數(shù)字式壓力表的制作與應用.doc

數(shù)字顯示儀表課程設計（報告）東 北 石 油 大 學課 程 設 計課 程 過程控制儀器儀表設計與生產(chǎn)實訓 題 目 數(shù)字式壓力表的制作與應用 學 院 電氣信息工程學院 專業(yè)班級 自動化15-4班 學生姓名 孫宇 學生學號 150601140421 指導教師 王婷婷 吳攀超 2017年 7 月 28 日東北石油大學課程設計任務書課程 過程控制儀器儀表設計與生產(chǎn)實訓題目 數(shù)字式壓力表的制作與應用專業(yè) 自動化 姓名 孫宇 學號 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用單片A/D轉換器7107或7106組成的通用表頭。配接壓力傳感器（應變片式、擴散硅式或其它類型壓力傳感器），制成數(shù)字壓力顯示儀表；并根據(jù)裝置的特點，掌握該儀表在工業(yè)生產(chǎn)中的應用?；疽螅?. 學習數(shù)字顯示儀表原理；2. 設計、繪制電路連接圖；3. 能夠獨立完成數(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)中的應用并撰寫報告。參考資料：1張?zhí)齑?楊慧敏.數(shù)字顯示儀表課程設計指導書M.大慶：大慶石油學院自編教材， 2008.2沙占友.新型數(shù)字電壓表原理與應用M.北京：機械工業(yè)出版社,2006.3任致程.數(shù)字電工儀表應用電路400例M.北京：機械工業(yè)出版社,2007.完成期限 2017.07.10 - 2017.07.28 指導教師 專業(yè)負責人 過程控制儀器儀表設計與生產(chǎn)實訓目錄第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)顯儀表的結構21.4數(shù)字式壓力表的主要技術指標2第2章 數(shù)顯壓力儀表設計方案42.1 ICL7107雙積分A/D轉換器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)顯壓力儀表的應用94.1 儀表用途94.2 應用行業(yè)94.3 注意事項9第5章 結論與體會10參考文獻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)轉換器并以十進制數(shù)碼形式顯示被測變量值的儀表，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、抗干擾能力強等優(yōu)點，體積小、耗電低、讀數(shù)直觀，且能將測量結果以數(shù)字形式輸入計算機，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。1.1 數(shù)字顯示儀表的發(fā)明20世紀50年代初，世界上出現(xiàn)了第一臺數(shù)字顯示儀表。近五十年來，隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，尤其是數(shù)字化測量技術、半導體技術、大規(guī)模集成電路技術及計算機技術在儀表中的應用，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)適應了科學技術及自動化生產(chǎn)過程中高速、高準確度測量的需要，它具有模擬儀表無法比擬的優(yōu)點。數(shù)字式顯示儀表是一種具有模/數(shù)轉換器并以十進制數(shù)碼形式顯示被測變量值的儀表，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、抗干擾能力強等優(yōu)點，它體積小、耗電低、讀數(shù)直觀，且能將測量結果以數(shù)字形式輸入計算機，以而實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。1.2 數(shù)字式壓力表的原理數(shù)字式壓力計主要由傳感器、采集器、放大電路、數(shù)據(jù)運算電路、A/D轉換器、顯示器等構成。圖1-1為儀表構成框圖。顯示A/D轉換數(shù)據(jù)運算放大傳感器采集器圖1-1 儀表構成框圖其中，傳感器的精度、采集器的精度、A/D轉換器的精度對壓力的測量精度起主要作用。故在傳感器的選擇與電路設計上要充分考慮這一點，以免壓力計產(chǎn)生過大的離散而達不到所需的測試精度。1.3數(shù)顯儀表的結構不帶微處理器的儀表，通常用運算放大器和中、大規(guī)模集成電路來實現(xiàn)；帶微處理器的儀表，是借助軟件的方式來實現(xiàn)原理框圖中的有關功能。