基于无线通信的消防管道压力监测系统设计.doc

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1、基于无线通信的消防管道压力监测系统设计摘要：针对传统压力检测记录方法存在的问题，提出一种低功耗消防管道无线压力监测系统的方法。该方法根据低功耗设计理念，对压力采集系统的硬件电路、软件流程进行设计。硬件电路以PIC18F87K90单片机为核心，具有液晶显示、按键开关、无线传输等功能。软件设计实现了温度补偿功能，并简化了外围电路，降低了系统功耗，提高了数据采集精度。最后o出了传感器在测量范围为040MPa的测试结果：最大误差为0.04Mpa，可满足系统的精度要求。关键词：无线通信；压力检测；传感器；低功耗；PIC18F87K90；消防管道引言目前，消防安全意识越来越深入人心。为了保证消防系统正常运

2、行，在火灾发生时能够及时投入工作，需要对消防设备进行经常性检查维护。消防管道是输送消防用水的管道，是消防系统中的重要一环。随着压力测量的应用越来越广泛，对压力测量仪器的要求也越来越高13。数字压力表是在工业、交通运输、航空及许多其它领域广泛应用的一种检测仪表，压力是衡量消防管道是否正常运行的一个重要指标，关系到消防管道的强度和严密性45。因此，需要在重要节点、分支、端口等处对管道压力进行检测记录。以往靠人工巡视往往因为数量多、路程远、不方便操作等原因造成漏检、错检，给消防管道的维护带来隐患68。由此可见，设计一款远程消防管道检测系统刻不容缓，通过该系统可对管道压力进行自动测量、自动记录及上传数

3、据，并通过数据终端进行分布式查看，具有自动化程度高、测量用时短、维护量小、费用低、节省人工成本等优势。1系统组成整个系统由压力表、集中器、服务器和用户终端4部分组成。工作原理如下：消防管道压力由压力表进行测量，然后把压力数据按一定的数据格式（ModBus协议）传送给集中器；压力表和集中器之间通过二线制仪表总线MBUS总线连接。由于集中器安装于现场，一个集中器带有多个压力表，分布范围广、距离远，因此集中器与服务器通过GPRS传递数据；服务器存储压力数据，接受终端查询， 并把来自终端的命令下发到集中器。图1系统框架1.1数字式压力表数字式压力表处于系统最底层，属于下位机部分，需要实现的功能有：测量

4、功能：对管道压力进行精确测量；通讯功能：能接受集中器的“读取数据”命令，将数据传输给集中器。1.2集中器集中器在数据传输中起承上启下作用，需要实现的功能有：与压力表的通讯功能：对压力表进行参数配置，读取压力表测量结果；与服务器的通讯功能：接收服务器或用户通过服务器发送的压力表测量命令，读取压力数值并进行存储、上传处理。1.3Internet服务器Internet服务器负责连接集中器和用户终端，需要实现的功能有：与集中器的通讯功能：转发用户终端对压力表的测量命令给集中器；向集中器发送“读取数据”命令，并将接收到的数据存储到数据库；数据库功能，对压力表数据进行存储维护；C/S结构的服务器功能：接收

5、用户终端的“数据查询”命令，读取数据库信息，并提供相应数据。1.4用户终端用户终端处于系统的最高层，负责人机交互，需要实现的功能有：以适当的格式显示压力表数据；判断数据是否超限、压力表工作是否正常，并给出报警信息。2数字式压力表设计本文目标为设计一款高精度、低功耗的数字压力表，压力表量程是040.000 MPa，精度为0.2%，因此其对于压力校验设备、压力容器配套、自动化产线检验等更加适用。设计总体框图如图2 所示，外围电路主要包括MCU 模块、压力传感器模块、液晶显示模块、电源数据采集和按键电路等。压力传感器模块采用NKP191 型压力传感器，与目前市场上大多数数字压力表使用的陶瓷压阻式传感

6、器和陶瓷电容压力传感器不同，它是扩散硅压阻式传感器。扩散硅压阻式传感器比陶瓷压阻式传感器内阻小，且稳定性和精度更佳，与陶瓷电容压力传感器相比，其价格更便宜，安装也更加简便。总体而言，NKP191 型压力传感器各方面比较平衡。设计的压力表另外一个优点是具有液晶显示模块，LCD 液晶由单片机直接驱动，可以去除LCD 驱动芯片，简化外围电路。2.1信号放大电路压力传感器采集压力信号并转换为电信号，再经过信号放大电路处理，传入单片机的模拟通道，虽然选用的压力传感器输出信号较大，但其差值信号很小，大约只有毫伏级别。由于单片机无法直接采集传送该压力信号，因此单片机与压力传感器之间需要有一个放大器模块。本数

7、字式压力表采用的放大电路模块是基于Microchip公司MCP6001芯片的差分放大电路，通过对压力传感器两个输出引脚的压力信号作差分运算，即将小信号作适当的放大处理，之后输送给单片机进行处理。如图3所示是放大电路模块的差分放大电路图，压力传感器两个输出端的V+和V-信号经过差分运算放大器放大，然后传送给单片机的模拟信号采集通道引脚AN1进行信号采集。其中，运算放大器供电电源引脚和PIC18F87K90单片机AD模块的外部参考电压引脚都和单片机的RC7引脚连在一起，从而保证两部分供电电压的一致性。然而，由于供电电源是两节干电池，共3伏，长时间使用后会导致电压下降，导致供电电压不稳定，最后导致模块工作的不可靠性，从而影响了系统压力采集的准确性。为了消除这一影响，在供电电源与模块之间加入了D1稳压二极管LM4040的稳压器，可使运算放大器的供电电源和单片机AD模块的参考电压长期保持在一个恒定状态。2.2显示驱动电路由于PIC18F87K90内部集成了LCD驱动电路，不需要额外的驱动电路，从而简化了电路结构。该单片机通过产生时序控制来驱动静态和复用的LCD面板，只需配置单片机内部的一些寄存器，即能实现LCD液晶屏显示的动态修改，能驱动最多具有4个公共端和32个段的面板，还可以控制LCD像素数据，其内部的7抽头梯形电阻还可以动态改变对比度，使图像显示更加清晰。3