通用液壓試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王慶祝，劉印瑋，劉勝韜

(1河北科技師范學(xué)院，河北秦皇島，066004;2中國(guó)石油管道秦皇島輸油氣分公司)

隨著液壓工業(yè)的發(fā)展，液壓技術(shù)在各種機(jī)械中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。由于液壓系統(tǒng)的組成、功能日益復(fù)雜，因而發(fā)生故障的機(jī)率也隨之增多。液壓系統(tǒng)的故障具有多元性，所以在故障診斷和排除時(shí)，不但需要有熟練的技術(shù)人員，同時(shí)還要有完善的檢測(cè)設(shè)備。最近幾年，液壓件生產(chǎn)廠家、大規(guī)模液壓設(shè)備使用廠家、部分高等院校相繼設(shè)計(jì)、研制了液壓試驗(yàn)臺(tái)［1］。這些試驗(yàn)臺(tái)，采用了目前較為先進(jìn)的PLC和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言控制，故測(cè)試范圍廣、測(cè)試精度高，但測(cè)試方法較為復(fù)雜，要求操作人員的計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言水平較高，故普及性較差。在此基礎(chǔ)上考慮了一些實(shí)際情況，研制開(kāi)發(fā)了液壓試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測(cè)控的自動(dòng)化。此系統(tǒng)操作比較簡(jiǎn)單，性能價(jià)格比高，有利于推廣。

1 通用液壓試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

圖1 液壓試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)硬件原理框圖

本液壓試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以單片機(jī)為主要工作元件，利用單片機(jī)和PC機(jī)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)機(jī)通訊。液壓試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)硬件部分包括:壓力測(cè)量模塊、流量測(cè)量模塊、溫度測(cè)控模塊、聯(lián)機(jī)通訊模塊、鍵盤(pán)模塊、顯示模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用高速低功耗8通道12位串行A/D轉(zhuǎn)換器AD7888;顯示部分利用74HC595驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管。鍵盤(pán)部分利用4×4鍵控制，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)校正，有利于設(shè)備的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。溫度測(cè)量部分利用DS18B20溫度傳感器把溫度信號(hào)傳到單片機(jī)，把溫度控制到40～45℃之間，實(shí)現(xiàn)了溫度的閉環(huán)控制。流量測(cè)量部分利用AT89C2051把LYGW型渦輪流量傳感器輸出的頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，它和流量之間成一定的線性關(guān)系。壓力測(cè)量部分將主油路、回油路、輔助油路壓力變送器信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)化及測(cè)量。聯(lián)機(jī)通訊部分利用MAX485實(shí)現(xiàn)了電平之間的轉(zhuǎn)化從而實(shí)現(xiàn)了1臺(tái)主機(jī)和3臺(tái)分機(jī)之間的通訊。該液壓試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試參數(shù)如下:壓力范圍:0～30 Mpa;流量范圍:0～20 L/min;溫度范圍:40～45℃;硬件原理框圖如圖1所示。

2 通用液壓試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 壓力測(cè)量模塊

壓力測(cè)控核心采用STC89C54 RD+單片機(jī)［2］，其最高時(shí)鐘頻80 MHz，片上Flash 16k Byte，可用于EEPROM 8k Byte，RAM 1 280 Byte，雙數(shù)據(jù)指針，Watchdog，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。具有高速、高可靠、低功耗特點(diǎn)，利用高速低功耗8通道12位串行A/D轉(zhuǎn)換器AD7888，實(shí)現(xiàn)高精度的壓力測(cè)量。由于本系統(tǒng)要求的精度為0.3，考慮到性價(jià)比，選用AK-1系列應(yīng)變式壓力變送器。系統(tǒng)通過(guò)P1口擴(kuò)展了4×4共16個(gè)按鍵，分別為0～9數(shù)字鍵、設(shè)定鍵、校準(zhǔn)鍵、運(yùn)行鍵和選擇鍵，鍵盤(pán)采用中斷方式與INT0連接。通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置參數(shù)的設(shè)定值以及通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)值和EEPROM配合對(duì)各通道壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，從而方便實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的設(shè)置和智能校準(zhǔn)。采用8位的串入并出帶鎖存的移位寄存器74HC595通過(guò)單片機(jī)P2.0～P2.2口擴(kuò)展9位LED顯示，即實(shí)現(xiàn)了主油路、輔助油路和回油路壓力的實(shí)時(shí)顯示，又方便系統(tǒng)調(diào)試，同時(shí)克服了顯示的閃爍現(xiàn)象。壓力測(cè)量電路示意圖如圖2所示。

