智能压力变送器的设计与实现

王政

【摘要】：智能压力变送器在工业的测量和控制过程中起着非常重要的作用，应用也很广泛，可以测量各种介质在液体、气体与蒸汽的压力、差压和绝压，而且测量结果比较精确，成为工业生产必不可少的设备仪器。为了满足市场的需求，可以使变送器带有总线的功能，这样更方便操作控制，实现高精度的测量。本文主要从智能压力变送器的概述、智能压力变送器的硬件设计与实现和智能压力变送器的软件设计与实现这三个方面做了详细的阐述。

【关键词】：智能压力变送器；硬件设计；软件设计

一、智能压力变送器的概述

智能压力变送器在工业的测量和控制过程中起着非常重要的作用，应用也很广泛，可以测量各种介质在液体、气体与蒸汽的压力、差压和绝压，而且测量结果比较精确，成为工业生产必不可少的设备仪器。智能压力变送器主要有顶部和底部两部分组成，顶部都是电子部件，像电路板、软件和HMI等都在顶部，主要是处理传感器的信号；底部主要是由传感器构成，传感器主要分为压力传感器和温度传感器。本文主要说的是压力传感器，压力传感器的种类有硅压阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器和谐振硅传感器这四种。

智能压力变送器不仅体积小、重量轻、而且测量结果比较精确，还具有通讯功能，对现场的各种状况能及时显示出来，这样实现了人机的交流。它的功能主要体现在以下几个方面：首先是硬件方面，智能压力变送器主要将微处理器技术与数字通信相结合，充分利用了先进的科学技术，并且应用了A/D转换器和集成电路，这些所占空间比较小，从而使智能压力变送器具有体积小、性能高的特点，这也是它与模拟变送器的最大不同之处；其次，在性能指标上，智能压力变送器的性能要比模拟压力变送器的性能高很多，在生产过程中变送器一单出现非一致性就会使变送器的输入和输出出现问题，这样通过使用一些软件进行改进从而使性能不断提高，精度性也越来越好；再次是在线组态。

一、 智能压力变送器的硬件设计与实现

根据压力变送器的传感器原理、结构和设计机构不同，种类也多种多样，对于智能压力变送器硬件的电路板设计开发主要是电路板计算机辅助设计软件。智能压力变送器的工作原理是：首先通过压力传感器测量被测介质的压力，然后通过转换器将信号转换为模拟量电信号，再将信号传送到单片机，单片机将这些信号处理后经过数模转换器和HART通信电路处理，使这些压力和温度的参数转换成了4-20mA的标准直流信号，这样就能将这些数据信息及进行及时的处理。

对智能传感器的硬件设计与实现首先是压力传感器，一般采用的是电容式传感器，它具有很好的抗冲击性和抗震动性，能够使检测结果更稳定和准确；其次是温度采样电路，将高精度的温度传感器嵌入到智能压力传感器的金属密封室里，能够提高精度和变送器由于环境影响而产生的非线性补偿功能；再次是微处理器，它是硬件系统设计中的核心部分，也是硬件设计中最关键的一个环节；大多数智能传感器采用单片机微处理器，具有很强大的功能，不仅功耗低、运行快、精度高，而且价格合理，应用十分广泛；然后是通讯模块，通常采用HART现场通讯协议，该协议就是在模拟的4-20mA的信号上叠加一个数字信号，其信号交流是对称的，对模拟信号不会产生干扰；最后是HMI人际界面，通常采用LCD作为现场知识来显示参数和组态信息，通过LCD的显示能够提高对系统的监控和设备系统的维护，LCD显示器是将LCD面板与LCD驱动器结合在一起然后再将其连接到单片机的控制窗口，LCD的控制主要是通过参数初始化、循环主程序和屏幕刷新程序进行控制的。

二、 智能压力变送器的软件设计与实现

智能压力变送器的软件结构一般是嵌入式的结构，其运行程序是按照相应的流程进行王府循环，如果遇到突发事件就会终端的一种结构。智能压力变送器的软件编写主要使用模块化的结构，软件结构主要分为监控程序、测控程序和通信程序。其中监控程序是整个软件系统的核心部分，关系到整个系统的控制和运行，它包括指示表头检测、系统自检测和初始化，测量控制程序主要包括输出数据、k洗漱补偿、输入数据和数据采集，通信程序主要包括应用层实现、通信发送和通信接受这三个部分。

首先是对温度补偿程序的设计，本文主要此阿勇电容式的传感器，它的测量精度会由于外部环境的变化而发生很大改变，因此要对其进行温度补偿，可以通过神经网络法和最小二乘法对其进行计算，计算结果为温度补偿在-20-70摄氏度；其次是对k系数程序设计，由于电容式的传感器制造工艺存在不足使其性能得不到保证，有时候用同一个量程段，在输出上就会有误差，因此一般采用A/D采样值进行转换，使测量范围与量程有对应的关系；再次是要对线性化程序设计，该部分主要是采用高精度的标准压力源对传感器的零点进行补偿，来对输出特性进行特征化处理从而而不断达到输出特性的设计要求；最后是对HART通讯程序进行设计，该协议的数据格式为前导码的字节长度为5-20，定界符，、命令字节和校验字节的字节长度都为1，地址的字節程度为1-5，数据的长度为0-25，响应的字节长度为2。

【参考文献】

[1]金黎华. 智能压力变送器的设计与实现[D].大连理工大学，2013.

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