不帶微處理器的數(shù)顯儀表一般應具備模數(shù)轉換，非線性補償及標度變換三大部分，這三部分又各有很多種類，三者間相互巧妙的組合，可以組成適應于各種不同要求場合的數(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，但其基本構成形式可由圖1-2所示的主要環(huán)節(jié)組成。模一數(shù)轉換器是數(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。被測對象傳感器模數(shù)轉換計數(shù)譯碼模擬開關時 鐘邏 輯 控 制 電 路標度變換基準源線性化器數(shù)字顯示打印記錄數(shù)碼輸出報警系統(tǒng)前置放大圖1-2 數(shù)顯儀表的基本構成儀表的數(shù)字部分一般設有濾波、前置放大器和模擬開關等環(huán)節(jié)。來自傳感器或變送器的統(tǒng)一電量信號一般都比較微弱，并且包含著在傳輸過程中產(chǎn)生的各種干擾成分，因此在其轉換成數(shù)字量前，首先要進行濾波與放大。前置放大器就是用來提高儀表的靈敏度、輸入阻抗及信號的信噪比。儀表的數(shù)字部分一般由計數(shù)器、譯碼器、時鐘脈沖發(fā)生器、驅動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。被放大的模擬信號有模-數(shù)轉換成相應的數(shù)字量后，經(jīng)譯碼、驅動，送到顯示器件中進行數(shù)字顯示。也可以送到報警系統(tǒng)和打印系統(tǒng)中去，進行報警和記錄打印。 1.4數(shù)字式壓力表的主要技術指標（一）顯示位數(shù)以十進制顯示被測變量值的位數(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)目前達到8位。（二）儀表的量程儀表標稱范圍的上、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)字改變一個字所對應的被測變量的最小變化值，它表示了儀表能夠檢測到的被測量最小變化的能力。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，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)顯壓力儀表設計方案2.1 ICL7107雙積分A/D轉換器ICL7107CPL是三位半雙積分A/D轉換器大規(guī)模集成電路，其輸出極為異或門結構。它的作用是把輸入電壓信號變?yōu)閿?shù)字輸出，并驅動顯示器。其內(nèi)部結構包含模擬和數(shù)字兩大部分。模擬部分包括積分器、模擬開關、過零比較器等電路。數(shù)字部分包括時鐘脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、分頻器、譯碼器、控制器、相位驅動器等電路。ICL7107還有以下特點：內(nèi)部有自動穩(wěn)零電路，保證零電壓輸入時，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；內(nèi)部有時鐘電路，可以外接RC器件，產(chǎn)生自激振蕩；內(nèi)含供A/D轉換必需的基準穩(wěn)壓源，可不用外接基準電源；輸出為3位七段譯碼信號，可直接驅動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。ICL7107采用標準的雙列直插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模擬部分每個轉換周期分為自校零位、信號積分（采樣）、反相積分（比較）三個階段：自校零（A/Z）階段、信號積分(INT)階段、反相積分（DE）階段。根據(jù)雙積分轉換原理求得結果為：N=T1V1/TCPVREF雙積分式A/D轉換器地優(yōu)點是：對積元件的質量要求不高，時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。它作為一種低速、高精度A/D轉換器，在數(shù)字儀表中廣泛應用。2.2 LED顯示器數(shù)碼顯示是用來顯示數(shù)字、文字或符號的器件，現(xiàn)在已有多種不同類型的產(chǎn)品，廣泛應用與多種數(shù)字設備中。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)光二極管按照共陽極（正極）或共陰極（負極）的方式連接，并組成“8”字型發(fā)光二極管，另一極做筆畫電極，就構成了LED數(shù)碼顯示器。