圖2 壓力測(cè)控電路

2.2 溫度測(cè)控模塊

在液壓元件的檢測(cè)中，油液的溫度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，油溫的變化直接影響著測(cè)試結(jié)果和精度。溫度測(cè)量采用2片美國(guó)達(dá)拉斯(DALLAS)公司研制的單線數(shù)字溫度計(jì) DS18B20［3］，其測(cè)溫范圍是(－55～+125)℃，分辨力為0.5 ℃［4］，分別布置在油箱和液壓泵出口處。溫度調(diào)節(jié)采用PID閉環(huán)控制，通過(guò)P1.2，P1.3口連接MC1413后，分別驅(qū)動(dòng)2只H220D15固態(tài)繼電器控制電加熱器加熱與循環(huán)水冷卻，把溫度控制到(43±2)℃。溫度測(cè)控電路如圖3所示。

圖3 溫度測(cè)控電路

2.3 流量測(cè)量模塊

選擇常用的速度式流量傳感器——LWGY50渦輪流量計(jì)［5］替代橢圓齒輪流量計(jì)。由于渦輪流量計(jì)測(cè)量的流量有上限和下限的限制，而液壓試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)最大流量20 L/min，為了保證測(cè)量的精度和線性范圍及流量計(jì)的使用壽命，綜合考慮上述因素后，選擇流量計(jì)的量程為1～20 L/min。由于LWGY50輸出為頻率信號(hào)［6］，則可以直接給T0口。這樣利用T0，T1口來(lái)記錄脈沖的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。

3 通用液壓試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要是完成對(duì)液壓試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括溫度測(cè)控主程序(圖4)、流量測(cè)量主程序(圖5)和壓力測(cè)量主程序等。

3.2 上位機(jī)系統(tǒng)

PC機(jī)與多臺(tái)單片機(jī)聯(lián)接后以RS-232標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成小型分布式系統(tǒng)［7］。通信協(xié)議:波特率為9 600 b/s;信息格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)［8］，傳送方式為PC機(jī)采用查詢方式收發(fā)，單片機(jī)采用中斷方式收發(fā)，查詢方式發(fā)送，校驗(yàn)方式為累加和校驗(yàn);R6為累加和寄存器;握手信號(hào)采用軟件握手，若累加和正確，則PC機(jī)回發(fā)“T”，(ASCII碼值為54H)若不正確則回發(fā)“F”，(ASCII碼值為46H)。3個(gè)單片機(jī)的約定地址分別為01H，02H，03H。

在Windows環(huán)境下采用Visual Basic 6.0，利用串行通訊控件MSComm［9］開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件，進(jìn)行串行數(shù)據(jù)接收、長(zhǎng)期記錄保存、統(tǒng)計(jì)分析、特性曲線顯示等功能。

圖4 溫度測(cè)控主程序流程

圖5 流量測(cè)量主程序流程

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)利用3個(gè)從機(jī)模塊完成了壓力、流量、溫度的測(cè)控，并各自進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、接收、發(fā)送、預(yù)處理、動(dòng)態(tài)校正和控制。系統(tǒng)軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，具有較高的可靠性和擴(kuò)展性。同時(shí)與上位機(jī)聯(lián)機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制與管理。

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(責(zé)任編輯:石瑞珍)