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電站壓力參數(shù)的單片微機(jī)檢測儀
摘 要 介紹一種以單片微機(jī)為核心的可測量壓力的新型智能儀器。該檢測儀可消除現(xiàn)在普遍使用的現(xiàn)場安裝壓力表或短距離毛細(xì)管傳輸壓力表所存在的觀察不便的缺陷，具有測量準(zhǔn)確、能減輕值班人員勞動強(qiáng)度、可遠(yuǎn)距離傳送測量數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)電廠(站)的壓力參數(shù)包括發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)、水輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中需要測量的各處油壓、汽壓或水壓。由于這些壓力參數(shù)可以反映出旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，所以只有準(zhǔn)確地加以測量，才能使上述設(shè)備的正常運(yùn)行有保障�，F(xiàn)在發(fā)電廠(站)使用的各種壓力測量儀，一般都采用現(xiàn)場安裝壓力表或短距離毛細(xì)管傳輸壓力表，需要安裝在要測量的壓力現(xiàn)場附近，由值班人員定時巡查記錄。這樣的測量方式，不但值班人員勞動強(qiáng)度大，而且無法做到隨時觀察各處壓力參數(shù)的變化，難以預(yù)防事故發(fā)生于未然。
本文介紹的單片微機(jī)壓力檢測儀，是一種能夠遠(yuǎn)距離測量壓力參數(shù)的智能儀器。在單片微機(jī)的管理下，檢測儀的測量過程完全是自動進(jìn)行的，工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換操作也非常簡單，測量結(jié)果既可以用顯示器顯示或打印機(jī)打印，也可以送至上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離集中監(jiān)控，便于實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠(站)管理的自動化和現(xiàn)代化。
1 電路的構(gòu)成和原理
檢測儀共有8路檢測通道，各路通道的模擬放大電路及基準(zhǔn)電源電路均相同，而壓力傳感器的輸入則按實(shí)際需要選擇不同量程的壓力傳感器。壓力傳感器分別為各路壓力檢測通道的測壓元件，當(dāng)壓力作用于傳感器時，芯片上的電橋在壓力的作用下出現(xiàn)不平衡，輸出正比于壓力變化的電壓信號，基準(zhǔn)電源采用恒流源電路給電橋供電。從傳感器輸出的信號是比較小的，須經(jīng)過模擬放大電路放大。為了消除放大電路的輸出端的溫漂，采用了基本差動運(yùn)算放大電路。
由于檢測儀具有對多路測壓點(diǎn)進(jìn)行自動巡回檢測的功能，所以需用自動轉(zhuǎn)換開關(guān)對多個壓力傳感器送出的信號進(jìn)行選取。為此，采用了CMOS 8選1多路模擬開關(guān)(選用4051)，由它控制8路通道的通斷狀態(tài)，相當(dāng)于一個單刀八擲開關(guān)。從多路轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出的信號是模擬量，在把它輸入單片機(jī)運(yùn)算處理之前，必須先轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，完成這一功能的電路就是A／D轉(zhuǎn)換器。檢測儀使用了MC1433雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器，其工作原理是將輸入電壓變換成與其平均值成正比的時間間隔，然后用計(jì)數(shù)器記下此時間間隔內(nèi)的時基脈沖的數(shù)目。
由于單片機(jī)本身提供的資源如I／O口、定時器／計(jì)數(shù)器、串行口等不能滿足要求，因此需要在單片機(jī)上擴(kuò)展其它外圍接口芯片。由于MCS-51系列單片機(jī)的外部RAM和I／O是統(tǒng)一編址的，所以可以把單片機(jī)外部64 KB RAM空間的一部分作為擴(kuò)展I／O的地址空間，這樣單片機(jī)就可以象訪問外部RAM一樣訪問外部接口芯片，對其口進(jìn)行讀寫操作。檢測儀采用具有I／O接口和計(jì)時器的靜態(tài)RAM8155作為I／O并行接口電路。
撥碼盤分為始點(diǎn)值撥碼盤和終點(diǎn)值撥碼盤，其作用是根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置當(dāng)檢測儀進(jìn)行巡回檢測時的輸入通道始點(diǎn)值和終點(diǎn)值。
撥碼開關(guān)的每一位數(shù)碼開關(guān)對應(yīng)一路輸入通道，并用來設(shè)置該通道的測量范圍。當(dāng)一輸入通道壓力輸入量程不大于2.000 MPa時，該通道的撥碼開關(guān)設(shè)置為“OFF”；當(dāng)一輸入通道壓力輸入量程大于2.000 MPa時，該通道的撥碼開關(guān)設(shè)置為“ON”。檢測儀將根據(jù)撥碼開關(guān)設(shè)置的量程進(jìn)行運(yùn)算，以提高低壓力量程范圍的數(shù)據(jù)精度。
