基于protues與LabVIEW 聯(lián)合仿真的消防水泵監(jiān)測系統(tǒng)研究

張 潮， 鄭玉強

（石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043）

0 引言

在發(fā)生火災時，消防泵運轉(zhuǎn)不良或者是根本不能運轉(zhuǎn)，是導致火情進一步蔓延加大的主要原因。根據(jù)實際情況，在消防部門定期排查消防設施時，時有發(fā)現(xiàn)消防泵供水設備運轉(zhuǎn)不正常［1］。主要原因是消防設施的長時間放置并且處于潮濕的環(huán)境中，造成設備生銹壞死，從而給人們的日常生活埋下了極大的安全隱患。國家有關部門也出臺了相關的法律法規(guī)，要對消防泵進行定期的巡檢，為減少勞動力、提高巡檢效率，各個自動化的巡檢系統(tǒng)相繼而生。在消防泵巡檢過程中，消防水泵的轉(zhuǎn)速和管道水壓能夠綜合反映消防設施的實際狀態(tài)。本文主要設計了消防泵的轉(zhuǎn)速和管道水壓數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行了protues與Lab VIEW 聯(lián)合仿真。仿真實驗能夠很好地指導實踐，縮短了生產(chǎn)周期，生產(chǎn)效率大大提高。

1 系統(tǒng)總體設計

監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)各司其職，兩者的結合構成了一個完備的監(jiān)測系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)運行的必要條件不可或缺。軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了使各個硬件之間的預期的協(xié)調(diào)配合。該監(jiān)測系統(tǒng)硬件包含有水壓傳感器、單片機控制器、單片機控制器外圍電路、接口等設備。軟件系統(tǒng)是單片機程序和上位機水壓監(jiān)測軟件的總稱。圖1 為該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

圖1 硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)

2 protues硬件電路設計

2.1 水壓傳感器模塊

水壓傳感器的芯片實際是由應變式電阻構成的雙臂電橋（差分半橋）。當壓力變化時應變式電阻也會跟隨變化，從而輸出電壓改變。輸出電壓UR0為

式中，U0為輸入電壓；ΔR 為阻止變化量；R 為電橋電阻；Kζ為應變電阻的靈敏系數(shù)。電橋的輸出電壓是微小的，不能直接提供給AD 模塊，還要進行信號調(diào)理，包含了輸入信號的放大、分壓、濾波和匹配阻抗等作用［2］，變成0～5 V 或者4～20 m A 的標準電信號。圖2為雙臂電橋及其放大電路。在protues環(huán)境中，已經(jīng)存在封裝好的型號為MPX4115的水壓傳感器，設計電路時直接調(diào)用即可。

圖2 雙臂電橋及其放大電路

2.2 轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器根據(jù)原理不同可以分為電磁式、電渦流式和光電式。通常水泵測速是通過光電傳感器利用光電編碼盤來實現(xiàn)的［3］。輸出的信號實質(zhì)近似為脈沖數(shù)字信號，通過信號調(diào)理電路如圖3所示，直接將脈沖信號傳給單片機，單片機根據(jù)脈沖頻率來計算轉(zhuǎn)速。為了實現(xiàn)protues仿真，這里用脈沖激勵源來代替轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖。

2.3 AD 模塊

圖3 轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路

AD 模塊采用protues軟件中的標準封裝庫原件PCF8591。PCF8591芯片內(nèi)部集成了調(diào)理放大電路，經(jīng)過傳感器過來的電信號，不必再次進行抗干擾處理和放大處理。用到的是和單片機相同的單獨的5 V 供電電源，是8位的AD 轉(zhuǎn)換器。PCF8591模擬量輸入通道可達4個，在實際數(shù)據(jù)采集的過程中，逐次對4個輸入引腳進行掃描。PCF8591與其它設備通過IIC方式通信，需要在總線上接10 kΩ 的上拉電阻如圖4所示。

2.4 單片機的選型

圖4 PCF8591芯片

處理器采用MCS-51 系列的AT89C51 單片機，AT89C51單片機是具有4組8位I／O 口，4 k字節(jié)的可編程閃存，有2個16 位定時器，5 個中斷源，具有低功耗的閑置和掉電模式，這些接口完全能夠滿足消防水泵轉(zhuǎn)速和管道水壓信號的采集。

