《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于C8051F040的壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計
摘要: 壓(拉)力機(jī)是用于檢測建材及某種產(chǎn)品強(qiáng)度的機(jī)械。它根據(jù)工作方式分為壓和拉兩種,其工作力均由油泵產(chǎn)生,因此統(tǒng)稱壓力機(jī)。壓力系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制柜組成,工作時先安裝試件,人工手動按下開始按鈕,觀察壓力值,根據(jù)不同材料相應(yīng)調(diào)節(jié)加壓速度,使其到達(dá)額定壓力,進(jìn)而進(jìn)入保壓期,由于同時還需記錄數(shù)據(jù),因此要求熟練人員操作。
Abstract:
Key words :

  1 引言

  壓(拉)力機(jī)是用于檢測建材及某種產(chǎn)品強(qiáng)度的機(jī)械。它根據(jù)工作方式分為壓和拉兩種,其工作力均由油泵產(chǎn)生,因此統(tǒng)稱壓力機(jī)。壓力系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制柜組成,工作時先安裝試件,人工手動按下開始按鈕,觀察壓力值,根據(jù)不同材料相應(yīng)調(diào)節(jié)加壓速度,使其到達(dá)額定壓力,進(jìn)而進(jìn)入保壓期,由于同時還需記錄數(shù)據(jù),因此要求熟練人員操作。

  為了減輕操作人員的工作強(qiáng)度,提高實驗精度,這里給出一種智能壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)工作時操作人員用鼠標(biāo)選擇材料,并按下開始試驗按鈕,計算機(jī)則按照預(yù)定方案自動操作,操作完成后可打印出試驗曲線和結(jié)論報表。

  2 控制器硬件組成

  該系統(tǒng)在原壓力機(jī)的基礎(chǔ)上增加控制器和計算機(jī),其組成如圖l所示。該系統(tǒng)分為壓力機(jī)(機(jī)構(gòu))、控制柜(強(qiáng)電控制)、控制器(弱電控制)和計算機(jī)(人機(jī)交互界面)等4部分。

壓力機(jī)組成

  控制器處于計算機(jī)和控制柜之間,控制器和計算機(jī)之間采用USB通訊,控制器接收計算機(jī)指令則控制各個開關(guān)和模擬信號,并同時采集油泵和油缸的壓力和溫度信號,將采集的壓力值和計算機(jī)的壓力閾值相比較,進(jìn)而控制調(diào)節(jié)閥開度,采用PID算法實現(xiàn)加壓速度的自動調(diào)節(jié),進(jìn)入保壓期后再控制調(diào)節(jié)閥使壓力值達(dá)到恒定。

  根據(jù)控制器的功能要求,該控制器應(yīng)具有計算能力、采集模擬量信號、控制開關(guān)量和模擬量信號并能通過USB總線和計算機(jī)通訊、該控制器組成模塊為CPU、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換,V/I轉(zhuǎn)換、繼電器陣列和RS232/USB轉(zhuǎn)換器,如圖2所示。

控制器組成模塊

  CPU采用C8051F040,它具有高速8051微控制器內(nèi)核,流水線指令結(jié)構(gòu);70%指令執(zhí)行時間為1~2個系統(tǒng)時鐘周期,因此其運(yùn)算速度較快;內(nèi)部集成有13個,12位A/D轉(zhuǎn)換器,可將壓力溫度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;2個12位D/A轉(zhuǎn)換器,根據(jù)需要控制調(diào)節(jié)閥;2個UART串口,用于單片機(jī)和計算機(jī)通訊;64個I/O端口,用于控制開關(guān)量信號;64 KB Flash程序存儲器,使系統(tǒng)在線編程;4 K RAM可在編程。因此,C8051F040是一款功能強(qiáng)大的單片機(jī),是該系統(tǒng)設(shè)計的核心。

  3 單元電路設(shè)計

  3.1 USB通訊電路設(shè)計

  由于單片機(jī)提供RS232通訊接口,而計算機(jī)采用USB接口,因此需要USB和RS232接口轉(zhuǎn)換電路,該系統(tǒng)設(shè)計采用CP2101,它是Silicon公司生產(chǎn)的高度集成的USB轉(zhuǎn)UART橋接器,內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有調(diào)制解調(diào)器控制信號的異步串行數(shù)據(jù)總線(UART),工作時無需其他外部元件。