只要按規(guī)定使某些筆畫的發(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)部結構LED顯示器一般采用七段，既把七只LED共陽極（或共陰極）連接，每段具有單只LED的特性及驅動顯示方法。在各種顯示器中，LCD的功耗最低，LED的發(fā)光響應時間最短，壽命最長。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動。發(fā)光二極管是采用半導體材料制成的，能將電信號轉化成光信號的結型電壓發(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運算放大器圖2-3 LM324原理圖（2） MC1403基準電源圖2-4 MC1403實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和四個數(shù)碼管的位置確定好，為了便于顯示，一般要把四個數(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、電源部分按照圖3-1組合起來，采用直接耦合的方式連接，就構成了數(shù)字顯示儀表。數(shù)字顯示電路部分的安裝在面包板上進行，壓力傳感器、電源部分不在面包板上。在設計時要考慮線路布置合理，強電與弱電之間要留有相當?shù)木嚯x。同時注意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導線（紅）、-5V導線（黃）和接地線（黑）分別插入面包板相應位置，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)顯壓力儀表的應用4.1 儀表用途數(shù)字壓力表是采用單片機控制的在線測量儀表。它采用電池長期供電方式、無需外接電源，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，其形式品種多樣，分為普通型和防爆型，能滿足各種測量需要。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。尤其在腐蝕、振動等場所使用，更顯其超凡性能。該產(chǎn)品經(jīng)國家級計量部門、防爆部門檢定合格，已在石油、化工、電力等領域得到廣泛應用。4.2 應用行業(yè)1、油田采油：注水，井口容器設備壓力測量；2、原油外輸：動力設備管道泵進出口壓力測量；3、石油化工：生產(chǎn)工藝中的真空，微壓及腐蝕性的氣體，液體壓力測量；4、液壓系統(tǒng)、制冷、過程監(jiān)控OEM應用；5、高溫介質，粘稠介質，液體高度測量；6、空調(diào)、氣體處理設備、呼吸機、醫(yī)療設備、實驗室、壓縮機等壓力的測量。產(chǎn)品應用:適用于測量腐蝕性、高粘度、易結晶、含有固體狀顆粒、濕度較高的液體介質的壓力所場合使用，有法蘭連接、螺紋連接等多種型式。4.3 注意事項測量特殊介質時，要針對被測壓力的不同性質，采取相應的放熱、防腐、防凍、防堵和防塵等措施。例如測量高溫流體介質的壓力時，為防止熱介質與彈性元件直接接觸，壓力儀表之前應加裝U形管或盤旋管等形式的冷凝器，避免因溫度變化對測量精度和彈性元件產(chǎn)生影響；測量高壓流體介質的壓力時，安裝時壓力儀表表殼應朝向墻壁或者無人通過之處，以免發(fā)生意外；測量腐蝕性介質的壓力時，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介質和彈性元件隔離開來。第5章 結論與體會我們所設計的題目是“數(shù)字式壓力表的原理與應用”。通過三周的設計實踐，我們對面包板有了充分的認識。在設計過程中碰到了很多難點，例如在安裝數(shù)字式壓力數(shù)顯表頭時，如果稍有馬虎就會出現(xiàn)接線錯誤，所以要細心謹慎，電橋不平衡會使顯示不正確。通過本次課程設計，初步了解了從電原理圖到實際接線所注意的要點，掌握了數(shù)顯儀表原理圖、接線圖的繪制方法，還有原器件的識別，插接導線的布置。培養(yǎng)了實際動手能力和解決實際問題的能力。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。所以這個期末測試之后的課程設計對我們的作用是非常大的。實驗過程中遇到的重重困難，需要我們用心去嘗試，摸索，對我們養(yǎng)成積極思考的習慣不無裨益。此外對我們也是一種性情的錘煉和陶冶。實踐是對知識的運用，在運用中同時也加深了我們對知識的理解。參考文獻1張?zhí)齑?楊慧敏.數(shù)字顯示儀表課程設計指導書M.大慶：大慶石油學院自編教材， 2008.2沙占友.新型數(shù)字電壓表原理與應用M.北京：機械工業(yè)出版社,2006.3任致程.數(shù)字電工儀表應用電路400例M.北京：機械工業(yè)出版社,2007.4黃賢武,鄭筱