基于C8051單片機(jī)的壓力表自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為控制核心，由MCU模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、溫度傳感器模塊等功能模塊組成。 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)，使其具有較好的抗干擾能力，保證系統(tǒng)可靠工作。
壓力表是工業(yè)、交通運(yùn)輸、航空及其它許多領(lǐng)域 和部門廣泛應(yīng)用的一種檢測(cè)儀表。為了給生產(chǎn)和科 研提供質(zhì)量保證，要確保壓力表精度、可靠性等性 能。壓力表的精度會(huì)隨時(shí)間的推移發(fā)生變化，必須要 對(duì)壓力表進(jìn)行定期的校驗(yàn)。傳統(tǒng)的壓力校驗(yàn)大都采 用人工調(diào)節(jié)和手動(dòng)敲擊的方式，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、工 作條件差、校驗(yàn)效率低，準(zhǔn)確度也很難得到保證。隨 著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)進(jìn)行壓力校驗(yàn)已經(jīng) 成為可能。C8051單片機(jī)的便攜式壓力表檢測(cè)系統(tǒng)， 可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種壓力表的自動(dòng)檢測(cè)，系統(tǒng)以液晶 屏顯示測(cè)量結(jié)果，并可根據(jù)需要打印測(cè)量的結(jié)果，與 現(xiàn)有的檢測(cè)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)功能精簡(jiǎn)，操作智能 化，人機(jī)接口友好。
1.方案設(shè)計(jì)與論證
為滿足油田壓力儀表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的需要，提出開 發(fā)一種內(nèi)嵌壓力源、能自動(dòng)完成校驗(yàn)過程的一體化 壓力表自動(dòng)校驗(yàn)。本系統(tǒng)采用基于C8051F020單片 機(jī)的可編程控制系統(tǒng)方案,由壓力發(fā)生器（壓力校驗(yàn) 栗)、液晶顯示、CONST211數(shù)字壓力表、打印機(jī)、系 統(tǒng)校驗(yàn)軟件以及它們之間的專用通訊電纜構(gòu)成。系 統(tǒng)配以高精度的放大單元及A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行嚴(yán)密 的零點(diǎn)及滿量程溫度誤差的補(bǔ)償，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各 種數(shù)據(jù)的處理、分析、計(jì)算。通過面板薄膜開關(guān)作為 控制鍵盤，實(shí)現(xiàn)各種功能的設(shè)置。測(cè)量結(jié)果由液晶顯 示器顯示或通過RS-232接口輸出至計(jì)算機(jī)。下面 在系統(tǒng)總體組成框圖的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)主要部 分的方案設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體組成框圖（圖l)。
1.1控制器方案選擇
C8051F020是集模擬和數(shù)字信號(hào)為一體的混合 信號(hào)系統(tǒng)高速單片機(jī)，它具有與MCS-51指令完全 兼容的CIP-51內(nèi)核，具有所有8052外設(shè)器件，采 用流水線指令結(jié)構(gòu)，貼片封裝，體積小，運(yùn)算速度快。 此外，C8051F020單片機(jī)還具有豐富的I/O，具有高 達(dá)20個(gè)中斷源，而且具有豐富的外設(shè)UART，SPI、ADC、定時(shí)器等。該單片機(jī)具有高達(dá)128k的FLASH 和8k+256的RAM,因此無需外部擴(kuò)展便可實(shí)現(xiàn)高 速運(yùn)算和掉電存儲(chǔ)，并具有JTAG接口，便于在線調(diào) 試，非常適合于各種工業(yè)控制和儀表的使用。
1.2標(biāo)準(zhǔn)壓力表選擇
基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)壓力表應(yīng)考慮如下幾個(gè)因素：首先 是標(biāo)準(zhǔn)壓力表的精度應(yīng)盡可能的高，至少應(yīng)比被測(cè) 儀表高2個(gè)數(shù)量級(jí)；其次是標(biāo)準(zhǔn)壓力表的可靠性要 高，要經(jīng)久耐用。基于以上原則，選擇康斯特儀表科 技有限公司的CONST211系列的數(shù)字壓力表，測(cè)量 精度為0.02%~0.2%FS。它非常適合于現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn) 室使用，完成精密壓力測(cè)量和一般壓力表、精密壓力 表等壓力儀表的校驗(yàn)工作。
1.3信號(hào)調(diào)理模塊
為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制安全，除了采用標(biāo)準(zhǔn)壓力 表采集壓力外，還另外安裝了獨(dú)立的壓力模塊作為 系統(tǒng)的安全控制，當(dāng)壓力模塊測(cè)到的壓力超過安全 值時(shí)，壓力源自動(dòng)卸壓以保證系統(tǒng)安全。但壓力模塊 產(chǎn)生的信號(hào)很微弱，需要進(jìn)行調(diào)理和放大。信號(hào)調(diào)理 電路（圖2)，增益可調(diào)的AD603的放大倍數(shù)可以通 過單片機(jī)調(diào)節(jié)，由微控制器來判斷當(dāng)前信號(hào)幅度的 大小，經(jīng)過一定的運(yùn)算處理后給出一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字量控制信號(hào)，然后經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的模 擬量來控制放大電路的增益，可以輸出電壓的連續(xù) 變化。
