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發(fā)布日期:2022-04-18 點(diǎn)擊率:59
以高性能單片機(jī)C8051F020為核心控制芯片的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng),能自動(dòng)測(cè)溫,到測(cè)溫點(diǎn)自動(dòng)輸出線性電流、自動(dòng)采集負(fù)載壓力等,并進(jìn)行計(jì)算、顯示及打印測(cè)試數(shù)據(jù),其可靠性、精度、效率都大大提高。 1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2 硬件組成 在A/D采集通道電路中,模擬輸入信號(hào)經(jīng)一階低通濾波器,緩沖倒相后輸出,如圖3所示,有三路相同的電路,經(jīng)內(nèi)部模擬開(kāi)關(guān)切換。 溫度的控制是由光電隔離電路、G3NA-220B固體繼電器和水閥繼電器等器件所組成的,分別用來(lái)控制油箱的加熱管或水冷散熱器以升溫和降溫。整個(gè)電路采取了多種抗干擾措施,其中在輸入和輸出加有WS系列三端口V/V電壓輸入、V/I電流輸出型隔離端子。溫度和壓力變送器的輸出信號(hào)為0~5 V。電流輸出為0~±5 mA,恒流特性,在閥繞組阻抗變化范圍內(nèi),精度達(dá)0.2%。
系統(tǒng)進(jìn)入溫度零漂測(cè)試狀態(tài)時(shí),由嵌入式微計(jì)算機(jī)控制,升溫信號(hào)通過(guò)光電隔離控制固體繼電器組去驅(qū)動(dòng)油箱里11個(gè)功率是kW級(jí)的加熱管快速升溫。到某個(gè)測(cè)溫點(diǎn)時(shí),自動(dòng)輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的模擬三角波周期信號(hào)加在伺服閥的繞組上,驅(qū)動(dòng)伺服閥工作,使得閥的兩個(gè)負(fù)載腔的壓力值隨控制電流大小呈差動(dòng)變化。壓力的變化作用在壓力變送器上,經(jīng)A/D不斷采樣比較,當(dāng)差值為最小時(shí)(一個(gè)周期出現(xiàn)兩次最小值),計(jì)算機(jī)由此計(jì)算出對(duì)應(yīng)加在伺服閥上的電流零偏值。當(dāng)循環(huán)到最高溫度后,自動(dòng)關(guān)閉加熱器,并控制電磁閥打開(kāi)水冷散熱器降溫,然后重復(fù)以上測(cè)試過(guò)程,直到降溫回到起始溫度點(diǎn),結(jié)束測(cè)試。這中間計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示、打印當(dāng)前溫度點(diǎn)的溫度和所需要的數(shù)據(jù),控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。
C8051F020是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片(SoC),單片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括:模擬多路選擇器、ADC、可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、定時(shí)器、內(nèi)部振蕩器、RAM、Flash存儲(chǔ)器、看門狗等。其以“流水線”結(jié)構(gòu)方式處理指令,運(yùn)行效率高,大部分只要1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。這極大地簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì),可以很方便地在其外圍擴(kuò)展相應(yīng)調(diào)理電路組成整個(gè)硬件系統(tǒng)。在D/A轉(zhuǎn)換通道電路中,來(lái)自F020內(nèi)部電壓基準(zhǔn)VREF經(jīng)U1緩沖放大,作為U2負(fù)端的基準(zhǔn)電壓,U3正端接F020的DA單級(jí)性輸出,經(jīng)一階低通濾波器、緩沖放大處理后變?yōu)?~±5V輸出信號(hào)。由于偏移電路的存在,芯片D/A端口初始化設(shè)置前或復(fù)位瞬間,將產(chǎn)生-5mA的瞬間電流,對(duì)伺服閥產(chǎn)生不良的沖擊。為避免這一情況的發(fā)生,用一路I/O經(jīng)光電隔離后去控制一只OM-RON高響應(yīng)繼電器(約1 ms),根據(jù)指令接通和斷開(kāi)與伺服閥的連接,如圖2所示。
8位LED顯示、5個(gè)軟鍵盤輸入,采用了專用的CH452數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制芯片,其外圍電路極簡(jiǎn)單,接口速度快、性能穩(wěn)定,與C8051F020控制器采用4線串行接口,主要是以其硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)其大部分功能,編程相對(duì)簡(jiǎn)單,如圖4所示。
電源采用紋波較小、EMI較好的模塊式一體化的線性電源。采用嵌入式微型打印機(jī)打印簡(jiǎn)單的漢字和數(shù)據(jù)。
3 數(shù)據(jù)采集處理
系統(tǒng)的D/A模擬輸出Vo=5×(D-2 048)/2 048,D值范圍為0~4 096,即為0~±5 V輸出,經(jīng)V/I隔離轉(zhuǎn)換成0~±5 mA的控制電流。隔離器件精度優(yōu)于0.3%。D/A模擬轉(zhuǎn)換電流分辨率=模擬電流值/D=5/2 048≈2.441 4μA
由于閥的遲滯存在,要求加在伺服閥控制繞組上的三角波電流信號(hào)的頻率要低,其周期T=20 s。將組成周期三角波形的數(shù)字值放在DA中的4 096個(gè)緩存器中。當(dāng)啟動(dòng)DA自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí),由T3定時(shí)器控制,每20/4 096=0.004 882 s中斷一次,將緩沖區(qū)的波形值送出。由于采用的是22.118 4 MHz晶振作為時(shí)鐘源,C8051F020處理的速度很快,在程序中斷的4.88 ms時(shí)間里完成采集和相關(guān)濾波處理計(jì)算是綽綽有余的。系統(tǒng)同時(shí)對(duì)1路油溫、1路室溫、2路壓力信號(hào)進(jìn)行采集,采樣頻率20 kHz,連續(xù)循環(huán)采集后,進(jìn)行去除最大和最小值和數(shù)字平均值濾波法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波。
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