2.5 硬件電路圖

圖5為監(jiān)測系統(tǒng)的下位機硬件電路，硬件電路分為：脈沖激勵源、壓力傳感器、AD 模塊、串行通信模塊、時鐘電路、復位電路和單片機主機［4］。其中脈沖激勵源替代轉(zhuǎn)速傳感器脈沖信號；壓力傳感器為protues標準封裝元件庫中的MPX4115壓力傳感器，可以手動調(diào)節(jié)壓力；串行通信模塊將數(shù)據(jù)通過虛擬串口傳給上位機。

圖5 下位機硬件電路

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件分為下位機軟件和上位機軟件2部分。下位機軟件是為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和壓力信號的采集，并將數(shù)據(jù)傳遞給上位機。用keil u Vision2編程軟件進行編程。上位機軟件系統(tǒng)的編寫采用Lab VIEW 軟件。利用Lab VIEW 軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和水壓的實時監(jiān)測、記錄、顯示和蜂鳴器報警［5］。

3.1 下位機軟件系統(tǒng)

3．1．1 水壓數(shù)據(jù)采集

壓力傳感器通過AD 模塊將壓力傳給單片機，AD 模塊與單片機通信采用IIC 通信方式，IIC總線的驅(qū)動程序在編寫時SDA 引腳和SCL引腳滿足的時序關系如圖6所示。時序關系包含有以下幾部分：表明將有數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)腟TART 起始條件、表明器件編制的地址數(shù)據(jù)字節(jié)、表明所傳送二進制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)字節(jié)和表明數(shù)據(jù)傳送完畢的STOP停止條件數(shù)據(jù)。當采用讀操作時，方向設置為高電平（邏輯1），當采用寫操作時，方向設置為低電平（邏輯0）。

3．1．2 轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集

圖6 SDA引腳和SCL引腳時序關系

根據(jù)脈沖技術來實現(xiàn)測轉(zhuǎn)速的主要方法有：測頻法、測周期法和頻率／周期法。消防水泵在巡檢時的轉(zhuǎn)速一般為300 r／min，在正常工作時的轉(zhuǎn)速為3 000 r／min，為了在低速和高速時都具有良好的精度，采用頻率／周期法。其轉(zhuǎn)速表示為

式中，n為轉(zhuǎn)速；M1為時鐘脈沖數(shù)；M2為同一時間脈沖數(shù)；f 為時鐘頻率；P 為編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速脈沖信號直接送單片機芯片，利用單片機內(nèi)部的時鐘信號和定時／計數(shù)部件完成測量任務［6］。

3.2 上位機軟件系統(tǒng)

上位機軟件采用Lab VIEW 軟件進行設計，主要功能是實現(xiàn)水壓和轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)測、記錄、顯示和蜂鳴器報警。圖7和圖8分別為消防泵水壓監(jiān)測的前面板和程序面板。

圖7 消防泵水壓監(jiān)測前面板

圖8 消防泵水壓監(jiān)測程序面板

4 protues與LabVIEW 聯(lián)合仿真

protues與Lab VIEW 聯(lián)合仿真測試監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和信號處理等功能。protues與Lab-VIEW 通信需要通過虛擬串口，VSPD 虛擬串口軟件能夠增添虛擬串口，可以將2個軟件接通，使其進行數(shù)據(jù)通信，圖9為虛擬串口的軟件界面?，F(xiàn)增設com1 和com2 2個虛擬串口。com1與protues相連。com2與Lab VIEW 相連。然后com1與com2口相連，即可實現(xiàn)protues與Lab VIEW 之間通信。

圖9 虛擬串口軟件界面

在protues中將程序?qū)懭雴纹瑱C，點擊仿真按鈕，可見串行通信模塊的寫引腳不斷的閃爍，證明有數(shù)據(jù)傳送。同時運行上位機軟件選擇數(shù)據(jù)通道1，通過protues軟件手動調(diào)整壓力表值和改變脈沖頻率，可以看到水壓和轉(zhuǎn)速仿真曲線，如圖10所示。

5 結論

通過protues與Lab VIEW 聯(lián)合對所設計的系統(tǒng)進行仿真，實驗結果表明監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對水泵轉(zhuǎn)速和消防管道水壓數(shù)據(jù)的采集、處理、報警等一系列功能，達到了預期的效果，證明了所設計的系統(tǒng)的可行性。為消防水泵監(jiān)測系統(tǒng)的研究提供了可靠依據(jù)，且該系統(tǒng)成本較低，易于操作，并提供消防系統(tǒng)的功能擴展平臺，使其逐步實現(xiàn)自動化和智能化。后續(xù)工作需要對實際下位機硬件系統(tǒng)進行實物制作，驗證仿真的安全與可靠性。