  Silicon提供免費(fèi)的驅(qū)動程序,支持Win98/Me/2k/XP/CE,MAC OS-9、MAC 0S-X以及Linux部分版本。方便地將一個基于CP2101的產(chǎn)品作為PC機(jī)的一個虛擬COM端口,使用CP2101的UART接口處理所有的RS232信號,而無需更改現(xiàn)存的同件COM端口。

  CP2101 UART接口包括TXD(發(fā)送)和RXD(接收)數(shù)據(jù)信號以及RTS,CTS,DSR,DTR,DCD和RI控制信號,UART支持RTS/CTS,DSR/DTR和X-On/X-Off握手,在PC機(jī)的COM端口配置時,編程設(shè)置UART的數(shù)據(jù)格式和波特率。該系統(tǒng)設(shè)計采用3線制串口,波特率19.2 Kb/s,1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,無校驗位。圖3為USB轉(zhuǎn)RS232接口電路。圖中RXD和TXD連接單片機(jī)串口,USB接口依次是+5 V、D-、D+和GND,工作時連接計算機(jī)任意USB接口。

USB轉(zhuǎn)RS232接口電路

  3.2 模擬量采集信號調(diào)理電路

  由于系統(tǒng)需采集1~5 V電壓和4-20 mA電流的模擬信號,對于電流信號只要在電流環(huán)串聯(lián)一只250 Ω電阻即可轉(zhuǎn)換為0~5 V的電壓信號,圖4是任一路信號調(diào)理電路。該電路可輸入電壓信號或電流信號,輸入信號為ADI4。ADI4不接尺R204時,輸入電壓信號;接R204(250 Ω)電阻時,則輸入電流信號,U22B是電壓跟隨器,輸出1~5 V,后接2只分壓電阻R228和R232,可將信號轉(zhuǎn)換為0.5~2.5 V,R208和C204用于低通濾波,U21B為比例運(yùn)放,由于運(yùn)放單電源供電,所以設(shè)計為同相比例運(yùn)算,R220和R224為分壓電阻,根據(jù)試驗確定阻值,VD24和VD28為保護(hù)電路。

任一路信號調(diào)理電路

  3.3 開關(guān)量驅(qū)動電路

  由于該系統(tǒng)開關(guān)量控制信號較大,故采用同態(tài)繼電器和三極管組合驅(qū)動,如圖5所示。圖中K1為同態(tài)繼電器,COM和DO1為常開觸點的2個接線端子;VD401為繼電器線圈續(xù)流二極管,VQ1為NPN三極管,工作在OC方式下。單片機(jī)控制VQ1以驅(qū)動繼電器的線圈。

開關(guān)量驅(qū)動電路

  3.4 模擬量輸出電路

  利用模擬量控制調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)閥控制信號是4~20 mA電流信號,但下一代調(diào)節(jié)閥可能是1~5 V電壓信號控制,為了方便互換,設(shè)計了電流輸出和電壓輸出選擇跳線,如圖6所示。單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓信號,經(jīng)過同相比例運(yùn)算放大器信號為0~5 V,如果輸出電壓信號可用跳線將JP1的1和2短路,JP2輸出電壓信號;如果輸出電流信號,可用跳線將JP1的2和3短路,信號輸入至AD694電壓/電流轉(zhuǎn)換器,則JP2輸出電流信號。AD694供電電源電壓范同寬,其范圍為4.5~36 V,根據(jù)不同連線方式可輸入0~2 V、O~2.5 V、0~10 V和0~12.5 V,輸出可選O~20 mA和4~20 mA。該系統(tǒng)設(shè)計輸入為0~2.5 V,輸出4~20 mA。

 

模擬量輸出電路

  4 軟件設(shè)計

  控制器是以單片機(jī)為核心,設(shè)計采用C語言編寫,其流程圖如圖7所示。上電運(yùn)行后先初始化,包括端口、定時器、串口和中斷等初始化;初始化完成后等待上位機(jī)開始試驗指令和壓力閾值,收到指令后打開電源,根據(jù)壓力閾值進(jìn)行PID預(yù)算,利用運(yùn)算結(jié)果控制調(diào)節(jié)器,試驗結(jié)束后卸載油缸,然后斷電停機(jī)。

流程圖

  5 結(jié)論

  在分析現(xiàn)有的手動操作壓力機(jī)缺點的基礎(chǔ)上,提出智能壓力機(jī)方案和組成原理,并著重論述弱電控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計,介紹基于USB接口的采集控制系統(tǒng)組成原理,詳細(xì)論述各個單元電路設(shè)計。該控制器已通過實驗測試,達(dá)到預(yù)期效果,研制出產(chǎn)品樣機(jī),為批量生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

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