電站壓力參數(shù)的單片微機檢測儀

摘　要　介紹一種以單片微機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度、可遠(yuǎn)距離傳送測量數(shù)據(jù)進行集中監(jiān)控等優(yōu)點。

　　發(fā)電廠(站)的壓力參數(shù)包括發(fā)電機、汽輪機、水輪機等旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備在運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)機械設(shè)備的運行狀態(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。在單片微機的管理下，檢測儀的測量過程完全是自動進行的，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打印，也可以送至上位計算機進行遠(yuǎn)距離集中監(jiān)控，便于實現(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，采用了基本差動運算放大電路。

　　由于檢測儀具有對多路測壓點進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，在把它輸入單片機運算處理之前，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。

　　由于單片機本身提供的資源如I／O口、定時器／計數(shù)器、串行口等不能滿足要求，因此需要在單片機上擴展其它外圍接口芯片。由于MCS-51系列單片機的外部RAM和I／O是統(tǒng)一編址的，所以可以把單片機外部64 KB RAM空間的一部分作為擴展I／O的地址空間，這樣單片機就可以象訪問外部RAM一樣訪問外部接口芯片，對其口進行讀寫操作。檢測儀采用具有I／O接口和計時器的靜態(tài)RAM8155作為I／O并行接口電路。

　　撥碼盤分為始點值撥碼盤和終點值撥碼盤，其作用是根據(jù)實際需要設(shè)置當(dāng)檢測儀進行巡回檢測時的輸入通道始點值和終點值。

　　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)置的量程進行運算，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�。�通信接口電路的作用是把測量結(jié)果用打印機打印出來，或把測量數(shù)據(jù)傳至上位計算機進行遠(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)模擬放大電路進行線性放大，然后由多路轉(zhuǎn)換器的模擬電子開關(guān)進行選擇，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進行運算，運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的數(shù)據(jù)，使此數(shù)據(jù)與其它采樣點的數(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，又可濾去小的隨機干擾。

4　技術(shù)指標(biāo)和性能評價

　　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)電機組上連續(xù)運行了超過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)是一種由單片微機控制的智能儀器，完全實現(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�。�通信接口，可以很方便地隨時把檢測結(jié)果送至打印機列表打印，或送至上位計算機進行遠(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，測量準(zhǔn)確度高；性能穩(wěn)定，不需要專門的維護保養(yǎng)。
 

作者：華南理工大學(xué)電力學(xué)院 何志偉　黃少先　張岳勻 

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