單片機智能氣動(dòng)泵控制系統的設計

在火炮身管氣動(dòng)擦拭過(guò)程中，會(huì )遇到氣體的計量問(wèn)題。流量的精確測量是當前測控系統領(lǐng)域的一個(gè)重要內容。以C8051F020單片機為核心，可以設計一套智能氣動(dòng)泵控制系統，實(shí)現對氣動(dòng)泵進(jìn)行狀態(tài)檢測和控制。

C8051F020單片機功能簡(jiǎn)介:
8051F020器件是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有64個(gè)數字I/O引腳。其主要特性：1）高速、流水線(xiàn)結構的8051兼容的CIP-51內核（可達25MIPS）；2）全速、非侵入式的在系統調試接口（片內）；3）真正12位、100ks/s的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開(kāi)關(guān)；4）真正8位500ks/s的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開(kāi)關(guān)；5）兩個(gè)12位DAC，具有可編程數據更新方式；6）64KB可在系統編程的FLASH存儲器；7）4352（4096+256）B的片內RAM；8）可尋址64KB地址空間的外部數據存儲器接口；9）硬件實(shí)現的SPI、SMBus/I2C和兩個(gè)UART串行接口；10）5個(gè)通用的16位定時(shí)器；11）具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時(shí)器陣列；12）片內看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監視器和溫度傳感器。

具有片內VDD監視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F020是真正能獨立工作的片上系統。所有模擬和數字外設均可由用戶(hù)固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場(chǎng)更新8051固件。片內JTAG調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試。在使用JTAG調試時(shí)，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。每個(gè)MCU都可在工業(yè)溫度范圍（-45～+85℃）內用2.7～3.6V的電壓工作。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。

系統工作原理及結構設計
氣動(dòng)泵控制系統要實(shí)現對氣體流量進(jìn)行有效控制，包括采集氣體流量信息和實(shí)時(shí)控制氣體流量?？刂葡到y是以單片機為核心的監測與調控，可以獨立地完成氣體流量信息的采集、處理和顯示，還可通過(guò)標準的RS-485接口與上位機實(shí)現通信。系統原理結構框圖如圖1所示，它是一個(gè)小型的分布式數據采集與控制系統，主要由微控制器、氣體流量傳感器及其補償電橋、鍵盤(pán)和液晶顯示模塊、動(dòng)作執行機構和上位機組成。

圖1 系統工作原理圖

系統選用C8051F020作為系統的微控制器。它的主要作用是：1)通過(guò)設置其內部的差分電路對氣體流量進(jìn)行采樣；2)根據給定的兩個(gè)流量限值(上限和下限)進(jìn)行判斷，給出動(dòng)作執行機構相應指令；3)將處理后的采樣流量通過(guò)I/O口輸送給液晶顯示器，同時(shí)經(jīng)485總線(xiàn)輸送給上位機。

上位機將接收到的采樣氣體流量、兩個(gè)流量限值實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現對流量的實(shí)時(shí)監測。系統還允許從上位機修改流量上下限值。

鍵盤(pán)和液晶顯示模塊主要完成的功能為：通過(guò)鍵盤(pán)可以修改兩個(gè)流量限值；液晶顯示器將采樣流量、上下限流量顯示，顯示氣體流量調節過(guò)程。

采用氣體流量傳感器測得的流量模擬信號，經(jīng)平衡電橋對其進(jìn)行線(xiàn)性補償，再經(jīng)多路開(kāi)關(guān)分時(shí)送入A/D轉換器變成數字量傳給C8051F020單片機。

執行機構主要通過(guò)接受單片機發(fā)出的命令，對系統的負載提供信號，控制調節閥開(kāi)啟的大小，使實(shí)際流量逐漸接近，到達到給定流量，完成自動(dòng)調節過(guò)程。例如，當采樣流量比上限值低時(shí)，輸出一個(gè)信號給執行機構1；當高于上限值時(shí)，輸出一個(gè)控制信號給執行機構2。

系統的硬件設計
系統的硬件設計采用模塊式結構，結構緊湊，有利于調試和維護。系統硬件電路設計包括四大部分：?jiǎn)纹瑱C核心控制模塊、氣體流量檢測模塊、液晶顯示模塊、控制執行模塊和通信模塊。

1單片機核心控制模塊
單片機核心控制模塊的設計主要包括C8051F020單片機的最小系統、鍵盤(pán)及液晶顯示電路的設計。其中，AIN0.0和AIN0.1作為氣體流量采樣的輸入端；P0.0和P0.1為通信提供輸入/輸出信號；P1口作為鍵盤(pán)引出端；P6口和P5口的部分引腳作為液晶的數據口和控制口；P2.4和P2.5分別作為可執行機構1和2的控制信號輸出端。CGM12864B點(diǎn)陣液晶顯示屏是由2片帶控制器的列驅動(dòng)電路KS0108和1片行驅動(dòng)電路KS0107組成主要的硬件電路。顯示方面由1片128×64像素的液晶片組成。KS0108將顯示區分為左右半屏，整個(gè)屏從上到下64行分為8頁(yè)，每頁(yè)8行。其液晶顯示電路如圖2所示。

圖2 液晶顯示電路圖

2氣體流量檢測模塊
該模塊主要由氣體流量傳感器、整形放大電路、多路開(kāi)關(guān)和A/D轉換器轉換電路等組成。主要完成將傳感器檢測到的與氣體流量相對應的模擬量作整形放大，變成C8051F020單片機能接收的數字量。

被測氣體在規定的流量、壓力范圍內通過(guò)流量計時(shí)，其瞬時(shí)容積流量Qi為
Qi=N/ξi (1)
式中，N為1s內輸出的脈沖數；ξi為流量計系數。

檢測氣體流量時(shí)，CPU內部定時(shí)器/計數器CTC1不斷采樣流量計輸出的脈沖數，并通過(guò)硬件中斷每秒對測得的流量運算一次，求得被測氣體的瞬時(shí)容積流量Qi和累計容積流量Qv。

3 控制執行模塊
控制執行模塊主要作用是對外部輔助設備進(jìn)行控制，如空氣壓縮機。本系統的外部電路接口，通過(guò)一個(gè)三極管電路，可以方便的與外部電路連接，單片機控制外部繼電器電路圖如圖3所示。

圖3 繼電器電路圖