基于單片機(jī)的報警檢測驅(qū)動模塊設(shè)計*

何晉秋 王 磊

(武漢第二船舶設(shè)計研究所 武漢 430064)

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基于單片機(jī)的報警檢測驅(qū)動模塊設(shè)計*

何晉秋 王 磊

(武漢第二船舶設(shè)計研究所 武漢 430064)

報警檢測驅(qū)動模塊應(yīng)用于船舶柴油機(jī)系統(tǒng)燃油回路,對油箱前及油箱后燃油的含水率超標(biāo)情況進(jìn)行報警并控制相應(yīng)的電磁閥,模塊還可進(jìn)行輸出回路的斷線故障檢測。由于燃油含水率檢測裝置穩(wěn)定工作需要一定的時間,要求報警檢測驅(qū)動模塊具有上電延時功能。

延時報警; 故障檢測; 電磁閥

Class Number TM15

1 引言

帶延時功能的報警檢測驅(qū)動模塊應(yīng)用于柴油機(jī)系統(tǒng)燃油回路,對柴油機(jī)油箱前燃油的含水率和油箱后的燃油含水率的超標(biāo)情況進(jìn)行報警并控制相應(yīng)的電磁閥。兩套燃油含水率檢測裝置分別檢測油箱前和油箱后的燃油含水率,當(dāng)油箱前或者油箱后的燃油含水率超標(biāo)時,燃油含水率檢測裝置輸出開關(guān)量信號至報警驅(qū)動模塊,由報警驅(qū)動模板實(shí)施報警和控制。由于燃油含水率檢測裝置穩(wěn)定工作需要一定的時間,要求報警驅(qū)動模板具有上電延時功能,其工作狀態(tài)分為上電延時等待工作狀態(tài)和正常工作狀態(tài)。在延時等待工作狀態(tài),模板不對輸入的超標(biāo)信號進(jìn)行響應(yīng),禁止相應(yīng)的報警輸出和控制,同時指示相應(yīng)的待機(jī)工作狀態(tài)；在正常工作狀態(tài),模板監(jiān)測兩路輸入信號,根據(jù)兩路不同的超標(biāo)信號進(jìn)行報警和實(shí)施控制,模塊還可進(jìn)行輸出回路的故障檢測。根據(jù)要求,上電延時等待時間大約為30min,一般的電磁式等延時繼電器難以達(dá)到要求。采用微控制器PIC16F88實(shí)現(xiàn)上電的長時間延時等待和報警控制功能,將兩個不同的要求結(jié)合在一起,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件架構(gòu)

報警驅(qū)動模塊采用美國Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F88微控制器為核心組成,其外圍電路主要由輸入光電隔離電路、輸出隔離驅(qū)動電路、輸出電流檢測回饋電路、隔離電源電路等部分組成,具體電路詳見電路原理圖。

圖1 硬件組成示意框圖

2.2 微控制器基本電路

報警檢測驅(qū)動模板的主控制芯片(U1)采用美國microchip公司的PIC16F88,是一款8位微功耗、高性能的CMOS微控制器(MCU),PIC16F88微控制器具有8級堆棧,采用RISC指令結(jié)構(gòu)[1],指令簡單高效,只有35條指令。同時具有片內(nèi)WDT等功能,非常適合于惡劣環(huán)境使用。微控制器基本電路如圖2所示。

圖2 微控制器PIC16F88基本電路

2.3 主輸出和斷線檢測電路

主輸出的控制對象是電磁閥,電磁閥控制線圈的工作電壓為24VDC,工作電流約為4.3A,其負(fù)載特性為感性負(fù)載,電磁閥控制線圈僅僅是通斷工作,通斷的工作頻率低。根據(jù)負(fù)載特性和要求,主輸出端口要求具有較大的電流輸出能力。在本設(shè)計中主輸出端口的驅(qū)動器件采用大功率P溝道MOSFET開關(guān)管[2],功率MOSFET內(nèi)部寄生有二極管,實(shí)現(xiàn)電流的續(xù)流功能,可直接帶感性負(fù)載,且MOSFET開關(guān)管為電壓型控制器件,在對開關(guān)速度要求不嚴(yán)格的使用條件下,驅(qū)動MOSFET柵極的控制功率非常小。主輸出和斷線檢測電路如圖3所示。P溝道MOSFET開關(guān)管選用美國國際整流器公司生產(chǎn)的IRF4905。

2.4 輸入光電隔離電路

報警驅(qū)動模塊的輸入光電隔離電路分為兩個部分,一部分是接受來自兩臺燃油含水率檢測裝置的輸出信號,輸出信號為有源開關(guān)量信號,且兩臺燃油含水率檢測儀表之間無電氣聯(lián)系,2路信號獨(dú)立輸入,無公共接點(diǎn),；另一部分是來自報警消音按鈕的無源觸點(diǎn)信號,在內(nèi)部接+24V電源。其電路如圖4所示。

