一種便攜式高精度氣體差壓分析儀的設(shè)計

黃 正， 李 軍，郭繼紅，何 進，李 昆

（眉山麥克在線設(shè)備股份有限公司，四川 眉山 620000）

0 引言

差壓傳感器是一種用來測量兩個不同壓力之間差值的傳感器[1]，經(jīng)常被應用于液體高低測量、泄漏測量、密封性檢測、微流量測量、氣體流量測量等?，F(xiàn)今，市面上常見的差壓傳感器主要有壓阻式與電容式兩種[2]。壓阻式相較于電容式差壓傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，應用電路設(shè)計簡單，現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)更為牢靠。因而，本文設(shè)計選擇霍尼韋爾公司生產(chǎn)制造的HSC系列的壓阻式硅壓力傳感器。HSC系列具有0℃～50℃溫度補償功能，減少了溫度對壓阻式差壓傳感器的影響；同時HSC系列傳感器使用板載專用集成電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器偏移、靈敏性、非線性的校準，最終能夠使差壓測量結(jié)果可靠性更高，一致性更好。從而，使氣體差壓分析儀測量數(shù)據(jù)能夠更好地指導和反饋石油、化工、鍋爐控制、冶金等行業(yè)生產(chǎn)運行過程。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

氣體差壓分析儀系統(tǒng)工作框圖如圖1。系統(tǒng)主要由STM32微處理器主控單元、氣體差壓傳感器模塊、485通信模塊、串口觸摸顯示屏模塊、ADC采集模塊，以及系統(tǒng)電源模塊等組成。差壓傳感器通過前端壓力采集探頭采集到某一設(shè)備或部件的當前差壓值后，差壓傳感器根據(jù)獲取到的差壓值大小輸出0V～5V的模擬信號量，經(jīng)過運放跟隨電路將模擬信號輸入到CS1237信號采集引腳進行采集。STM32單片機內(nèi)部使用定時器的方式，控制CS1237芯片每隔1s進行1次采樣。單片機將ADC采集到的數(shù)字電壓量通過差壓傳感器的電壓值與壓力值兩者之間對應的線性計算公式，得到當前差壓傳感器的壓力值，并將壓力值寫入到Modbus協(xié)議寄存器中，經(jīng)兩路485芯片輸出（單片機為從站）。串口屏作為Modbus協(xié)議的主站，以每間隔1s的時間對單片機輸出的一路485協(xié)議進行訪問讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在屏幕指定位置上；另一路485協(xié)議預留給用戶觀察、讀取、儲存壓力數(shù)據(jù)，或者將壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)疥P(guān)聯(lián)設(shè)備，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與報警處理。

圖1 系統(tǒng)工作框圖Fig.1 System working block diagram

1.1 主控電路

在此次設(shè)計中，綜合考慮到所用芯片通信接口兼容性，主控電路的控制芯片使用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6型單片機。該款單片機采用32位的Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達72MHz，多種控制外設(shè)，并且具有集成度高，可靠性好，指令系統(tǒng)豐富，價格便宜等特點。

本文中氣體差壓分析儀的主控電路主要圍繞STM32F103C8T6的最小工作系統(tǒng)展開設(shè)計。主控電路由3.3V電源電路、系統(tǒng)復位電路、程序下載電路、高速和低速時鐘電路等構(gòu)成，具體如圖2。3.3V的電源電路使用德州儀器生產(chǎn)的低噪聲低壓降穩(wěn)壓芯片LP2985A-33DBVR。該芯片允許最大輸入電壓16V，滿載輸出時壓降為280mV，輸出噪聲30μVRMS，并且具有過流和熱保護，能夠?qū)?V的直流電源轉(zhuǎn)換輸出為噪聲低且穩(wěn)定性好的3.3V單片機工作電壓。

圖2 單片機核心主要系統(tǒng)電路Fig.2 Main system circuits of single chip microcomputer core

C5、C6、C7、C8用于穩(wěn)定電源，減少外部負載波動給單片機電源帶來的影響。STM32單片機工作時鐘電路使用外部8MHz高速晶振[3]，給單片機工作系統(tǒng)提供高速且穩(wěn)定的頻率信號。系統(tǒng)復位電路采用單點輕觸按鍵開關(guān)設(shè)計，單片機的復位采用低電平觸發(fā)的方式。電容C4應用于復位電路中，主要能夠延緩上電時電平變化，為上電系統(tǒng)復位提供足夠的時間。STM32單片機具有多種下載方式，對芯片程序進行下載與更新，使用SWD下載方式比JLINK下載方式所需引腳更少，同時相較于串口下載，具有在線仿真優(yōu)勢。

