基于89C51智能液化氣罐壓力數據的采集

摘 要：本設計從實際應用的角度出發，以89C51單片機為核心，設計智能液化氣罐的壓力檢測以及數據采集，進行電路設計。所用的主要器件除89C51之外，還包括芯片X25045、TLC1549、壓力傳感器等。壓力信號首先進入壓力傳感器，傳感器出來的模擬信號經過A/D轉換后送入單片機，單片機對接收到的數據進行處理，根據壓力與輸出電流的線性關系計算出當前的壓力。本設計所用器件之間的接口比較簡單，容易操作，占地面積小，性能好，可進行實時監控，操作簡單方便。

關鍵詞：液化氣罐；A/D轉換；運算放大器

1 概述

在我國，管道天然氣一直沒有普及，鋼瓶液化氣仍然在大量使用。我們不難發現，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，小則會造成錢財損失，大則可能賠上人員人命。我國幾乎每天都有因液化氣罐使用不當而導致燃燒、爆炸、中毒死亡等等事故，這些事故給人們的經濟財產、人身安全等方面造成巨大的損失。

智能液化氣罐的設計初衷，就是為了減少液化氣罐的潛在威脅，使人們在應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，一是自動檢測、報警功能，二是自動截氣功能，三是自動測壓、保證液化氣罐壓力恒定。只有同時具備這些功能，才能實現智能化（全自動化）地保障安全，并減少因液化氣泄漏造成的危險。而對于智能液化氣罐壓力數據的自動采集功能是所有功能的一個基礎。文章就液化氣罐的壓力采集做電路設計。

2 壓力傳感器的選擇

此款智能液化氣罐是基于單片機89C51來設計的。而89C51只能對電壓信號進行識別和采樣，因此，我們必須運用壓力傳感器，它能夠將壓力信號直接轉化成電壓信號或電流信號。

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方面考慮的：首先，要符合設計的要求，作者所需要的傳感器，其測量范圍應大于10Mpa，且適合對液體進行測壓，并能夠承受一定程度的腐蝕性。其次，從經濟方面考慮，最好是既經濟又能滿足需要的。最后，要考慮應用的方便程度。從以上幾個方面考慮，作者最終選擇了HART協議智能差壓變送器。從壓力變送器出來的信號為電流信號，我們需要將其轉變為電壓信號，這就需要我們連接一和地相連的伴隨電阻，從而使電流信號轉變成電壓信號。通過查閱變送器的參數，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，根據公式R=U/I，我們可以計算出伴隨電阻的阻值R為250歐姆。電路中為了起到穩定電壓的作用，我們還設計了運算放大器LF353。當壓力不夠時，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協議智能差壓變送器與傳統的1151、CECC等系列產品在安裝上可直接替換，其主要工作參數簡介如下：

使用對象：液體、氣體和蒸汽

測量范圍：0～0.1kPa至0～40Mpa

輸出信號：4～20mA DC

供電電源：24V DC

負載特性：與供電電源有關，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：相對濕度為5～95%

精確度：±0.25%，±0.5%（智能型：±0.1%）

死區：無（≤0.1%）

電源影響：小于輸出量程的0.005%/V

3 A/D轉換

在壓力控制系統中，我們將壓力傳感器與要測的容器相連接，由傳感器將壓力信號轉變成或強或弱的電流信號，我們再根據電流和電壓之間的轉換關系，通過連接一伴隨電阻，將電流信號轉變為電壓模擬信號。從壓力變送器出來的電壓模擬信號，不能直接輸入到單片機進行數據處理，我們需要進一步對模擬信號進行處理，使其轉變成數字信號，也就是說，我們需要進行A/D轉換。在本次設計中，我們選用的A/D轉換器為TLC1549芯片，由于它采用串行輸出，所用空間小，使用方便，與單片機的接口也簡單。

A/D轉換器的主要性能指標有：分辨率、量化誤差、偏移誤差、轉換精度、轉換實踐與轉換速率基對電源電壓的抑制比。在本系統設計中選用的壓力變送器的最大量程是40Mpa，而我們所需要測量的壓力最大值為10Mpa，所以我們只需將壓力變送器的量程設定為10Mpa。壓力信號經過電流/電壓變換后，變成0-5V的電壓信號。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，相應的輸入電壓變化值為0.5V。而對于一個5V滿刻度的10位A/D轉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，我們在本電路的設計中，TLC1549的基準電壓是由集成電路LM336-5.0提供的。LM336-5.0可以調整精密的5.0V電壓，外界基準電壓源是否穩定以及是否滿足精度要求，直接影響到A/D轉換器的轉換精度。采用LM336-5.0來提供基準電壓，可以提高轉化精度。

4 設計電路圖

5 結束語

文章所設計的壓力數據采集方式，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，此技術不僅適用于智能液化氣罐，其在工業生產和日常生活中可應用領域非常廣泛。比如，在自來水公司可以用此技術采集水的壓力和流速，在煉油廠可以用此技術來控制油罐的壓力、流量、溫度等。我們可以用傳感器將采集到的模擬信號轉變成電信號，經過放大、模數轉換，再經過單片機的處理以后，發送到PC機，由PC機對現場情況進行監控，并向被控單元發出動作指令，從而實現對現場進行智能化的控制。

參考文獻

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作者簡介：孫萬利（1982-），籍貫：山東省德州市，現工作于內蒙古工業大學工程訓練中心，職稱為實驗師。