數(shù)字式壓力表的制作與應(yīng)用.doc

數(shù)字顯示儀表課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 過(guò)程控制儀器儀表設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)訓(xùn) 題 目 數(shù)字式壓力表的制作與應(yīng)用 學(xué) 院 電氣信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化15-4班 學(xué)生姓名 孫宇 學(xué)生學(xué)號(hào) 150601140421 指導(dǎo)教師 王婷婷 吳攀超 2017年 7 月 28 日東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課程 過(guò)程控制儀器儀表設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)題目 數(shù)字式壓力表的制作與應(yīng)用專(zhuān)業(yè) 自動(dòng)化 姓名 孫宇 學(xué)號(hào) 150601140421主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等主要內(nèi)容：在面包板上安裝一臺(tái)用單片A/D轉(zhuǎn)換器7107或7106組成的通用表頭。配接壓力傳感器（應(yīng)變片式、擴(kuò)散硅式或其它類(lèi)型壓力傳感器），制成數(shù)字壓力顯示儀表；并根據(jù)裝置的特點(diǎn)，掌握該儀表在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。基本要求：1. 學(xué)習(xí)數(shù)字顯示儀表原理；2. 設(shè)計(jì)、繪制電路連接圖；3. 能夠獨(dú)立完成數(shù)字顯示儀表表頭的焊接、制作、調(diào)試；4. 掌握該儀表在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用并撰寫(xiě)報(bào)告。參考資料：1張?zhí)齑?楊慧敏.數(shù)字顯示儀表課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)M.大慶：大慶石油學(xué)院自編教材， 2008.2沙占友.新型數(shù)字電壓表原理與應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.3任致程.數(shù)字電工儀表應(yīng)用電路400例M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.完成期限 2017.07.10 - 2017.07.28 指導(dǎo)教師 專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人 過(guò)程控制儀器儀表設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)目錄第1章 數(shù)顯壓力儀表工作原理11.1 數(shù)字顯示儀表的發(fā)明11.2 數(shù)字式壓力表的原理11.3數(shù)顯儀表的結(jié)構(gòu)21.4數(shù)字式壓力表的主要技術(shù)指標(biāo)2第2章 數(shù)顯壓力儀表設(shè)計(jì)方案42.1 ICL7107雙積分A/D轉(zhuǎn)換器42.2 LED顯示器52.3 其他集成原件5第3章 數(shù)顯壓力儀表的制作73.1 數(shù)顯部分的制作73.2 將數(shù)顯部分、電源部分與其他部分組合7第4章 數(shù)顯壓力儀表的應(yīng)用94.1 儀表用途94.2 應(yīng)用行業(yè)94.3 注意事項(xiàng)9第5章 結(jié)論與體會(huì)10參考文獻(xiàn)11第1章 數(shù)顯壓力儀表工作原理數(shù)字式顯示儀表是一種具有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器并以十進(jìn)制數(shù)碼形式顯示被測(cè)變量值的儀表，它與各種傳感器、配送器配套，可以顯示出各種不同的參數(shù)。數(shù)字式儀表具有精度高、功能全、速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，體積小、耗電低、讀數(shù)直觀，且能將測(cè)量結(jié)果以數(shù)字形式輸入計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。