià)格低；5.用少量功能鍵實(shí)現(xiàn)多功能操作；6.生產(chǎn)調(diào)試方便；7.成本低；8.可靠性高。
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，以便對(duì)本發(fā)明的目的、特征及積極效果有更深入的理解。
圖2為直接數(shù)字化壓力變送器的方框圖。
圖3為壓力測(cè)量多諧振蕩器電路連接圖。
圖4為壓力測(cè)量多諧振蕩器電路電壓振蕩波形圖。
圖5為溫度補(bǔ)償多諧振蕩器電路連接圖。
圖6為溫度補(bǔ)償多諧振蕩器電路電壓振蕩波形圖。
圖7為單片機(jī)主程序流程圖。
如圖2所示，外界壓力的變化導(dǎo)致壓力傳感器201中的可變電容器C1的變化，壓力的變化，導(dǎo)致壓力室的電容變化，從而改變壓力測(cè)量多諧振蕩電路202的充、放電時(shí)間，由此產(chǎn)生不同頻率的方波；將方波送入單片機(jī)203(如89C51)中的T0計(jì)數(shù)器，利用89C51中T1作為定時(shí)器，對(duì)來自壓力測(cè)量多諧振蕩電路的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)換；外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器204用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通常情況下，采用I2C總線串行E2PROM，但由于本發(fā)明使用的主CPU是89C51，該芯片不具備I2C總線接口，因而用2條I/O引腳模擬I2C總線接口，達(dá)到了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確讀寫數(shù)據(jù)的要求；為了進(jìn)一部提高測(cè)量精度，本發(fā)明通過使用外部設(shè)備(如鍵盤)205，來對(duì)進(jìn)行量程遷移，完成量程的設(shè)置與操作，在本發(fā)明中只需使用有限的幾個(gè)鍵，即可滿足用戶的操作需要，關(guān)于這一部分的詳細(xì)描述請(qǐng)參見后面的實(shí)施例說明；顯示單元206一方面可用來顯示量程范圍、被測(cè)壓力參數(shù)，另一方面，當(dāng)系統(tǒng)工作在量程設(shè)置工作狀態(tài)時(shí)，可用來顯示壓力變送器的工作狀態(tài)和量程；當(dāng)系統(tǒng)需要與電動(dòng)單元組合儀表兼容時(shí)，可選擇通過D/A轉(zhuǎn)換器207，將計(jì)算出的壓力值P由數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)(1-5V)，再經(jīng)過電壓/電流變換器將1-5V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)；D/A轉(zhuǎn)換模塊是用于和現(xiàn)在某些還在使用模擬信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)的設(shè)備接口用的。該模塊將CPU處理以后的數(shù)據(jù)通過標(biāo)度變換和D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成4～20mA的電流輸出，考慮到“成本低、盡量少占用I/O引腳以及精度”等設(shè)計(jì)要求，本發(fā)明決定采用12位串行D/A轉(zhuǎn)換器MAXIM5352。但由于它是SPI接口方式的，而89C51不具備SPI接口功能。我們對(duì)I2C總線的模擬成功的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，SPI也是可以用I/O引腳模擬的。程序編寫后，通過多次試驗(yàn)證明模擬是成功的；為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，系統(tǒng)還采用了溫度補(bǔ)償多諧振蕩器208，它也是采用直接數(shù)字方法，將溫度補(bǔ)償多諧振蕩器與設(shè)置在電容式壓力傳感器201中的熱敏元件相連，將溫度變化的模擬量直接變?yōu)檎袷幏讲?，通過多路開關(guān)209完成兩個(gè)信號(hào)(壓力和溫度)的轉(zhuǎn)換。
如圖3所示，為壓力測(cè)量多諧振蕩器的電路連接圖。該壓力測(cè)量振蕩器采用555定時(shí)器，這是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它能很方便地接成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制由于使用靈活、方便，由數(shù)字電路分析可知，電容上的電壓Vc將在VT+和VT-之間往復(fù)振蕩，Vc和Vo的波形如圖4所示。其振蕩周期計(jì)算公式為T＝T1+T2＝(R1+2R2)Cln2由以上公式可求得振蕩頻率值，通過改變R和C的參數(shù)即可改變振蕩頻率。用CB555組成的多諧振蕩器最高振蕩頻率達(dá)500kHz，用CB7555組成的多諧振蕩器最高振蕩頻率可達(dá)1MHz，在本例中，C是隨壓力變化而變化的參數(shù)，因此，改變圖4中的電阻R2的數(shù)值，即可得到一組壓力-頻率變化曲線。