深海環(huán)境模擬實(shí)驗裝置壓力控制系統設計

摘要：為了模擬深海高壓環(huán)境，研制了一套深海環(huán)境模擬試驗裝置，在對深海環(huán)境模擬裝置控制系統結構原理分析的基礎上，提出了一種針對壓力的闊環(huán)控制策略，采用以Atmega8L單片機為核心的主控電路、以ECN30206為核心的驅動(dòng)電路、以Max7219為核心的顯示電路，設計了穩壓控制的定頻調寬變速控制系統的硬件電路，并進(jìn)行了相應的軟件編制，實(shí)現了控制電路各模塊的自由組合，以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需求，又可組成閉環(huán)控制系統，不但能夠顯著(zhù)提高深海環(huán)境模擬裝置的壓力控制精度，同時(shí)還具有節能的效果。
關(guān)鍵詞：深海環(huán)境；模擬試驗裝置；壓力控制；電路設計

深海海底有大量的礦產(chǎn)資源和微生物群落，對該環(huán)境下進(jìn)行的生物成礦作用、生命起源等的問(wèn)題研究，將有助于闡明深海微生物受壓力調節的代謝機制，獲得寶貴的極端環(huán)境基因資源，對地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和生命科學(xué)等一系列學(xué)科研究具有重大的意義。然而由于其處于深海極端環(huán)境這一特殊性，難以身臨其境進(jìn)行觀(guān)察與研究，需要在實(shí)驗室建立海底極端環(huán)境的模擬系統進(jìn)行實(shí)驗來(lái)配合相關(guān)科學(xué)研究。
針對深海環(huán)境的特殊性，開(kāi)發(fā)了一套耐高溫高壓的模擬試驗裝置，本文主要探討該裝置壓力精確穩定控制電路設計及控制軟件開(kāi)發(fā)中的相關(guān)問(wèn)題。

1 設計要求及系統組成
1．1 設計要求
研究工作以及要達到的技術(shù)指標如下：
1)壓力控制范圍為0～20 MPa，精度為+2％FS，最小的壓力梯度為1％／min；
2)對壓力的精確穩定控制，在全工作范圍內連續可調；
3)對壓力、流量實(shí)時(shí)曲線(xiàn)及數字顯示，具有曲線(xiàn)記錄及回放功能。
1．2 系統組成
該模擬實(shí)驗裝置主要包括由水泵、深海環(huán)境模擬艙、水箱和管路等組成的深海環(huán)境模擬系統，及其監測與控制系統，可模擬海底熱液口的極端海洋環(huán)境，也可模擬一般的海洋環(huán)境，還可以完成樣品的培養、加樣、取樣等，其中泵的流量可以根據需要在輸出流量范圍內無(wú)級調節，功能切換可以通過(guò)截止閥的開(kāi)或關(guān)來(lái)實(shí)現。監測與控制系統主要完成溫度、壓力、流量等參數的監測及控制。整個(gè)系統構成如圖1所示。

本文主要介紹壓力精確穩定控制系統的設計，其它部分另文介紹。系統中的電機選用調速性能好、體積小、效率高的三相無(wú)刷直流電機，因為單片機價(jià)格低，片內資源豐富，且可以靈活編制程序，所以采用以單片機為核心的控制系統。工作時(shí)，傳感器把檢測到的管路壓力及負載轉速反饋到單片機，進(jìn)一步去觸發(fā)由PI構成的調速系統，以PWM方式對電機進(jìn)行調速，電機帶動(dòng)油泵工作提供連續可調的壓力源。

2 控制系統硬件電路設計
控制系統總體框圖如圖2所示，本控制系統主要由控制電路、驅動(dòng)電路、顯示電路、RS485接口電路組成。本系統是速度閉環(huán)系統，霍爾位置傳感器的位置信號處理后送專(zhuān)用驅動(dòng)芯片后產(chǎn)生一個(gè)速度脈沖信號，經(jīng)單片機處理轉換成轉速，再運用增量式Pl算法，得到PWM控制信號，經(jīng)光電耦合電路驅動(dòng)專(zhuān)用集成驅動(dòng)芯片閉環(huán)控制電機轉速；同時(shí)單片機還監控控制系統的運行狀態(tài)，當系統出現短路、過(guò)流、過(guò)壓等故障時(shí)單片機將封鎖PWM輸出信號，使電機停機，并通過(guò)LED電路顯示故障?？紤]到應用的場(chǎng)合不同，對控制系統的需求也不同，本文設計各功能部件時(shí)考慮相互獨立性并保留好相應的接口以便構成一個(gè)完整的系統。