1.1 數(shù)字顯示儀表的發(fā)明20世紀(jì)50年代初，世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)數(shù)字顯示儀表。近五十年來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀表中的應(yīng)用，使數(shù)字儀表很快地從電子管式、晶體管式發(fā)展到目前集成電路式和帶有微處理器的數(shù)字儀表。數(shù)字儀表的出現(xiàn)適應(yīng)了科學(xué)技術(shù)及自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中高速、高準(zhǔn)確度測(cè)量的需要，它具有模擬儀表無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字式顯示儀表是一種具有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器并以十進(jìn)制數(shù)碼形式顯示被測(cè)變量值的儀表，它與各種傳感器、變送器配套，可以顯示出各種不同的參數(shù)。與模擬顯示儀表相比，數(shù)字式儀表具有精度高、功能全、速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它體積小、耗電低、讀數(shù)直觀，且能將測(cè)量結(jié)果以數(shù)字形式輸入計(jì)算機(jī)，以而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。1.2 數(shù)字式壓力表的原理數(shù)字式壓力計(jì)主要由傳感器、采集器、放大電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算電路、A/D轉(zhuǎn)換器、顯示器等構(gòu)成。圖1-1為儀表構(gòu)成框圖。顯示A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)運(yùn)算放大傳感器采集器圖1-1 儀表構(gòu)成框圖其中，傳感器的精度、采集器的精度、A/D轉(zhuǎn)換器的精度對(duì)壓力的測(cè)量精度起主要作用。故在傳感器的選擇與電路設(shè)計(jì)上要充分考慮這一點(diǎn)，以免壓力計(jì)產(chǎn)生過(guò)大的離散而達(dá)不到所需的測(cè)試精度。1.3數(shù)顯儀表的結(jié)構(gòu)不帶微處理器的儀表，通常用運(yùn)算放大器和中、大規(guī)模集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)；帶微處理器的儀表，是借助軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)原理框圖中的有關(guān)功能。不帶微處理器的數(shù)顯儀表一般應(yīng)具備模數(shù)轉(zhuǎn)換，非線性補(bǔ)償及標(biāo)度變換三大部分，這三部分又各有很多種類(lèi)，三者間相互巧妙的組合，可以組成適應(yīng)于各種不同要求場(chǎng)合的數(shù)字式顯示儀表。盡管數(shù)字儀表的品種繁多，原理各不相同，但其基本構(gòu)成形式可由圖1-2所示的主要環(huán)節(jié)組成。模一數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字儀表的核心，以它為中心，將儀表分為模擬和數(shù)字兩大部分。被測(cè)對(duì)象傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)譯碼模擬開(kāi)關(guān)時(shí) 鐘邏 輯 控 制 電 路標(biāo)度變換基準(zhǔn)源線性化器數(shù)字顯示打印記錄數(shù)碼輸出報(bào)警系統(tǒng)前置放大圖1-2 數(shù)顯儀表的基本構(gòu)成儀表的數(shù)字部分一般設(shè)有濾波、前置放大器和模擬開(kāi)關(guān)等環(huán)節(jié)。來(lái)自傳感器或變送器的統(tǒng)一電量信號(hào)一般都比較微弱，并且包含著在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾成分，因此在其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量前，首先要進(jìn)行濾波與放大。