1.2 氣體差壓傳感器

霍尼韋爾高精度硅陶瓷（HSC）系列壓阻式硅壓力傳感器具有模擬輸出或數(shù)字輸出兩種信號輸出方式，從而在指定滿量程壓力和溫度范圍內(nèi)讀出壓力。該系列傳感器采用霍尼韋爾專有技術(shù)，將高靈敏度與過壓和爆破壓力相結(jié)合，使該系列傳感器具有高穩(wěn)定性，高爆破壓力，高工作壓力范圍。同時，該系列還具有如下性能：

1）工作時采用3.3Vdc或5.0Vdc的單電源供電。

2）帶有0℃～50℃的溫度補償算法，能夠在0℃～50℃實際測量工況下，保證傳感器測量值的真實性，提高系統(tǒng)精度。

3）測量精度能夠達到±0.25% FSS BFSL，減少修正系統(tǒng)誤差所需算法與時間，提高設(shè)計效率。

4）允許傳感器在經(jīng)校準的壓力范圍上，持續(xù)穩(wěn)定地工作，減少潛在的停機時間。

5）模塊化的靈活設(shè)計，搭配多種封裝類型、壓力端口和可選配件，簡化了集成設(shè)備制造工作。

6）多種壓力范圍，即±1.6mbar ～±10bar，±160Pa ～±1MPa，±0.5inH2O～150psi等3種壓力范圍，可應用于多種場合。

7）HSC系列傳感器經(jīng)過完全校準和溫度補償?shù)膲毫敵鲋?，更新頻率接近1KHz（模擬輸出）和2KHz（數(shù)字輸出）。

綜上所述優(yōu)點，結(jié)合實際應用現(xiàn)場工況，本文選用了HSCSANN2.5KDAA5型差壓傳感器。該型號差壓傳感器測量壓力范圍為±2.5KPa，采用5V單電源供電，輸出信號為0V～5V模擬信號。其輸出壓力值與電壓值對應關(guān)系為-2.5KPa～0KPa；對應輸出模擬電壓值為0V～2.5V；0KPa～2.5KPa對應輸出模擬電壓值為2.5V～5V。

1.3 電源模塊

考慮到工業(yè)上常規(guī)用電電壓值為24V，再結(jié)合主控電路、壓力傳感器、24位ADC芯片，及串口觸摸顯示屏等模塊的工作電源電壓，本位設(shè)計選用金升陽生產(chǎn)的B2405XT-2WR2隔離電源模塊輸出5V電壓給主控電路單元、壓力傳感器、ADC芯片提供輸入電源。B2405XT-2WR2隔離電源模塊工作溫度范圍為-40℃～+105℃，轉(zhuǎn)換效率高達84%，隔離電壓1500Vdc，內(nèi)部貼片化設(shè)計，無需外加元件，減化設(shè)計電路。

如圖4，在24V輸入端口處，加入單片TVS二極管，防止過壓，吸收浪涌功率，保護后端電路。U9為整流二極管，防止直流輸入正負極反接，導致元器件損毀。F1為500mA自恢復保險絲，在后端電路短路時，切斷前端輸入電壓，保護后端元器件不被損壞。C5、C6、C7、C8、C9電容，主要為模塊旁路濾波穩(wěn)壓電容，減少后端負載電路變化對前端輸入電源造成輸入不穩(wěn)的影響。

圖3 HSCSANN2.5KDAA5型差壓傳感器Fig.3 HSCSANN2.5KDAA5 Differential pressure sensor

圖4 24V轉(zhuǎn)5V電路Fig.4 24V to 5V circuit

1.4 485模塊通信電路

氣體差壓分析儀與外部數(shù)據(jù)的交互傳輸，主要通過RS485通信模塊實現(xiàn)。RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，具有良好的抗干擾能力，信號能夠傳輸上千米。本文采用SP3485芯片實現(xiàn)RS485電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，具體電路如圖5。電容C47為芯片工作穩(wěn)壓電容；R33為上拉電阻，把不確定的信號鉗位在高電平，同時還起著限流作用；R34為下拉電阻，把不確定的信號鉗位在低電平；R35為終端匹配電阻，增加信號的抗干擾能力[4]。

圖5 485通訊電路Fig.5 485 Communication circuit

1.5 24位ADC工作電路

CS1237是一款高精度、低功耗、低成本24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具有一路差分輸入通道，內(nèi)置溫度傳感器、高精度振蕩器以及可選PGA（1、2、64、128），ADC輸出速率可選（10Hz、40Hz、640Hz、1.28kHz）。主控MCU通過兩線SPI接口SCLK、DOUT與CS1237進行通信，并對其通道選擇、PGA選擇、輸出速率選擇等進行配置，具體電路如圖6。

