在液壓傳動(dòng)及控制系統(tǒng)中，壓力，流量，溫度，馬達(dá)及泵的轉(zhuǎn)速等參數(shù)直接反映了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，因此需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)改變這些參數(shù)來(lái)調(diào)控整個(gè)液壓系統(tǒng)。變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)以變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵為動(dòng)力源，利用電信號(hào)對(duì)速度，轉(zhuǎn)矩，壓力等參量進(jìn)行補(bǔ)償。與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比控制性能有所提高，達(dá)到了更好的節(jié)能效果。它具有良好的調(diào)速性能，機(jī)械特性，高調(diào)速比和高可靠性，以單片機(jī)為主的控制器變轉(zhuǎn)速液壓測(cè)控系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)成本低，集成性高且響應(yīng)快，軟硬件擴(kuò)展升級(jí)方便，可以同時(shí)控制的參量多，順應(yīng)了變頻液壓技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
該設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，以變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)為試驗(yàn)研究對(duì)象，對(duì)試驗(yàn)中涉及的參數(shù)進(jìn)行分析研究及控制。該測(cè)控系統(tǒng)對(duì)變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，記錄，處理，并且根據(jù)參數(shù)變化對(duì)變頻器或比例閥進(jìn)行控制。系統(tǒng)編程采用C51與匯編語(yǔ)言共同開(kāi)發(fā)，程序編寫(xiě)靈活，可植入性好，調(diào)試簡(jiǎn)單，并能夠滿足測(cè)控系統(tǒng)要求。
1試驗(yàn)系統(tǒng)介紹
變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)，是變轉(zhuǎn)速液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的一種基本傳動(dòng)系統(tǒng)，主要由變頻器，電動(dòng)機(jī)，泵，流量控制閥和馬達(dá)組合而成。三相電源接入變頻器的輸入側(cè)，經(jīng)過(guò)變頻器的控制信號(hào)，變頻器將380 V/50Hz的工頻電源變換成特定電壓信號(hào)供給異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主液壓泵旋轉(zhuǎn)，輸出一定流量的壓力油，壓力油經(jīng)單向閥，截止閥和比例方向閥驅(qū)動(dòng)雙向定量馬達(dá)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，馬達(dá)出油口的低壓油經(jīng)比例方向閥再流回油箱。馬達(dá)輸出軸用聯(lián)軸器同轉(zhuǎn)子軸相連，在輸出軸的一端安裝一個(gè)加載泵，利用它來(lái)模擬實(shí)際工作負(fù)載，并通過(guò)溢流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)的模擬加載。
在該試驗(yàn)系統(tǒng)中，需要對(duì)系統(tǒng)中的8路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要包括4路壓力信號(hào)，2路轉(zhuǎn)矩信號(hào)及2路轉(zhuǎn)速信號(hào)；根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)的要求，確定系統(tǒng)各被測(cè)參數(shù)的工作范圍，實(shí)測(cè)信號(hào)若超限則單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)；測(cè)控系統(tǒng)根據(jù)被測(cè)參數(shù)的變化按一定的控制算法控制變頻器，比例方向閥和比例溢流閥。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
變轉(zhuǎn)速液壓試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)，該測(cè)控系統(tǒng)的硬件包括微控制器，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集，鍵盤(pán)及顯示電路，報(bào)警電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和異步串行通信等。
2.1微控制器
單片機(jī)是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的核心部分，測(cè)控系統(tǒng)不僅要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)的8路信號(hào)，同時(shí)還要對(duì)變頻器，比例方向閥和比例溢流閥進(jìn)行控制，因此核心控制器要選用較高性能的單片機(jī)。
該測(cè)控系統(tǒng)采用低功耗，性能高的CMOS8位單片機(jī)AT89S51，其內(nèi)部有4K的Flash程序存儲(chǔ)器，32個(gè)可編程I/O引腳，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)時(shí)器，6個(gè)中斷源，最高工作頻率是33MHz，同時(shí)兼有看門(mén)狗功能，低功耗空閑和掉電模式，與MCS-51系列產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容，調(diào)試方便。
2.2A/D轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理