前置放大器就是用來(lái)提高儀表的靈敏度、輸入阻抗及信號(hào)的信噪比。儀表的數(shù)字部分一般由計(jì)數(shù)器、譯碼器、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)顯示電路以及邏輯控制電路組成。在數(shù)字儀表中，邏輯控制電路起著指揮整個(gè)儀表各部分協(xié)調(diào)工作的作用。它是數(shù)字儀表中不可缺少的環(huán)節(jié)之一。另外，高穩(wěn)定的基準(zhǔn)電源和工作電源也是數(shù)字儀表的重要組成部分。被放大的模擬信號(hào)有模-數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量后，經(jīng)譯碼、驅(qū)動(dòng)，送到顯示器件中進(jìn)行數(shù)字顯示。也可以送到報(bào)警系統(tǒng)和打印系統(tǒng)中去，進(jìn)行報(bào)警和記錄打印。 1.4數(shù)字式壓力表的主要技術(shù)指標(biāo)（一）顯示位數(shù)以十進(jìn)制顯示被測(cè)變量值的位數(shù)稱為顯示位數(shù)。能夠顯示“09”的數(shù)字位稱為“滿位”；僅顯示1或不顯示的數(shù)字位，稱為“半位”或“位”。工業(yè)用數(shù)字溫度顯示儀表的顯示數(shù)常為3位，可顯示-19991999。高精度的數(shù)字表顯示位數(shù)目前達(dá)到8位。（二）儀表的量程儀表標(biāo)稱范圍的上、下限之差的模，稱為儀表的量程。量程有效范圍上限值為滿度值。（三）精度目前數(shù)字式顯示儀表的精度表示法有三種：滿度的a%n字、讀數(shù)的a%n字、讀數(shù)的a%滿度的b%。（四）分辨力和分辨率數(shù)字儀表的分辨力是指末位數(shù)字改變一個(gè)字所對(duì)應(yīng)的被測(cè)變量的最小變化值，它表示了儀表能夠檢測(cè)到的被測(cè)量最小變化的能力。數(shù)字式顯示儀表在不同量程下的分辨力是不同的，通常在最低量程上具有最高的分辯力，并以此作為該儀表的分辨力指示。分辨率指儀表顯示的最小值與最大數(shù)值之比。（五）輸入阻抗數(shù)字式顯示儀表是一種高輸入阻抗的儀表，輸入阻抗可達(dá)1012。（六）抗干擾能力數(shù)字式顯示儀表一般用串模干擾抑制比和共模干擾抑制比來(lái)表征抗干擾能力大小。串模干擾抑制比（SMR）為：SMR=20lg共模干擾抑制比（CMR）為：CMR=20lgSMR和CMR的單位是分貝，數(shù)值越大，表示數(shù)字儀表的抗干擾能力越強(qiáng)，一般直流電壓型數(shù)顯儀表的串模干擾抑制比為2060dB，共模干擾抑制比為120160dB。第2章 數(shù)顯壓力儀表設(shè)計(jì)方案2.1 ICL7107雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107CPL是三位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器大規(guī)模集成電路，其輸出極為異或門(mén)結(jié)構(gòu)。它的作用是把輸入電壓信號(hào)變?yōu)閿?shù)字輸出，并驅(qū)動(dòng)顯示器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含模擬和數(shù)字兩大部分。模擬部分包括積分器、模擬開(kāi)關(guān)、過(guò)零比較器等電路。數(shù)字部分包括時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、分頻器、譯碼器、控制器、相位驅(qū)動(dòng)器等電路。ICL7107還有以下特點(diǎn)：內(nèi)部有自動(dòng)穩(wěn)零電路，保證零電壓輸入時(shí)，讀數(shù)為零；內(nèi)部有極性判別電路，即使輸入電壓很小也能正確區(qū)別極性，并顯出來(lái)；內(nèi)部有時(shí)鐘電路，可以外接RC器件，產(chǎn)生自激振蕩；內(nèi)含供A/D轉(zhuǎn)換必需的基準(zhǔn)穩(wěn)壓源，可不用外接基準(zhǔn)電源；輸出為3位七段譯碼信號(hào)，可直接驅(qū)動(dòng)LED；與其他CMOS集成電路相同，這些電路具有輸入電阻高等特點(diǎn)。ICL7107采用標(biāo)準(zhǔn)的雙列直插40引線封裝，引線排列如圖2-1所示?？