以C8051F330单片机建立的螺杆泵性能参数测试系统

发布时间:2021-09-19 07:26:48

# 电气与自动化 #

张蕉蕉, 等 # 以 C8051F 330单片机建立的螺杆泵性能 参数测试系统

以 C8051F330单片机建立的螺杆泵 性能参数测试系统
张蕉蕉, 陈惠明, 袁风永
(南京林业大学 机械电子工程学院, 江苏 南京 210037) 摘 要 : 主要介绍了自行研发并已应用于实际的 C8051F330单片 机的螺杆泵性能测 试系统。系 统主要实现的是螺杆泵性能参数的检测、 单片机系统与上位机通信和对泵的转速进行控制功能。 关键词 : 螺杆泵; C8051F330单片机; 性能参数 中图分 类号: TH 327 文献标识码: B 文章编号: 167125276( 2009) 0420163203

T est System of P er form an ce P aram eter for Scr ew P um p Ba sed on C 8051F 330M CU
ZHANG Jiao2jiao C , HEN H ui2 ing YUAN F eng2yong m , ( C o lle ge o fM e cha nic a l and E le c tron ic E ng ine e r i g, Na n ji g F ore s try Un ive rs ity, Na njing 210037, C h ina ) n n Abstr ac t Th is pape r m a in ly in trodu ce s the te s t s ys tem o f the pe rfo rm a nce p a ram e te r o f the s crew pum p b as ed on C 8051F330 MC U, :
w h ich is r s ea rched, de s i ned by o urse l e s and pu t in to p r ct ice. It m a in ly a ch i ve s the go a l o f the te s t o f the pe rf r a nce pa ram e2 e g v a e om te r o f the sc rew p um p, the comm un ica tion be t e en the MC U and the com p u te r and the s pee d con tro l o f the p um p. w

K ey word s s crew pum p C 8051F330 MC U; p e rfo rm an ce p a ram e ter : ; 空载流量测量时可以打开电磁阀使螺杆泵泄荷。

1 螺杆泵测试系统总体介绍
螺杆泵是一种容 积式泵, 主要用于输送各种粘度的液 体, 并能进行气液混输。螺杆泵的性能测试是辨别产品优 劣、 改进结构设计、 提高工艺水*、 保证系统性能和促进产 品升级的重要手段 [ 1]。 随着现代科技的发展, 螺杆泵性能测试涉及的参数越来 越多、 精度要求越来越高, 并且有些参数需要间接处理, 另外 测试过程中还有很多相关条件需要保障, 传统的仪表加人工 的测试方法已经很难满足越来越高的性能测试要求。 *年来螺杆泵性 能测试逐 步转向 液压技 术结合 最新 的虚拟仪器测试技术、 可靠性技术、 最先 进的计算机技术, 以及依靠数字信号 处理方 法和现 代控制 理论。本试 验台 油路根据国家标准 设计 (图 1)。 系统中 加入 了新型 的传 感器, 伺服电机, 各类智能 仪器仪 表 ( 转矩转 速仪器 仪表, 压力表, 温度表等 ), 不仅实现 了系统 与计算 机联接 通讯, 还实现了计算机控制 试验过程, 采集试验数据。 图 1 螺杆泵 性能试验台液压系统油路图 为了增加试验过程的稳 定性, 提高试验精度和试验效 率, 本螺杆泵 性能 检 测试 验系 统 以 C8051F330 芯片 为核 心, 对螺杆泵的转子转 速, 工 作扭矩、 的排量、 的进出 泵 泵 口压力和介 质的 温度 等各 项性 能参 数进 行 连续 性检 测。 首先, 根据各种性能要求 选择合 适的速 度传感 器, 流量传 感器 21 扭矩传感器 18, 压力传感器 19和温度传 感器; 其 , 次, 确定各传感器出来的信号。各路传感器出来的模拟量 信号 经过 A /D转 换或其 他方 式转换 成数 字量, 由 R S232 和 RS485将 其送 入 上 位 机, 进 行 实时 曲 线 显 示和 处 理。 同时, 上位机也可以给下位机发送控制 指令, 经过 D /A转 换, 控制电机转速, 从而控制 螺杆泵 的流 量。具体 流程如 图 2所示。

2 系统工作原理及总体设计框图介绍
本系统的工作原理: 采用伺服控制单元 驱动伺服电 机 12, 拖动被试螺杆泵, 从而控制螺杆泵的转速。扭矩转速 仪 用来观测输入转速转矩值。电磁 阀 20控制螺 杆泵出口 加 载, 并且配备了卸荷阀、 各类压力传 感器、 温度 传感器和 齿 轮流量计。试验时调节伺服电机, 控制螺杆泵 的转速使 之 达到设定要求, 然后控制电磁阀给螺杆泵加载, 通过进出 口 压力传感器 19采集进出口压力值, 扭矩转速仪器采集螺 杆 泵的输入扭矩和转 速值, 椭圆齿 轮流量 计采 集管内 流量。
作者简介: 张蕉蕉 ( 1984) M achineB uilding

), 女, 浙江金华人, 学士, 南京林业大学机械电子工程学院硕士研究生, 主要研究方向是单片机控制。

Auto atio Aug 2009, 38 (4 ): 163 ~ 165 m n,

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图 2 总体设计框图 图 3 系统工作结构图

3 硬件部分设计
3 1 C8051F330的介绍 .
C8051F330器件是完全 集成 的混 合信 号片 上系 统型 MC U。它有 17个 I/O引脚, 每个 端口引 脚都 可以被 配置 为模拟输入或数字 I/O口。它 的内部 有一个 S B / I2C M US 接口、 一个具有增强型波特率配置的全双工 UART和一个 增强型 SP I接口。芯片具有片内 Cygnal 2 线 ( C2) 接口调 试电路, 支持在线 系统调试; 一个 10位 SAR ADC 和一个 16通道的差分 输入 多路选 择器 和一 个电 流模 式数 /模转 换器 ( IDAC)。 C IP - 51包 含一 个扩 展的 中断 系 统, 支持 13个中断源。 它的可编程计数器阵列 ( PCA0)提供增强的定时器功 能 [ 2] 。