顯示譯碼電路(74LS247)則將BCD碼譯成十進(jìn)制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示壓力檢測通道的序號和各測壓點(diǎn)的壓力值。
操作顯示電路的作用是用來切換及顯示檢測儀的工作狀態(tài)。
打�。ㄐ沤涌陔娐返淖饔檬前褱y量結(jié)果用打印機(jī)打印出來，或把測量數(shù)據(jù)傳至上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控。
檢測儀的工作原理是這樣的：每一路通道的壓力傳感器的輸出信號經(jīng)模擬放大電路進(jìn)行線性放大，然后由多路轉(zhuǎn)換器的模擬電子開關(guān)進(jìn)行選擇，并經(jīng)濾波后，由A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)I／O并行接口輸入到單片微機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算處理后的通道號和壓力值最后經(jīng)I／O并行接口送至顯示譯碼器進(jìn)行譯碼顯示。
2 壓力檢測主程序
按照檢測儀的工作原理而設(shè)計(jì)的壓力檢測主程序的流程圖如圖2所示。
3 抗干擾措施
3.1 硬件的抗干擾措施
在電源方面，一是在交流部分連接了壓敏電阻，從而隔離了可能出現(xiàn)的尖峰過電壓；二是對某些單元電路采用恒壓集成塊供電，如恒流源電路的基準(zhǔn)電壓和A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓均是這樣處理。其次，在多路轉(zhuǎn)換器輸出線與A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓Ux引腳之間，串接了一個二階有源低通濾波器，它能夠有效地抑制高頻干擾信號。此外，檢測儀采用的A／D轉(zhuǎn)換器是雙積分型，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入電壓在采樣階段所經(jīng)歷的時間內(nèi)的平均值成正比，故對對稱交流干擾或尖峰脈沖干擾具有很強(qiáng)的抑制能力。
3.2 軟件的抗干擾措施
對于來自被測信號源本身、傳感器或外界干擾等干擾源的不規(guī)則的隨機(jī)干擾信號，可以用數(shù)字濾波方法予以削弱或消除。由于在工業(yè)測量和控制等應(yīng)用場合，經(jīng)常會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象，這種干擾通常只會影響個別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使此數(shù)據(jù)與其它采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差較大，所以采用了防脈沖干擾平均值法。此法類似于體操比賽等采用的評分方法，既可濾去脈沖干擾，又可濾去小的隨機(jī)干擾。
4 技術(shù)指標(biāo)和性能評價(jià)
本檢測儀可在0～50 ℃的環(huán)境下正常工作，壓力測量范圍為0～10 MPa，測量分辨率為0.001 MPa，壓力傳感器的輸入通道可達(dá)8個。為了便于安裝和使用，其外殼采用了面板式儀表的國際標(biāo)準(zhǔn)外形結(jié)構(gòu)。
這種檢測儀已在某水電站2臺1.6 MW水輪發(fā)電機(jī)組上連續(xù)運(yùn)行了超過2 a時間，工作情況一直正常。
與現(xiàn)在普遍使用的發(fā)電站壓力檢測儀相比，本檢測儀有著顯著的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在如下方面：
a)是一種由單片微機(jī)控制的智能儀器，完全實(shí)現(xiàn)對發(fā)電廠(站)壓力參數(shù)的現(xiàn)場外全自動檢測。利用其配備的打印／通信接口，可以很方便地隨時把檢測結(jié)果送至打印機(jī)列表打印，或送至上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離集中監(jiān)控。
b)具有多通道壓力檢測功能，每一通道的壓力傳感器均配置相同且獨(dú)立的模擬放大電路與恒流源電路，并采用了多路轉(zhuǎn)換的電子模擬開關(guān)，使得檢測儀能長期穩(wěn)定和可靠地運(yùn)行。
c)結(jié)構(gòu)簡單，成本不高，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作方便；抗干擾能力強(qiáng)，測量準(zhǔn)確度高；性能穩(wěn)定，不需要專門的維護(hù)保養(yǎng)。
作者：華南理工大學(xué)電力學(xué)院 何志偉 黃少先 張?jiān)绖?nbsp;
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