基于C8051F040的壓力機控制系統設計

2 控制器硬件組成
該系統在原壓力機的基礎上增加控制器和計算機，其組成如圖l所示。該系統分為壓力機(機構)、控制柜(強電控制)、控制器(弱電控制)和計算機(人機交互界面)等4部分。

控制器處于計算機和控制柜之間，控制器和計算機之間采用USB通訊，控制器接收計算機指令則控制各個(gè)開(kāi)關(guān)和模擬信號，并同時(shí)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的壓力閾值相比較，進(jìn)而控制調節閥開(kāi)度，采用PID算法實(shí)現加壓速度的自動(dòng)調節，進(jìn)入保壓期后再控制調節閥使壓力值達到恒定。
根據控制器的功能要求，該控制器應具有計算能力、采集模擬量信號、控制開(kāi)關(guān)量和模擬量信號并能通過(guò)USB總線(xiàn)和計算機通訊、該控制器組成模塊為CPU、A/D轉換、D／A轉換，V／I轉換、繼電器陣列和RS232／USB轉換器，如圖2所示。

CPU采用C8051F040，它具有高速8051微控制器內核，流水線(xiàn)指令結構；70％指令執行時(shí)間為1～2個(gè)系統時(shí)鐘周期，因此其運算速度較快；內部集成有13個(gè)，12位A／D轉換器，可將壓力溫度模擬信號轉換為數字信號；2個(gè)12位D／A轉換器，根據需要控制調節閥；2個(gè)UART串口，用于單片機和計算機通訊；64個(gè)I／O端口，用于控制開(kāi)關(guān)量信號；64 KB Flash程序存儲器，使系統在線(xiàn)編程；4 K RAM可在編程。因此，C8051F040是一款功能強大的單片機,是該系統設計的核心。

3 單元電路設計
3．1 USB通訊電路設計
由于單片機提供RS232通訊接口，而計算機采用USB接口，因此需要USB和RS232接口轉換電路,該系統設計采用CP2101，它是Silicon公司生產(chǎn)的高度集成的USB轉UART橋接器，內置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有調制解調器控制信號的異步串行數據總線(xiàn)(UART)，工作時(shí)無(wú)需其他外部元件。
Silicon提供免費的驅動(dòng)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(gè)基于CP2101的產(chǎn)品作為PC機的一個(gè)虛擬COM端口，使用CP2101的UART接口處理所有的RS232信號，而無(wú)需更改現存的同件COM端口。
CP2101 UART接口包括TXD(發(fā)送)和RXD(接收)數據信號以及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機的COM端口配置時(shí)，編程設置UART的數據格式和波特率。該系統設計采用3線(xiàn)制串口，波特率19．2 Kb／s，1位起始位，8位數據位，1位停止位，無(wú)校驗位。圖3為USB轉RS232接口電路。圖中RXD和TXD連接單片機串口，USB接口依次是+5 V、D-、D+和GND，工作時(shí)連接計算機任意USB接口。

3．2 模擬量采集信號調理電路
由于系統需采集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電阻即可轉換為0～5 V的電壓信號，圖4是任一路信號調理電路。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(shí)，輸入電壓信號；接R204(250 Ω)電阻時(shí)，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，可將信號轉換為0．5～2．5 V，R208和C204用于低通濾波，U21B為比例運放，由于運放單電源供電，所以設計為同相比例運算，R220和R224為分壓電阻，根據試驗確定阻值，VD24和VD28為保護電路。