稍?15V單電源條件下工作。圖2-1 ICL7107管腳排列ICL7107模擬部分每個(gè)轉(zhuǎn)換周期分為自校零位、信號(hào)積分（采樣）、反相積分（比較）三個(gè)階段：自校零（A/Z）階段、信號(hào)積分(INT)階段、反相積分（DE）階段。根據(jù)雙積分轉(zhuǎn)換原理求得結(jié)果為：N=T1V1/TCPVREF雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器地優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)積元件的質(zhì)量要求不高，時(shí)鐘振蕩器可以使用普通的阻容元件代替石英晶體，抗干擾能力強(qiáng)。它作為一種低速、高精度A/D轉(zhuǎn)換器，在數(shù)字儀表中廣泛應(yīng)用。2.2 LED顯示器數(shù)碼顯示是用來(lái)顯示數(shù)字、文字或符號(hào)的器件，現(xiàn)在已有多種不同類(lèi)型的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用與多種數(shù)字設(shè)備中。目前，數(shù)碼顯示器正朝著小型、多位、多彩、平面化的方向發(fā)展。將條狀發(fā)光二極管按照共陽(yáng)極（正極）或共陰極（負(fù)極）的方式連接，并組成“8”字型發(fā)光二極管，另一極做筆畫(huà)電極，就構(gòu)成了LED數(shù)碼顯示器。只要按規(guī)定使某些筆畫(huà)的發(fā)光二極管發(fā)光，就能組成09的一系列數(shù)字。其原理如圖2-2所示。圖2-2 管腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)LED顯示器一般采用七段，既把七只LED共陽(yáng)極（或共陰極）連接，每段具有單只LED的特性及驅(qū)動(dòng)顯示方法。在各種顯示器中，LCD的功耗最低，LED的發(fā)光響應(yīng)時(shí)間最短，壽命最長(zhǎng)。因此，目前的數(shù)字儀表大多采用LED或LCD顯示器，它們都能由集成電路直接驅(qū)動(dòng)。發(fā)光二極管是采用半導(dǎo)體材料制成的，能將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)的結(jié)型電壓發(fā)光器件。2.3 其他集成原件除了上述主要集成芯片之外還需要LM324、MC1403。（1） LM324運(yùn)算放大器圖2-3 LM324原理圖（2） MC1403基準(zhǔn)電源圖2-4 MC1403實(shí)物圖與原理圖輸出電壓:2.5V、輸入電壓范圍:4.5V40V、輸出電流:10mA第3章 數(shù)顯壓力儀表的制作3.1 數(shù)顯部分的制作根據(jù)繪制的接線圖，首先在面包板上把ICL7107和四個(gè)數(shù)碼管的位置確定好，為了便于顯示，一般要把四個(gè)數(shù)碼管放在上方。然后以接線方便為原則，確定ICL7107的位置。同時(shí)要考慮“+電源”、“地”線的接法。其它芯片、電阻、電容電位器等圍繞ICL7107就近安排位置。3.2 將數(shù)顯部分、電源部分與其他部分組合將LED顯示器、集成部分、數(shù)顯部分、電源部分按照?qǐng)D3-1組合起來(lái)，采用直接耦合的方式連接，就構(gòu)成了數(shù)字顯示儀表。數(shù)字顯示電路部分的安裝在面包板上進(jìn)行，壓力傳感器、電源部分不在面包板上。在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮線路布置合理，強(qiáng)電與弱電之間要留有相當(dāng)?shù)木嚯x。同時(shí)注意220V電源線的引入方向、安全，防止短路，輸出5V電源要有“接線端子”。圖3-1 總電路圖將+5V導(dǎo)線（紅）、-5V導(dǎo)線（黃）和接地線（黑）分別插入面包板相應(yīng)位置，接通電源，數(shù)碼管顯示情況如圖3-2所示。圖3-2 電路板通電之后顯示情況把ICL7107的37腳（燈測(cè)試腳）與+5V電源連接之后顯示“-1888”如圖3-3所示。圖3-3 調(diào)試成功后的面包板第4章 數(shù)顯壓力儀表的應(yīng)用4.1 儀表用途數(shù)字壓力表是采用單片機(jī)控制的在線測(cè)量?jī)x表。它采用電池長(zhǎng)期供電方式、無(wú)需外接電源，安裝使用方便。該系列數(shù)字壓力表可用壓力表、絕壓、差壓的檢測(cè)，其形式品種多樣，分為普通型和防爆型，能滿足各種測(cè)量需要。