圖6 CS1237采集電路Fig.6 CS1237 Acquisition circuit

R33為0Ω電阻，連接電路板上被分割的數(shù)字地與模擬地。C33為輸出芯片輸入電壓的穩(wěn)壓電容，C34為芯片輸入?yún)⒖茧妷旱姆€(wěn)壓電容。R34、R35、R36、R37為信號輸入限流電阻，避免芯片被損壞[5]。C35、C36、C37為輸入采集信號源的穩(wěn)壓電容，以確保輸入信號的穩(wěn)定。

1.6 串口屏幕模塊

串口觸摸顯示屏選用廣州大彩生產(chǎn)的3.5寸顯示屏。該屏幕無操作系統(tǒng)，上電即可運行，4.5V～15V寬電源供電，采用TTL電平通訊，支持1200bps～921600bps波特率，存儲空間64Mbit。該屏幕配有配套開發(fā)上位機，上位機上集成了豐富的組態(tài)控件、虛擬數(shù)字鍵盤，內(nèi)嵌LUA腳本編譯器，用戶可在屏內(nèi)定義各種復雜邏輯關(guān)系與協(xié)議等，通過配套上位機可快速對串口屏幕進行設(shè)計開發(fā)。

通過屏幕配套上位機，配置Modbus Rtu協(xié)議，讀取STM32單片機輸出的其中一路Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)，并將獲取到的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上的文本顯示控件上。同時，通過LUA腳本編譯器在屏幕內(nèi)部編程，對獲得數(shù)據(jù)進行二次線性校正，使用戶最終觀察到的壓力數(shù)據(jù)更為準確。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電復位時，STM32單片機執(zhí)行內(nèi)部初始化程序，先將延時函數(shù)、單片機運行指示燈、調(diào)試打印串口、Modbus協(xié)議串口等基礎(chǔ)外設(shè)初始化完成，然后再將CS1237初始化。系統(tǒng)主函數(shù)中，主要完成Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)的監(jiān)聽與回復。單機中采用定時器2，控制CS1237完成對壓力傳感器數(shù)據(jù)采集。定時器2，每間隔1s進入定時器2中斷服務函數(shù)，調(diào)用ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)，獲得當前壓力傳感器輸出的電壓值，將獲得的采集電壓值采用滑動平均濾波算法，使輸出的電壓值更為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)更可靠。

為了使最終得到的差壓值更準確，采用優(yōu)利德UT705回路校準儀測量電路中的電壓值，然后再將采集得到的ADC電壓值相對比，進行二次多項次擬合校正。將校正后的電壓值帶入壓力計算公式，計算得到當前電壓值所對應的差壓值。最后，將得到的差壓值通過Modbus協(xié)議上傳到串口屏上進行顯示。串口屏上可以通過設(shè)置零點與量程，對所測量的差壓值進行二次校正顯示。

3 測試

在測試時，采用了一款工業(yè)級單晶硅壓力變送器[6]，與設(shè)計的差壓分析儀做數(shù)據(jù)對比實驗（單晶硅壓力變送器精度為±0.075%FS，量程為-2KPa～2KPa）。用設(shè)計的差壓分析儀與單晶硅壓力變送器測量同一設(shè)備、同一點的氣體差壓值，將差壓進氣口兩端放置在同一位置，前端采用配氣儀控制輸入差壓兩端的流量，從而改變差壓值。兩款差壓儀表的測量結(jié)果見表1。

從表1中的數(shù)據(jù)可知，設(shè)計的差壓分析儀與工業(yè)單晶硅壓力變送器對同一點的壓力測量值最大差值，正壓為0.026KPa，負壓為-0.027KPa；平均差值正壓為0.019KPa，負壓為-0.007KPa。

表1 差壓分析儀與單晶硅壓力變送器正負壓測量值Table 1 Positive and negative pressure measurements of differential pressure analyzer and monocrystalline silicon pressure transmitter

由此，可得本文所設(shè)計的差壓分析儀與工業(yè)單晶硅壓力變送器測量結(jié)果較為接近，誤差較小。然而，工業(yè)單晶硅壓力變送器重量為2.6kg，體積為15×18×11（cm3），差壓分析儀為60g，體積為6×6×5（cm3），更方便攜帶，更易于現(xiàn)場安裝應用。

4 結(jié)束語

實際使用結(jié)果表明：該便攜式差壓分析儀不僅體積小，重量輕，而且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，差壓數(shù)據(jù)采集準確，顯示分辨率高，反應靈敏，符合現(xiàn)場生產(chǎn)要求，能夠?qū)崟r監(jiān)控現(xiàn)場工業(yè)氣體壓力，具有很好的應用前景。