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PAGE 2东北石油大学课程设计课程过程控制仪表设计与生产实训课程过程控制仪表设计与生产实训专题数字压力表生产与应用电气与信息工程学院专业班自动化15-4学生姓名孙宇学号150601140421指导教师王婷婷吴攀超2017年7月28日东北石油大学课程设计任务书课程过程控制仪表设计与制作实训题目数字压力表的制作与应用专业自动化专业名称孙宇学号150601140421主要内容、基本要求、主要参考资料等 主要内容：在面包板上安装由单片机A/D转换器7107或7106组成的通用仪表。 匹配压力传感器（应变片、扩散硅或其他类型的压力传感器）制成数字压力显示仪表； 并根据设备的特点，掌握仪器在工业生产中的应用。 基本要求：掌握数显仪表原理； 设计并绘制电路连接图； 能够独立完成数显仪表表头的焊接、制造、调试工作； 掌握仪器在工业生产中的应用并撰写报告。 参考资料： [1]张天春，杨慧敏． 数显仪表课程设计指南[M]． 大庆：大庆石油学院自编教材，2008．[2]沙占友． 新型数字电压表原理及应用[M]． 北京：机械工业出版社，2006． [3]任志诚． 数字电工仪表应用电路400例[M]． 北京: 机械工业出版社, 2007. 完成期限 2017.07.10 - 2017.07.28 TOC o "1-2" u 第一章数字压力表的工作原理 11.1 数字压力表的发明 11.2 数字压力表的原理 11.3 结构数字压力表 21.4 数字压力表主要技术指标 2 第二章 数显压力仪表设计方案 42.1 ICL7107 双积分 A/D 转换器 42.2 LED 显示屏 52.3 其他集成元件 5 第三章 数显压力仪表的制作 73.1 数显压力仪表的制作part 73.2 数显部分、电源部分及其他部分的组合 7 第四章数显压力仪表的应用 94.1 仪表应用 94.2 应用行业 94.3 注意事项 9 第五章结论与经验 10 参考文献 11 第一章数显压力仪表的工作原理 The转换器是以十进制数字形式显示被测变量值的仪器。 它与各种传感器和分配器相匹配，可以显示各种参数。

数字仪表具有精度高、功能全、速度快、抗干扰能力强等优点，体积小、功耗低、读数直观，并能将测量结果以数字形式输入计算机，从而实现生产过程的自动化。 50年代初，世界上出现了第一台数字显示仪表。 近50年来，随着现代科学技术的飞速发展，特别是数字测量技术、半导体技术、大规模集成电路技术和计算机技术在仪器仪表中的应用，数字仪表迅速从电子管式向晶体管式转变. 发展到目前的集成电路和带有微处理器的数字仪器。 数字仪表的出现适应了科学技术和自动化生产过程中高速、高精度测量的需要，具有模拟仪表不可比拟的优势。 数显仪表是带有模拟/数字转换器，以十进制数字形式显示被测变量值的仪表。 与各种传感器、变送器配套，可显示各种参数。 与模拟显示仪表相比，数字仪表具有精度高、功能齐全、速度快、抗干扰能力强等优点。 并实现生产过程的自动化。 数字压力表的原理 数字压力表主要由传感器、采集器、放大电路、数据运算电路、A/D转换器、显示器等组成。图1-1是仪表的框图。 显示A/D转换数据运算放大传感器采集器 显示A/D转换数据运算放大传感器采集器 图1-1 仪器组成框图 其中，传感器精度、采集器精度、A/D精度D转换器对压力测量精度的影响起主要作用。