1.4鍵盤模塊選擇
ZLG7289集成按鍵處理芯片是周立功公司生產(chǎn) 的一種具有串行接口，同時(shí)聯(lián)接64個(gè)按鍵并同時(shí)驅(qū) 動(dòng)8位共陰數(shù)碼管智能驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)含去抖和掃描 電路，并具有按鍵觸發(fā)中斷的功能，大大提高效率， 因此作為鍵盤模塊。
1.5顯示模塊方案選擇
采用OCM12864-8圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，該顯 示器具有明顯的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜、微功耗、尺 寸小、薄輕巧，其次顯示信息量大、字跡清晰、美觀、 視覺舒服，因此選擇此方案。
2.理論分析與計(jì)算
產(chǎn)生高精度的、穩(wěn)定的定點(diǎn)壓力是整個(gè)壓力表 自動(dòng)檢定系統(tǒng)的關(guān)鍵，標(biāo)準(zhǔn)壓力控制的難點(diǎn)在于如 何兼顧壓力產(chǎn)生的精度及速度。目前，PID控制一直 是比較常用的控制方法，優(yōu)點(diǎn)在于其穩(wěn)定性比較好， 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。但對(duì)于具有時(shí)變或者滯后等特點(diǎn)的 復(fù)雜系統(tǒng)，PID控制器就難以發(fā)揮其特長(zhǎng)。模糊控制 理論的出現(xiàn)，解決了 PID在這方面的弱點(diǎn)。模糊PID 控制是以模糊集合論，模糊語言變量和模糊邏輯推 理為基礎(chǔ)的一種數(shù)字控制，它以誤差e和誤差變化 ec作為輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn) 行修改，以滿足不同誤差e和誤差變化ec對(duì)控制參 數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（圖3).
實(shí)現(xiàn)模糊控制可用2種方法：①直接用硬件實(shí) 現(xiàn)模糊算法，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，硬件消耗大；②采用離線 設(shè)計(jì)，得出模糊控制表,然后通過快速査表法實(shí)現(xiàn)模 糊控制。這里采用后者。
3.程序設(shè)計(jì)
測(cè)量系統(tǒng)軟件有以下幾個(gè)模塊：鍵盤控制模塊， 顯示模塊，計(jì)算及控制模塊，通訊控制模塊等，軟件 控制由C8051F020單片機(jī)實(shí)現(xiàn)首先數(shù)字壓力表 產(chǎn)生的壓力通過標(biāo)準(zhǔn)RS-232協(xié)議傳給單片機(jī)，單 片機(jī)接受鍵盤發(fā)的控制命令，運(yùn)行對(duì)應(yīng)的控制程序， 產(chǎn)生控制輸出，控制壓力發(fā)生器工作，產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè) 試壓力。同時(shí)在液晶顯示器上顯示相應(yīng)的控制命令 和壓力輸出值，另外可根據(jù)需要進(jìn)行打印輸出。在這 —過程中，如果壓力傳感器測(cè)得的壓力值超限，系統(tǒng) 將自動(dòng)泄壓，以保護(hù)人員及設(shè)備安全。單片機(jī)軟件流 程（圖4)。
4.系統(tǒng)測(cè)試
硬件部分測(cè)試:硬件電路焊接后，按照分模塊進(jìn) 行測(cè)試，判斷電路是否存在短路、虛焊，硬件部分全 部焊接完畢后，采用自制電源給硬件電路供電。
軟件部分系統(tǒng)測(cè)試:采用自下而上調(diào)試的方法， 先對(duì)每個(gè)編程模塊，進(jìn)行測(cè)試，最后組合每個(gè)模塊的 功能進(jìn)行軟件部分整體測(cè)試。
系統(tǒng)整體測(cè)試：首先主機(jī)發(fā)送信號(hào)給造壓系統(tǒng)， 控制造壓系統(tǒng)產(chǎn)生所需要的標(biāo)準(zhǔn)壓力，標(biāo)準(zhǔn)壓力表 顯示壓力值，同時(shí)通過RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口向主機(jī)傳 輸實(shí)時(shí)壓力值，另外主機(jī)同時(shí)開始讀取由壓力標(biāo)準(zhǔn) 傳感器反饋回來的電壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為壓力信 號(hào)；最后主機(jī)對(duì)獲取的壓力值和標(biāo)準(zhǔn)傳感器指示的 壓力進(jìn)行分析處理，完成壓力表的檢驗(yàn)，并將最終的 結(jié)果保存以方便以后査閱。
5.總結(jié)
將C8051F020單片機(jī)的可編程控制系統(tǒng)應(yīng)用 于壓力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。通過采用先進(jìn)的壓力測(cè)量技 術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了壓力計(jì)量?jī)x表檢定數(shù)據(jù)的 自動(dòng)采集、自動(dòng)處理和自動(dòng)打印。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) 0.25級(jí)以下精密壓力表的半自動(dòng)化檢定，能夠滿足 對(duì)各種類型壓力計(jì)量?jī)x表的檢定要求。該系統(tǒng)的投 用大大減輕了檢定人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提高了 壓力表檢定的工作效率和檢定測(cè)試的準(zhǔn)確性，故有 良好的推廣和使用價(jià)值。