圖3 主輸出和故障檢測電路

圖4 輸入光電隔離電路

2.5 報警指示輸出隔離驅(qū)動電路

報警指示輸出隔離驅(qū)動共有7路,分別控制相應(yīng)的報警或工作狀態(tài)指示燈和聲響報警蜂鳴器等。在本設(shè)計中采用美國CLARE公司生產(chǎn)的光電耦合MOSFET固態(tài)繼電器作為輸出隔離驅(qū)動級,該固態(tài)繼電器集成了2路獨(dú)立控制的常開觸點(diǎn)模式,其輸出額定電流1.0A,最大漏-源極電壓Vblock=60V,IF=10mA時其導(dǎo)通電阻為0.5Ω。采用該電路簡化了電路,有利于提高工作的穩(wěn)定性和可靠性,其最大的好處在于輸出為MOSFET,由于內(nèi)部寄生有二極管,可直接驅(qū)動感性負(fù)載。報警指示輸出隔離驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 報警指示輸出隔離驅(qū)動電路

2.6 +5V隔離電源電路

報警驅(qū)動模塊的供電電源為直流24V?？刂齐娐返墓ぷ麟妷簽?5V,以保證電路工作的穩(wěn)定可靠。+5V隔離電源模塊的輸入電壓范圍為18VDC～36VDC,輸出電壓+5V,額定輸出電流為600mA。+5V隔離電源電路如圖6所示。

圖6 +5V隔離電源電路

3 軟件設(shè)計

根據(jù)報警檢測驅(qū)動模塊的功能要求,其控制軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,將整個控制軟件根據(jù)功能分為若干個任務(wù)模塊,分別實(shí)現(xiàn)各自的任務(wù)和功能[3]。主程序?qū)⒉煌蝿?wù)模塊子程序有效地連接起來實(shí)現(xiàn)所要求的控制功能。任務(wù)模塊包括初始化模塊、上電延時檢測模塊、延時時間設(shè)定模塊、延時工作模塊、報警輸入處理模塊、主輸出處理和斷線檢測模塊、聲報警處理模塊、輸出處理模塊、閃光處理模塊、10MS定時時基模塊、1000MS定時時基模塊[4]、延時等待中斷[5]模塊等12個任務(wù)模塊子程序。整個控制軟件采用PIC16系列匯編語言編制[6]。

采用模塊化結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計可使得軟件的架構(gòu)比較清晰,便于調(diào)試、修改和管理。

各模塊以及各模塊與主程序間的數(shù)據(jù)和信息交換通過設(shè)置特定的中間寄存器和任務(wù)標(biāo)識來實(shí)現(xiàn)。采用模塊化結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計需要設(shè)置一些特定的中間寄存器和任務(wù)標(biāo)識,占用微控制器內(nèi)部的部分?jǐn)?shù)據(jù)RAM區(qū)域,系統(tǒng)在初始化時需要對這些要使用數(shù)據(jù)RAM區(qū)域進(jìn)行清零或初始化,設(shè)定相應(yīng)的初始設(shè)定數(shù)據(jù)[7]。

本報警驅(qū)動模塊控制軟件根據(jù)控制要求,主要設(shè)置兩個控制環(huán)路,一個是報警驅(qū)動模塊的上電延時等待工作的等待分支,實(shí)現(xiàn)報警驅(qū)動模板在上電延時等待工作狀態(tài)的工作任務(wù)和控制功能。另一個是報警驅(qū)動模板的正常工作控制狀態(tài)的分支,實(shí)現(xiàn)報警驅(qū)動模板在正常工作狀態(tài)下的任務(wù)和控制功能。

圖7 主程序流程圖

主程序完整地體現(xiàn)了整個軟件架構(gòu)的細(xì)節(jié),把各個任務(wù)模塊子程序有機(jī)地連接起來成為一個完整的控制軟件,實(shí)現(xiàn)所要求的控制任務(wù)和功能。主程序流程圖如圖7所示。

圖7中DWAIT_FLG為延時等待工作標(biāo)識位;NOMWRK_FLG為正常工作狀態(tài)標(biāo)識位;TMR2IF為定時器2計數(shù)到標(biāo)識位;T10MS_FLG為10MS定時到標(biāo)識位;T1000MS_FLG為1000MS定時到標(biāo)識位;RB0～RB7為微控制器PIC16F88的RB端口,本應(yīng)用中設(shè)置為輸出功能。

4 結(jié)語

將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于柴油機(jī)系統(tǒng)燃油含水率檢測裝置,對燃油的含水率超標(biāo)情況進(jìn)行延時報警并進(jìn)行電磁閥的斷線故障檢測和控制,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),技術(shù)成熟,穩(wěn)定可靠,該技術(shù)已在實(shí)船得到應(yīng)用。

[1] 王有緒,許杰,李拉成.PIC系列單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2001:77-217.

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Alarm and Test Drive Module Based on Microcontroller

HE Jinqiu WANG Lei

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064)

The alarm and test drive module is applied to fuel loop of marine diesel engine system.It gives the alarm when the hydrous rate of diesel oil at the input part or the output part of fuel tank overruns,and controls the relevant electromagnetic valve.The module can detect the fault of the output loop also.For the fuel hydrous rate metrical device needs some time to come into steady state,the module is required to be provided with timedelay function when it is electrified.

timedelay alarm,fault detect,electromagnetic valve

2014年8月3日,

2014年9月26日

何晉秋,女,高級工程師,研究方向:船舶電氣控制。王磊,男,碩士,工程師,研究方向:船舶控制技術(shù)。

TM15

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.040