因此，在传感器的选用和电路设计中应充分考虑这一点，以免压力表离散度过大而达不到要求的测试精度。 1.3 数显仪表的结构 没有微处理器的仪表通常由运算放大器和中大规模集成电路实现； 带有微处理器的仪器通过软件实现原理框图中的相关功能。 没有微处理器的数显仪表一般应包括模数转换、非线性补偿和刻度变换三个部分。 这三个部分有多种类型。 适用于不同场合的数字显示仪表。 数字仪表虽然种类繁多，原理也不尽相同，但其基本形式可由图1-2所示的主要环节组成。 模数转换器是数字仪表的核心，以它为中心，仪表分为模拟和数字两部分。 被测物传感器模数转换、计数译码、被测物传感器模数转换、计数译码、模拟开关、时钟逻辑控制电路、刻度换算、参考源、线性化器、数字显示、打印记录、数字输出、报警系统、前置放大器数字部分还有滤波、前置放大器、模拟开关等环节。 来自传感器或发射器的统一功率信号通常较弱，并且包含传输过程中产生的各种干扰成分。 因此，在转换为数字量之前，必须对其进行滤波和放大。 前置放大器用于提高仪器的灵敏度、输入阻抗和信噪比。 仪表的数字部分一般由计数器、译码器、时钟脉冲发生器、驱动显示电路和逻辑控制电路组成。

在数字仪表中，逻辑控制电路起着指导整个仪表各部分协调的作用。 它是数字仪表中不可或缺的环节之一。 此外，高度稳定的基准电源和工作电源也是数字仪器的重要组成部分。 放大后的模拟信号经模数转换成相应的数字量，经译码驱动后送至显示器件进行数字显示。 也可以发送到报警系统和打印系统进行报警和记录打印。 1.4 数字压力表的主要技术指标 (1) 显示位数 以十进制形式显示被测变量值的位数称为显示位数。 能显示“0-9”的数字称为“全数字”； 只显示1或不显示1的数字称为“半数”或“数字”。 工业数字温度显示仪表的显示数字通常为3位，可显示-1999～1999。 高精度数字仪表显示的数字位数目前达到8位。 (2) 仪表量程 仪表标称量程上限与下限之差的模数称为仪表的量程。 量程有效范围的上限为满量程值。 (3)准确度 目前，数显仪表的准确度有3种表示方式：满量程的±a%±n、读数的±a%±n、读数的±a%满量程的±b%。 (4) 分辨率和分辨力数字仪表的分辨率是指最后一个数字改变一个字所对应的被测变量的最小变化值，它表示仪表检测被测变量最小变化的能力。 数显仪表的分辨率在不同的量程下是不同的，通常最低量程的分辨率最高，以此作为仪表分辨率的指示。

分辨率是指仪表显示的最小值与最大值的比值。 (5)输入阻抗数显仪表是高输入阻抗仪表，输入阻抗可达1012Ω。 (6)抗干扰能力 数显仪表一般用串模干扰抑制比和共模干扰抑制比来表征抗干扰能力。 串模干扰抑制比（SMR）为：SMR=20lg 共模干扰抑制比（CMR）为：CMR=20lg SMR和CMR的单位是分贝，数值越大抗干扰能力越强数字仪表，一般直流电压数显仪表的串模干扰抑制比为20-60dB，共模干扰抑制比为120-160dB。 第二章数显压力仪表设计方案 2.1 ICL7107 双积分A/D 转换器 ICL7107CPL 是一个三位半数字双积分A/D 转换器的大规模集成电路，其输出端为极异或门结构. 它的作用是将输入电压信号转换成数字输出并驱动显示器。 其内部结构包括模拟和数字两部分。 模拟部分包括积分器、模拟开关、过零比较器等电路。 数字部分包括时钟脉冲发生器、计数器、分频器、解码器、控制器和相位驱动器等电路。 ICL7107还有以下特点： ① 内部有自动稳零电路，保证零电压输入时读数为零； ② 内部有极性判别电路，即使输入电压很小也能正确判别极性并显示； ③ 内部带时钟电路，可外接RC器件产生自激振荡； ④ 内含A/D转换所需的参考稳压器，无需外接参考电源； ⑤ 输出为3位七段译码信号，可直接驱动LED； ⑥与其他CMOS集成电路一样，这些电路具有输入电阻高的特点。