它從根本上克服了指針式壓力表精度低、可靠性差、損壞率高等諸多缺點(diǎn)。尤其在腐蝕、振動(dòng)等場(chǎng)所使用，更顯其超凡性能。該產(chǎn)品經(jīng)國(guó)家級(jí)計(jì)量部門(mén)、防爆部門(mén)檢定合格，已在石油、化工、電力等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。4.2 應(yīng)用行業(yè)1、油田采油：注水，井口容器設(shè)備壓力測(cè)量；2、原油外輸：動(dòng)力設(shè)備管道泵進(jìn)出口壓力測(cè)量；3、石油化工：生產(chǎn)工藝中的真空，微壓及腐蝕性的氣體，液體壓力測(cè)量；4、液壓系統(tǒng)、制冷、過(guò)程監(jiān)控OEM應(yīng)用；5、高溫介質(zhì)，粘稠介質(zhì)，液體高度測(cè)量；6、空調(diào)、氣體處理設(shè)備、呼吸機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室、壓縮機(jī)等壓力的測(cè)量。產(chǎn)品應(yīng)用:適用于測(cè)量腐蝕性、高粘度、易結(jié)晶、含有固體狀顆粒、濕度較高的液體介質(zhì)的壓力所場(chǎng)合使用，有法蘭連接、螺紋連接等多種型式。4.3 注意事項(xiàng)測(cè)量特殊介質(zhì)時(shí)，要針對(duì)被測(cè)壓力的不同性質(zhì)，采取相應(yīng)的放熱、防腐、防凍、防堵和防塵等措施。例如測(cè)量高溫流體介質(zhì)的壓力時(shí)，為防止熱介質(zhì)與彈性元件直接接觸，壓力儀表之前應(yīng)加裝U形管或盤(pán)旋管等形式的冷凝器，避免因溫度變化對(duì)測(cè)量精度和彈性元件產(chǎn)生影響；測(cè)量高壓流體介質(zhì)的壓力時(shí)，安裝時(shí)壓力儀表表殼應(yīng)朝向墻壁或者無(wú)人通過(guò)之處，以免發(fā)生意外；測(cè)量腐蝕性介質(zhì)的壓力時(shí)，除選擇具有防腐能力的壓力儀表之外，還可加裝隔離裝置，利用隔離罐中的隔離液將被測(cè)介質(zhì)和彈性元件隔離開(kāi)來(lái)。第5章 結(jié)論與體會(huì)我們所設(shè)計(jì)的題目是“數(shù)字式壓力表的原理與應(yīng)用”。通過(guò)三周的設(shè)計(jì)實(shí)踐，我們對(duì)面包板有了充分的認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中碰到了很多難點(diǎn)，例如在安裝數(shù)字式壓力數(shù)顯表頭時(shí)，如果稍有馬虎就會(huì)出現(xiàn)接線錯(cuò)誤，所以要細(xì)心謹(jǐn)慎，電橋不平衡會(huì)使顯示不正確。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，初步了解了從電原理圖到實(shí)際接線所注意的要點(diǎn)，掌握了數(shù)顯儀表原理圖、接線圖的繪制方法，還有原器件的識(shí)別，插接導(dǎo)線的布置。培養(yǎng)了實(shí)際動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)期末測(cè)試之后的課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的作用是非常大的。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的重重困難，需要我們用心去嘗試，摸索，對(duì)我們養(yǎng)成積極思考的習(xí)慣不無(wú)裨益。此外對(duì)我們也是一種性情的錘煉和陶冶。實(shí)踐是對(duì)知識(shí)的運(yùn)用，在運(yùn)用中同時(shí)也加深了我們對(duì)知識(shí)的理解。參考文獻(xiàn)1張?zhí)齑?楊慧敏.數(shù)字顯示儀表課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)M.大慶：大慶石油學(xué)院自編教材， 2008.2沙占友.新型數(shù)字電壓表原理與應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.3任致程.數(shù)字電工儀表應(yīng)用電路400例M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.4黃賢武,鄭筱