基于单片机的压力容器检测装置设计本科毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的压力容器检测装置设计本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

电领域，如洗衣机、空调器、保安系统、 VCD 视盘机、电子秤、 IC 卡、手机等。 这些设备中使用了单片机机芯后，大大提高了其控制功能和性能，并实现了智能化、最优化控制。 (6)终端及外围设备控制 计算机网络终端设备，如银行终端、商业 POS(自动收款机 )以及计算机外围设备如打印机、通信终端和智能化 UPS 等。 在这些设备中使用单片机，使其具有计算、存储、显示、输入等功能，具有和计算机连接的接口，使计算机的能力及应用范围大大提高。 本课题以单片机作为控制器之一，进一步研究单片机在自动化检测领域中的应用。 本论文研究的主要内容 本文的主要工作是研究与设计一种基于 AT89S51 的 压力容器 检 测装置 ，使之应用于 压力容器的检测工作上 ，在实用中具有非常广阔的应用前景。 论文主要工作包括： （ 1） 简述设计基于单片机的 压力容器检测装置 的目的与意义，介绍了单片机技术的发展与应用，对 压力容器 以及 自动化检测技术 的发展现状和趋势进行了论述。 （ 2） 根据设计要求选取适当的器件来组成此基于单片机的 压力容器检测装置。 包括基于单片机的压力容器检测装置设计 7 传感器的选择，放大电路的选择， 多路 A/D 转换器的选择 ，单片机的 选择 以及显示器的选择 ，选择的器件是否合适是能否实现此 压力容器检测装置 设计要求的前提条件。 （ 3）利用所选器件设计并实现基于单 片机的压力容器检测装置的硬件部分。 首先规划此基于单片机的压力容器检测装置的硬件系统结构，然后根据设计要求确定应变式传感器，测量放大器，低通滤波器等每一部分电路的具体结构，最后根据规划将各部分电路连接起来形成一个完整的硬件系统。 （ 4）规划基于单片机的压力容器检测装置的软件流程，并且最终编出相应的驱动程序及显示程序，实现此压力容器检测装置的设计要求。 论文的主要工作对于应用单片机实现的压力容器检测装置具有很好的实际应用价值。 课题研究的意义 基于单片机的压力容器检测装置的在实际中的 应用， 可以 及 时排除了带缺陷运行的压力容器的爆炸隐患，降低 恶性事故的发生 ，取得 重大的社会效益。 20xx 年初步统计全国有 9000 多万台压力容器在生产中运行，其中容积在 20 立方米 以上的压力容器约占 15%，主要是大型的储罐、球罐、合成塔、反应器等化工反应和储存装置中的核心设备，是生产中的重要设备，也是危险性极高的设备，造价也十分昂贵。 就南京市而言， 20xx 年全市普查统计发现，工业生产中约有两万多台压力容器在使用，其中容积在 20 立方米 以上的压力容器约有 3000 多台，这些压力容器都是重要的设备，也是重大的危险源。 按照国家规定要求 ，在使用 3~6 年时，必须要实施定期检验。 而常规检验就必须停产、清洗、介质置换、拆除保温和附属设施等，从而导致整套装置或整个企业长时间停产，损失巨大。 同时大型压力容器的常规检验耗时耗物，花费巨大的人力、物力，有的大型压力容器要花费上千万元。 大型压力容器采用 此 技术检验，可以大大地节省时间和资金，有的还可以避免开罐等过程，经济效益十分明显。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 8 2 压力容器检测装置的总体设计及器件选择 压力容器检测装置的结构框图如图所示： 图 21 结构 框图 此 压力容器检测装置 主要由 金属电阻应变片 、测量放大器、 低通滤波电路、 A/D 转换器、单片机 及 LCD 显示 组成。 首先通过 金属电阻应变片 将 被测容器的形变 转换成电信号，为了提高 A/D 转换精度，用测量放大器将该电 信号变换到 A/D 转换电路的 最大输入范围内，此放大后的信号经低通滤波器滤波后输入 A/D 转换电路， A/D 转换电路的输出数字信号进入单片机，经单片机对信号进行简单处理后 用 LCD 显示出来。 传感器的选择 传感器的种类繁多、原理各异，检测对象几乎涉及各种参数，通常一种传感器可以检测多种参数，一种参数又可以用多种传感器测量。 所以传感器的分类方法至今尚无统一规定，主要按工作原理、输入信息和应用范围来分类。 （ 1）按工作原理分类。 按传感器的工作原理不同，传感器大体上可分为物理型、化学型及生物型三大类。 物理型传感器是利用某些变换元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器，它又可以分为物性型传感器和结构 型传感器。 物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换为电量的传感器。 结构型传感器是以结构（如形状、尺寸等）为基础，在待测量作用下，其结构发生变化，利用某些物理规律，获得比例于待测非电量的电信号输出的传感器。 化学传感器是利用敏感材料与物质间的电化学反应原理，把无机和有机化学成分、浓度等转换成电信号的传感器，如气体传感器、湿度传感器和离子传感器等。 生物传感器是利用材料的生物效应构成的传感器，如酶传感器、微生物传感器、生理量（血液成分、血压、心音、血蛋白、激素、筋肉强力等）传感器 、组织传感器、免信号采集电路 测量放大电路 低通滤波电路 A/D转换 51单片机 液晶显示 基于单片机的压力容器检测装置设计 9 疫传感器等。 （ 2）按输入信息分类。 传感器按输入量分类有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器、力传感器、色传感器、磁传感器等，以输入量（被测量）命名。 这种分类对传感器的应用很方便。 （ 3）按应用范围分类。 