ICL7107采用标准双列直插40脚封装，引线排列如图2-1所示。 可在7~15V单电源供电条件下工作。 图 2-1 ICL7107 引脚排列 ICL7107 模拟部分每个转换周期分为自校准调零、信号积分（采样）、逆积分（比较）三个阶段：自校准调零（A/Z）阶段、信号积分（INT ) 阶段，反向积分 (DE) 阶段。 根据二重积分转换原理，结果为：N=T1V1/TCPVREF 双积分A/D转换器的优点是集成元器件质量不高，时钟振荡器可以使用普通电阻-电容元件代替石英晶体。 抗干扰能力强。 作为一种低速、高精度的A/D转换器，广泛应用于数字仪器中。 2.2 LED显示屏 数码显示屏是用来显示数字、字符或符号的装置。 现在产品种类繁多，广泛应用于各种数码设备。 目前，数字显示正朝着小尺寸、多位、彩色、平面化方向发展。 将条形发光二极管按共阳极（正极）或共阴极（负极）连接，组成“8”字型发光二极管，另一极作为行程电极，构成LED数字显示器。 只要按规定点亮某笔画的发光二极管，就可以组成0到9的一串数字。 其原理如图2-2所示。 图2-2 管脚排列及内部结构 LED显示屏一般采用七段式，即七颗LED共阳极（或共阴极）相连，每段具有单个LED的特点和驱动显示方式。

在各种显示器中，LCD的功耗最低，LED的发光响应时间最短，寿命最长。 因此，目前的数字仪表大多采用LED或LCD显示器，可以直接由集成电路驱动。 发光二极管是由半导体材料制成，能将电信号转换成光信号的结型电压发光器件。 2.3 其他集成元器件 除上述主要集成芯片外，还需要LM324、MC1403。 (1) LM324 运算放大器 图 2-3 LM324 原理图 (2) MC1403 参考电源 图 2-4 MC1403 实物图和原理图 输出电压：2.5V，输入电压范围：4.5V~40V，输出电流：10mA 3rd第三章数显压力表的制作 3.1 数显部分的制作 根据绘制的接线图，首先确定ICL7107和四个数码管在面包板上的位置。 . 然后根据接线方便的原则，确定ICL7107的位置。 同时还要考虑“+电源”和“地”线的连接方式。 ICL7107周围布置了其他芯片、电阻、电容电位器等。 3.2 数显部分、电源部分及其他部分的组合 将LED显示、积分部分、数显部分和电源部分按图3-1组合，直接耦合连接，组成数显仪表。 数显电路部分安装在面包板上，压力传感器和电源部分不在面包板上。

设计时要考虑合理的线路布置，强电和弱电之间要留有相当的距离。 同时注意220V电源线的引入方向和安全，防止短路，输出±5V电源必须有“端子”。 图3-1 一般电路图 将+5V线（红色）、-5V线（黄色）和地线（黑色）分别插入面包板上相应位置，打开电源，数码管显示如图 3-2 所示。 图 3-2 电路板上电后的显示。 ICL7107的37脚（灯测试脚）接到+5V电源后，会显示“-1888”，如图3-3所示。 图3-3 调试成功后的实验板 第四章数显压力表的应用 4.1 仪器使用 数显压力表是由单片机控制的在线测量仪表。 采用电池长期供电方式，无需外接电源，安装使用方便。 该系列数字压力表可用于检测压力表、绝压、差压。 数显压力表种类繁多，有普通型和防爆型，可满足各种测量需要。 从根本上克服了指针式压力表精度低、可靠性差、损坏率高等诸多缺点。 尤其是在腐蚀、振动等场所使用时，其非凡的性能更加明显。 产品通过了国家计量部门和防爆部门的检测，广泛应用于石油、化工、电力等领域。 4.2 应用行业 1、油田采油：注水、井口容器设备测压； 2、原油出口：动力设备管道泵进出口压力测量； 3、石油化工：生产过程中的真空、微压、腐蚀性气体、液体压力测量； 4.液压系统、制冷、过程监控OEM应用； 5、高温介质、粘性介质、液体高度测量； 6、空调、气体处理设备、呼吸机、医疗设备、实验室、压缩机等的压力测量。