如圖5所示，為溫度補(bǔ)償多諧振蕩器電路連接圖，對(duì)于溫度補(bǔ)償多諧振蕩電路，本發(fā)明采用一種帶輸入保護(hù)的非對(duì)稱式多諧振蕩器，靜態(tài)時(shí)，應(yīng)使G1、G2工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，以保證有較大的電壓放大倍數(shù)；G1的輸入端與輸出端之間跨接了電阻R，G1必將工作在Vo1＝VI1的狀態(tài)；通常VTH＝1/2VDD，G2工作在電壓傳輸特性轉(zhuǎn)折區(qū)的中點(diǎn)；由于流過R上的靜態(tài)電流基本為零，所以對(duì)R阻值的選擇幾乎沒有限制，如圖6所示為電路中各點(diǎn)的電壓波形，該電路的振蕩周期計(jì)算公式為T＝T1+T2≈2RFCln3＝2.2RFC并且可由該振蕩周期得計(jì)算出振蕩頻率，如果改變圖5中的電阻R的值，可以調(diào)整振蕩器的初始振蕩頻率，從而獲得不同的靈敏度。
本系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能劃分為7個(gè)模塊，分別是主程序模塊、壓力脈沖自動(dòng)采集模塊、鍵盤處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況采用的量程的自動(dòng)選擇及線性化處理模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊。
如圖7所示，為本發(fā)明在單片機(jī)中運(yùn)行的主程序流程圖，首先初始化系統(tǒng)，循環(huán)等待用戶通過鍵盤的操作，步驟701；根據(jù)接收到的鍵值判斷當(dāng)前操作是測(cè)量，還是參數(shù)設(shè)定，步驟702；如果是測(cè)量，則初始化并進(jìn)行脈沖頻率測(cè)量，步驟703；計(jì)算出頻率后，進(jìn)行插值計(jì)算，求得被測(cè)壓力值，步驟704，具體來說，該插值計(jì)算的過程是當(dāng)被測(cè)的脈沖上升沿來臨時(shí)，T0開始計(jì)數(shù)，同時(shí)T1定時(shí)開始。當(dāng)T1時(shí)間到時(shí)，T0停止計(jì)數(shù)，然后由微型機(jī)讀取計(jì)數(shù)器記錄時(shí)鐘脈沖，求得t時(shí)間內(nèi)所記錄的脈沖的個(gè)數(shù)N，再根據(jù)標(biāo)度變換公式求出壓力值P；將該壓力值轉(zhuǎn)化為顯示碼，通過液晶顯示屏LCD顯示出來，步驟705；如果當(dāng)前用戶通過鍵盤輸入的為參數(shù)設(shè)定操作，則先讀入給定的壓力值，步驟706；然后進(jìn)行脈沖頻率的測(cè)量，步驟707；最后計(jì)算相應(yīng)壓力參數(shù)值，并保存于外部存儲(chǔ)器E2PROM中，步驟708。
由于考慮到儀表空間不宜過大，僅設(shè)置三個(gè)功能鍵K1、K2和K3，采用中斷方式接口，操作鍵盤的設(shè)置舉例說明如下由于按鍵數(shù)量有限，且為了滿足調(diào)整功能的需要，把每個(gè)鍵設(shè)置為雙功能鍵，用于設(shè)定量程等級(jí)和進(jìn)行量程遷移，其具體功能如下加1鍵K1當(dāng)首次按下的鍵是該鍵時(shí)進(jìn)入等級(jí)設(shè)置界面，以后每按一下，量程等級(jí)畫面的等級(jí)單元加1，并在下面顯示該等級(jí)所對(duì)應(yīng)的量程。量程等級(jí)加到最大值時(shí)，再按下K1鍵，量程等級(jí)將回到最小值，即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)選擇；當(dāng)在量程遷移界面中按下該鍵時(shí)，則作為量程遷移加1鍵，即每按一次K1，在上限單元加1，與之對(duì)應(yīng)的下限也加1，并且據(jù)有自動(dòng)循環(huán)功能；減1鍵K2當(dāng)首次按下的鍵是該鍵時(shí)，進(jìn)入等級(jí)設(shè)置界面，以后每按一下，量程等級(jí)減1，并在下面顯示該等級(jí)所代表的量程。量程等級(jí)減到最小值時(shí)，再按下K1鍵，量程等級(jí)將回到最大值，即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)選擇；當(dāng)在量程遷移畫面中按下該鍵時(shí)，則作為量程遷移減1鍵，即每按一次K1，在上限單元減1，與之對(duì)應(yīng)的下限也減1；確認(rèn)鍵K3當(dāng)?shù)谝淮伟聪翶3時(shí)，進(jìn)入量程調(diào)整界面，對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置。