液壓系統(tǒng)的8路信號(hào)通過(guò)壓力傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器及轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得后，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)化為A/D轉(zhuǎn)換器能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。測(cè)控系統(tǒng)選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是高精度，低噪聲及低漂移的多路輸入，單電源供電，主次逼近型且分辨率為12位的MAX197.它不僅能提供8位模擬輸入通道，而且該芯片還具有信號(hào)調(diào)理模塊和故障保護(hù)電路，當(dāng)任何通道上發(fā)生故障，并不影響選擇其他通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。該芯片完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間僅為6μs，最大采樣速率為100 kbps.MAX197與微控制器的連接原理如圖3所示。
2.3鍵盤(pán)及顯示電路
測(cè)控系統(tǒng)采用了Inbbb公司生產(chǎn)的8279鍵盤(pán)顯示控制芯片，它可以對(duì)鍵盤(pán)矩陣進(jìn)行自動(dòng)掃描，并在有鍵輸入時(shí)向單片機(jī)請(qǐng)求中斷，使顯示緩沖器中的數(shù)據(jù)在顯示器上顯示出來(lái)。8279外接一個(gè)4×4的鍵盤(pán)，主要是完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及控制命令的輸入。
液晶顯示器采用點(diǎn)陣圖形液晶模塊MGL-12032A，其內(nèi)置2片SED1520驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)對(duì)使能引腳E1和E2的選擇，從而分別控制左右半屏。與單片機(jī)連接后，把液晶模塊當(dāng)作存儲(chǔ)器的一部分對(duì)待，直接使用存儲(chǔ)器讀寫(xiě)進(jìn)行I/O操作。MGL-12032A的D0-D7口與8279的8個(gè)顯示輸出口相連，A0引腳是數(shù)據(jù)/指令通道選擇端，A0=1時(shí)是數(shù)據(jù)通道，A0=0時(shí)是指令通道。SED1520的RAM總共有32行，分成4個(gè)頁(yè)面，每8個(gè)像素行組成1頁(yè)，一共是120列，每個(gè)控制器控制60列。
2.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路
測(cè)控系統(tǒng)不僅要對(duì)壓力，轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速等8路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，處理，還要根據(jù)參數(shù)變化按一定的控制算法對(duì)液壓試驗(yàn)系統(tǒng)的變頻器，比例閥進(jìn)行控制，測(cè)控系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量較大，而AT89S51內(nèi)部只具有128×8位的RAM，所以還需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器RAM.選用INbbb公司62系列MOS型靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器產(chǎn)品6264，它是容量為8K×8位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片，由一個(gè)+5V電源供電。
2.5異步串行通信
為了能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)還需要與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。以PC機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)構(gòu)成整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)。單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)與PC機(jī)的異步數(shù)據(jù)通信采用串行通信接口芯片MAX232A來(lái)完成。MAX232A是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，內(nèi)含一個(gè)電容性電壓發(fā)生器，以便在一個(gè)+5V電源供電時(shí)，提供EIA/TIA-232E電平，每個(gè)接收器將EIA/ TIA-232E電平輸入轉(zhuǎn)換成+5VTTL/CMOS電平，此時(shí)只要外接0.1μF的電容即可。
2.6報(bào)警提示電路
在測(cè)控系統(tǒng)中，需要對(duì)8個(gè)傳感器測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行超限報(bào)警提示，一旦參數(shù)超過(guò)系統(tǒng)允許值，即進(jìn)行報(bào)警。本設(shè)計(jì)選擇7406為報(bào)警驅(qū)動(dòng)器，蜂鳴器一端接+5V電源，另一端與2號(hào)接口7406相連；1號(hào)接口7406連接譯碼器輸出口，一個(gè)3-8譯碼器可以同時(shí)控制8個(gè)蜂鳴器。
3軟件設(shè)計(jì)
由于液壓系統(tǒng)參數(shù)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，所以該測(cè)控系統(tǒng)的程序由匯編語(yǔ)言和C51語(yǔ)言共同開(kāi)發(fā)完成。C51語(yǔ)言具有良好的模塊化，容易閱讀和維護(hù)系統(tǒng)，可植入性好。而對(duì)于一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的場(chǎng)合，匯編語(yǔ)言則比較合適。系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序，顯示子程序，報(bào)警子程序，數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序，通信子程序及控制子程序等。
程序的開(kāi)發(fā)與調(diào)試?yán)脗ジＯ盗蟹抡嫫鬟M(jìn)行。
該仿真器將編輯器，編譯器，調(diào)試器，源程序編輯，編譯及調(diào)試功能全部集成在一個(gè)環(huán)境下完成，且支持各種CPU仿真全部集成在一個(gè)環(huán)境下?？梢苑抡鍹CS51系列及其兼容單片機(jī)。
3.1系統(tǒng)主程序