根据传感器的应用范围不同，通常可分为工业用、农用、民用、科研用、医用、军用、环保用和家电用传感器等。 若按具体使用场合，还可分为汽车用、舰船用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。 如果根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用、检查用、诊断用、控制用和分析用传感器等。 物性型传感器 物理型传感器 结构型传感器 传感器 化学型传感器 生物型传感器 这里我们选择电阻应变式传感器。 它的基本原理是将被测非电量转换成与之有确定对应关系的电阻值，再通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。 这类传感器的种类很多，在几何量和机械量测量领域中应用广泛，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等非电量。 电阻应变式传感器应用历史悠久，但目前仍是一种主要的测量手段，因为它具有以下独特的优点： （ 1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； （ 2）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测； （ 3）灵敏度高，测量速度快，适合于静态、动态测量； （ 4）可以测 量多种物理量，应用广泛。 工作原理 电阻应变片的工作原理是基于金属导体的电阻 — 应变效应，即当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化。 金属导体的电阻 — 应变用应变灵敏系数 K 描述，它决定于导体电阻的相对变化△ R/R 与其长度相对变化△ l/l之比值： //RRK ll△ △ R/R△ ε (21) 式中，ε =△ l/l— 轴向应变。 一根长为 l、截面积为 s、电阻率为ρ的金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻为 lR sρ (22) 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 10 当电阻丝受到拉力 F 作用时，将伸长△ l，横截面积相应减小△ S，电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变△ρ，故引起电阻值变化△ R。 将式（ 2— 2）全微分，并用相对变化量来表示，则有 R l sR l s  △ △ △ △ ρρ (23) 式中，（△ l/l） =ε为电阻丝的轴向应变，常用单位με（ 1με =1 106mm/mm）。 由于S=π R2=π d2/4，则△ S/S=2△ d/d，其中，△ d/d 为径向应变，由材料力学可知△ d/d=με，式中，μ为电阻丝材料的泊松比。 将前面关系代入式（ 2— 3），可得 △ R/R=（ 1+2μ）ε +△ρ /ρ (24) 其应变灵敏系数为 //RRK △ △ ρ ρ（ 1+2 μ ） +ε ε (25) 从式（ 2— 5）看出，应变灵敏系数 K 受两个因素的影响：一是受力后由于材料的几何尺寸变化引起的，即（ 1+2μ）项；另一因素是受力作用后由于材料的电阻率ρ发生变化而引起的，即（△ρ /ρ） /ε。 对于金属材料来说，（△ρ /ρ） /ε项比（ 1+2μ）项小得多，而对于半导体材料的（△ρ /ρ） /ε项比（ 1+2μ）项大得多，甚至可认为 K=（△ρ /ρ） /ε。 金属材料在弹性变形范围内，泊松比μ =~，在塑性变形范围内μ≈。 所以（ 1+2μ） =~（弹性区）或（ 1+2μ）≈ 2（塑性区）。 但是根据对各种金属材料的灵敏系数进行的实测表明，一般都超过 ，这说明（△ρ /ρ） /ε项对金属材料的灵敏系数还是有影响的。 但大量实验证明，在应变极限内，金属材料电阻的相对变化与应变成正比，即 R KR △ ε (26) 应变片测试原理 使用应变片测量应变或应力时，是将应变片牢固地粘贴在被测弹性试件上，当试件受力变形时，应变片的金属敏感栅随之相应变形，从引起应变片电阻的变化。 如果应用测量电路和仪器测出应变片的电阻值变化△ R，则根据式（ 2— 6），可得到被测试件的应变值ε，而根据应力 — 应变关系 ς =Eε 式中， E— 试件材料弹性模量；ς — 试件的应力；ε — 试件的应变。 计算可得应力值ς。 通过弹性敏感元件的作用，将位移、力、力矩、压力、加速度等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述能引起应变的各种参量，从而形成各种电阻应变式传感器。 基于单片机的压力容器检测装置设计 11 A/D 转换器的选择 A/D 转换器的类型较多，常用的有逐次逼近型和积分型。 单片机应用系统中最常用的 A/D 转换器是可编程的 ADC0809。 ADC0809 是典型的 8 位 8 通道逐次型 A/D 转换器， CMOS 工艺， ADC0809 的内部逻辑结构如 图 22 所示。 IN0 EOC D0 IN7 A D7 B C ALE VR(+) VR() OE 图 22 ADC0809 的内部逻辑结构 图中 8 路模拟量开关可选通 8个模拟通道， 8路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换。 地址锁存与译码电路完成对 A、 B、 C 三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道的选择。 8 位 A/D 转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状。