产品应用：适用于测量腐蚀性、高粘度、易结晶、含固体颗粒、湿度大的液体介质的压力。 有法兰连接和螺纹连接等多种形式。 4.3 注意事项 测量特殊介质时数字式压力表，应根据被测压力的不同性质，采取相应的散热、防腐、防冻、防堵、防尘等措施。 例如，在测量高温流体介质的压力时，为防止热介质与弹性元件直接接触，应在其前加装U型管或盘管形式的冷凝器。压力仪表避免温度变化对测量精度和弹性元件的影响； 测量高压流体介质的压力时，安装时压力表的外壳应朝向墙壁或无人经过的地方，以免发生意外； 安装隔离装置，用隔离罐内的隔离液隔离被测介质和弹性元件。 Chapter 5 Conclusion and Experience 我们设计的题目是“数字压力表的原理与应用”。 通过三周的设计实践，我们对面包板有了充分的了解。 在设计过程中，遇到了很多困难。 比如在安装数字压力数显表头时，稍有不慎就会出现接线错误，一定要小心，电桥的不平衡也会导致显示不正确。 通过本次课程设计，初步了解了从电气原理图到实际接线需要注意的要点，掌握了数显仪表原理图和接线图的绘制方法，以及接线图的识别。原始设备和插件线的布局。 培养了动手能力和解决实际问题的能力。

知识来源于实践，实践是知识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。 所以期末考试后的课程设计对我们影响很大。 实验中遇到的困难需要我们用心去尝试和探索，这对我们养成积极思考的习惯不无裨益。 此外，这也是对我们气质的一种磨练和熏陶。 实践是对知识的应用，在应用中也加深了我们对知识的理解。 参考文献 [1] 张天春，杨慧敏． 数显仪表课程设计指南[M]． 大庆：大庆石油学院自编教材，2008．[2]沙占友． 新型数字电压表原理及应用[M]． 北京：机械工业出版社，2006． [3]任志诚． 数字电工仪表应用电路400例[M]． 北京：机械工业出版社，2007． [4]黄先武，郑晓霞． 传感器原理与应用[M]． 北京：电子科技大学出版社，2004 [5]严石． 数字电子技术基础[M]． 北京：高等教育出版社，2006． [6]沙占友． 数字测量技术与应用[M]． 北京：机械工业出版社，2004． [7]杨邦文． 应用电子小制作150例[M]． 北京：人民邮电出版社，2005． [8]陆勇． 电子线路实验与仿真[M]． 北京：清华大学出版社，2004． [9]王松武． 电子创新设计[J]． 国防工业出版社，2005． [10]张连庆，邱新平，马颖，朱文涛． 数字式压力测量仪表的研制与应用[J]． 实验技术与管理，2001，18． [11]颜锡儒． 浅谈压力仪表的实际应用[J]. 黑龙江科技信息，2011，6. [12]戴福全． 压力仪表在自动化生产控制中的应用[J].科技致富精灵,2012,24.东北石油大学课程设计绩效考核表课程名称过程控制仪表设计与生产实训课题名称数字压力表生产与应用学生姓名孙宇 学号 150601140421 指导教师姓名 王婷婷 吴攀超 职称 副教授 讲师编号 评价项目 满分 得分 1 工作量、工作态度和出勤率 按期圆满完成规定任务，难度和工作量满足教学要求，工作吃苦耐劳，遵守纪律，出勤率高，作风严谨数字式压力表，善于与人合作。 202 Course Design Quality 课程设计题目合理，计算过程简洁准确，分析问题清晰，结构严谨，艺术流畅，书写规整