系統(tǒng)主程序主要是完成對(duì)各個(gè)模塊程序的調(diào)用，使每個(gè)子程序有效地結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)。
3.2數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換程序
在該模塊中，數(shù)據(jù)采集是主要程序，在循環(huán)對(duì)8路輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還調(diào)用了數(shù)字濾波子程序，數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)子程序，中斷子程序，串行通信程序及顯示程序等。系統(tǒng)上電初始化后，通過(guò)鍵入命令設(shè)置采集系統(tǒng)的初始時(shí)間后，再鍵入"運(yùn)行"命令后就開(kāi)始執(zhí)行該程序。MAX197對(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行巡回采樣，最小采樣周期設(shè)為10ms，則巡回采樣周期為80ms.在每個(gè)采樣周期內(nèi)，調(diào)用濾波子程序，數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理后進(jìn)行存儲(chǔ)，在巡回采樣后經(jīng)數(shù)據(jù)處理再輸出控制信號(hào)。
3.3鍵盤(pán)及顯示程序
在鍵入程序中，需要對(duì)一個(gè)4×4的鍵盤(pán)進(jìn)行鍵值定義，0～9為數(shù)字鍵。其他鍵，如A為系統(tǒng)啟動(dòng)工作鍵，B為系統(tǒng)停止工作鍵，C設(shè)置為增加鍵，D設(shè)置為減少鍵，E設(shè)置為切換鍵，F(xiàn)設(shè)置為設(shè)定鍵。鍵入程序主要是控制整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行與停止，系統(tǒng)時(shí)間初始值的設(shè)定，同時(shí)設(shè)置液壓系統(tǒng)的壓力，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的上下限值，完成超限報(bào)警提示的功能，以及對(duì)電動(dòng)機(jī)，比例閥進(jìn)行控制。顯示程序主要作用是完成已測(cè)數(shù)據(jù)的顯示，即液壓系統(tǒng)參數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示，。
3.4數(shù)據(jù)串行通行程序
該設(shè)計(jì)采用MAX232A與上位機(jī)進(jìn)行串行通信。
將單片機(jī)設(shè)置為串行方式3，用第9位數(shù)據(jù)作為奇偶檢驗(yàn)位，波特率由定時(shí)計(jì)數(shù)器T1的方式2產(chǎn)生，這時(shí)T1為8位自動(dòng)重裝載定時(shí)器，波特率設(shè)置為2400bps.上位機(jī)的串口也根據(jù)此作相應(yīng)的初始化，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的串口傳送與接收。該程序主要完成測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，把已測(cè)數(shù)據(jù)存入上位機(jī)中，以便隨時(shí)調(diào)取，同時(shí)以列表或是曲線圖的形式顯示在界面上，并且根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行打印或是數(shù)據(jù)存檔長(zhǎng)久保存。
4信號(hào)抗干擾設(shè)計(jì)
由于系統(tǒng)包括變頻器，電動(dòng)機(jī)以及其他機(jī)電設(shè)備，電磁干擾比較復(fù)雜，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量有很大干擾，如果不采用抗干擾措施，往往會(huì)導(dǎo)致測(cè)控系統(tǒng)失靈，所以該設(shè)計(jì)采用硬件抗干擾和軟件抗干擾兩種措施。
4.1硬件措施
?。?）整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)放置在屏蔽設(shè)備中，避免室內(nèi)空間的電磁波干擾，并且接地。
?。?）測(cè)控系統(tǒng)的信號(hào)線應(yīng)避免采用普通導(dǎo)線，故全部更換為屏蔽電纜。
4.2軟件措施
（1）CPU軟件抗干擾"看門(mén)狗"技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾失去控制時(shí)，使程序進(jìn)入"死循環(huán)".通常采用程序監(jiān)視技術(shù)，即不斷監(jiān)視主程序執(zhí)行時(shí)間，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)間超出定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間，則可以認(rèn)定系統(tǒng)進(jìn)入了"死循環(huán)"，然后利用事先已經(jīng)確定的中斷服務(wù)子程序使系統(tǒng)回復(fù)正常運(yùn)行。
（2）數(shù)字濾波抗干擾在利用MAX197對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，調(diào)用數(shù)字濾波抗干擾程序，濾波子程序一是對(duì)數(shù)據(jù)剔除奇異值，二是對(duì)前4次的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波。
5結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)研究，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的液壓參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)，闡述了其軟硬件組成及工作情況。試驗(yàn)表明，該測(cè)控系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且響應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)處理與保存，信號(hào)控制等多功能的集成化。對(duì)同類(lèi)的液壓測(cè)控系統(tǒng)有一定的實(shí)際意義。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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