當(dāng)K3不是第一次按下時(shí)，則為界面確認(rèn)鍵，實(shí)現(xiàn)界面間的切換。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，不應(yīng)被視為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，而且本發(fā)明所主張的權(quán)利要求范圍并不局限于此，凡熟悉此領(lǐng)域技藝的人士，依據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)內(nèi)容，可輕易思及的等效變化，均應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種直接數(shù)字化的壓力變送器，其特征在于它包括電容式壓力傳感器，用于將外界壓力變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電容變化值；壓力測(cè)量多諧振蕩器，其輸入端與所述電容式壓力變送器的電容相連，用于接收所述電容變化值，并將其直接轉(zhuǎn)化為振蕩頻率信號(hào)；單片機(jī)，用于接收由所述壓力測(cè)量多諧振蕩器送出的頻率振蕩信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)換；外部存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)所述單片機(jī)產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)；輸入設(shè)備，用于調(diào)整量程和輸入測(cè)量參數(shù)；顯示單元，用于輸出測(cè)量結(jié)果及所述參數(shù)設(shè)置的顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的直接數(shù)字化壓力變送器，還包括溫度補(bǔ)償多諧振蕩器，用于接收溫度變化所產(chǎn)生的振蕩信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的直接數(shù)字化的壓力變送器，還包括多路開關(guān)，用于將壓力測(cè)量多諧振蕩器和溫度補(bǔ)償多諧振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采樣。
4.如權(quán)利要求1所述的直接數(shù)字化的壓力變送器，其中所述外部輸入設(shè)備為鍵盤，其鍵值分別為加1鍵、減1鍵和確認(rèn)鍵。
5.如權(quán)利要求1所述的直接數(shù)字化的壓力變送器，還包括12串行D/A轉(zhuǎn)換器，用于將計(jì)算出的壓力值P由數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，與其他壓力變送器兼容。
6.一種直接數(shù)字化的測(cè)量方法，包括以下步驟進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的初始化設(shè)置，及根據(jù)用戶輸入的鍵值進(jìn)行操作判斷；如為測(cè)量，則直接獲得脈沖頻率，并進(jìn)行插值運(yùn)算得到壓力值；顯示該測(cè)量結(jié)果；如為參數(shù)設(shè)定，則讀入給定的壓力值；進(jìn)行脈沖頻率測(cè)量；計(jì)算相應(yīng)壓力參數(shù)值，并保存在外部存儲(chǔ)單元中。
7.如權(quán)利要求5所述的直接數(shù)字化的測(cè)量方法，用于壓力和流量測(cè)量。
8.如權(quán)利要求5所述的直接數(shù)字化的測(cè)量方法，包括主程序模塊、壓力脈沖自動(dòng)采集模塊、鍵盤處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。
9.如權(quán)利要求8所述的直接數(shù)字化的測(cè)量方法，還包括量程的自動(dòng)選擇及線性化處理模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊。
全文摘要
本發(fā)明之直接數(shù)字化的壓力變送器，包括電容式壓力傳感器、壓力測(cè)量多。諧振蕩電路，用于接收電容變化值，直接轉(zhuǎn)化為振蕩頻率信號(hào)；單片機(jī)、外部存儲(chǔ)器，輸入設(shè)備，用于調(diào)整量程和輸入測(cè)量參數(shù)；顯示單元，該方法包括以下步驟進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的初始化設(shè)置，及根據(jù)用戶輸入的鍵值進(jìn)行操作判斷如為測(cè)量，則直接獲得脈沖頻率，并進(jìn)行插值運(yùn)算得到壓力值；顯示該測(cè)量結(jié)果；如為參數(shù)設(shè)定，則讀入給定的壓力值；進(jìn)行脈沖頻率測(cè)量；計(jì)算相應(yīng)壓力參數(shù)值，并保存在外部存儲(chǔ)單元中。本發(fā)明能夠產(chǎn)生的積極效果是具有智能化功能，可直接進(jìn)行量程遷移，操作直觀、方便；精度高，價(jià)格低；生產(chǎn)調(diào)試方便，成本低，可靠性高。
文檔編號(hào)G01L9/12GK1419114SQ0215872
公開日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者潘新民 申請(qǐng)人:天津師范大學(xué)