程显 示速度 , 并 通过 R S232和 R S485口 将速度 数字 信号 输入单片 机的 D /A 转换电路, 同时通 过 LM 741 运算放大 器, 将 0~ 2 V的电 压放大 到 0 ~ 12 V 模拟信 号进 入伺服 控制单元, 转换成 0~ 1 500 r /m in 的转速输 出。输入伺服 控制单元的模拟信号与电机 转速成线性关系, 实现螺杆泵 转子转速的无级调 速。

3 4 各路信号的检测 .
各路信号的采 集, 由于 各传感 器的 输出信 号不 同, 一 类为输出 0~ 5 V 模 拟电压 , 采 用 A /D 转换 采集; 另 一类 为频率脉冲输出, 采用 C8051F 330单片机内部特有的 PCA 捕捉功能进行频率 采集。 a) 温度、 压力的检测: 出口压力信号采集 采用的压力 传感器, 输出 0~ 5 V电压模拟信号, 经过分压成 0~ 2. 4 V 电压 信号进 入单片 机进行 内部 A /D 转换, 并将处 理后的 数字信号由 RS232和 RS485接口送入计算 机。 温度控制与检测系 统温度传感器、 温控仪等 组成。温 控仪接收来自热电阻的电压模拟信号, 经运算放大器, 放大 成 0- 2. 4 V模拟电压进入单片机, 进行 A /D转换, 并 将处 理后的数据通过 R S232和 R S485通讯端口送入上位机。 b) 扭矩、 流量、 转速的检测: 扭矩转速检测系统由扭矩 转速传感器、 扭矩转速仪等组成。扭矩转速传感器与螺杆泵 驱动轴同轴连接, 工作时传感器输出 ( 5~ 15) @103 的脉冲信 号, 将信号经过光电耦合输入单片机 I/O口, 然后用 PC 捕 A 捉功能, 对脉冲信号进行捕捉, 并进行相应的数据处理。而后 将处理完的数据通过 R S232和 R S485口传输进入上位机, 经 上位机数据处理后显示。 流量的采集采用了椭圆齿轮流量计, 输出的信号为电脉 冲信号。此信号的采集, 由于其输出的脉冲信号最大频率仅 在 4个脉冲左右, 采用定时计数的方式进行信号采集。本系 统运用了定时器 0作为定时器, 定了 10 s的时间段; 而用了定 时 2作为计数器,对 10 s之内的脉冲数进行计数。然后, 将数 据进行处理经 RS232和 R S485输入上位机显示。 转速的采集应用了光码 盘, 与扭矩采集共用一个传感 器, 输出为 60个脉冲每转的脉冲信号, 其采集方式也与扭 矩采集一样, 采用 PCA 捕捉。

3 2 系统硬件电路及工作原理 .
本螺 杆 泵 性 能 参 数 检 测 系 统 由 上 位 机 和 基 于 C8051F330单片机的数据 采集 及速 度控 制系 统构 成。系 统通过以 C8051F330单片机为核心的数据采集卡, 将需要 检测的信号进行采集 和处理, 通过串口通讯将数据发送到 上位机进行显示和生 成实时曲线。 由于选择的压力传感器的输入信号的电压范围为 ( 0~ 5 V), 而 C8051F330单片机的 ADC单端方式输入电压范围为 0 ~ VDD(VDD允许电压范围为 2 7~ 3. 3 V), 因此采样保持电 . 路的输出信号还不能直接作为 ADC输入信号, 需要将输入信 号进行分压后接入本系统。本系统中选择了一个 2K8 的固 定电阻, 和一个 5 K8 的滑动变阻器进行分压, 经过分压后电 压范围为 0到 2 4V, 满足输入信号电压要求。 . 对 于串 口 通讯 而 言, UART0 的 引 脚分 配 是固 定 的, UART0的 TX0 脚 总是 被分 配到 P 0 4; UART0的 RX0脚 . 总是被分配到 P0. 5。 本系统还应用了运算 放大器芯片 LM741, 它的驱动 电 压是 ? 12V, 其作用主要是将 D /A 转换后的控制电机转 速 的电压信号由 0~ 2 V放大到 0~ 12V, 以控制电机转速。 硬件电路部分设 计的主要结构图如下 (图 3):

3 3 螺杆泵转速控制 .
主电机调 速系 统 由 C8051F330 D /A 转换 电 路、 上位 机、 键盘、 电机伺服 单元、 螺杆泵 驱动 电机组 成。具体 为, 从键盘将电机 转速 输入 上位 机, 通过 Labw indows 软 件编 # 164#

4 软件部分设计
本系统的软件部分运用了 C语言 进行编程, 整个 程序 主要包括: 单片机数据采集部分的编程、 单片机系统与上位
E2 ai: ZZHD chain ajou rna. n et cn 5机械制造与自动化 6 m l @ l .

http M ZZ : HD. chinajou rna. n et cn l .

# 电气与自动化 #

张蕉蕉, 等 # 以 C8051F 330单片机建立的螺杆泵性能 参数测试系统 上位机报告出错信 息。 通信格式: 8位数据位, 1位起始 位, 1位 停止位, 无奇 偶校验; 波特率: 9 600 bit/ s ; 校验方式: 累加和校验。

机的通信部分的编程和上位机对螺杆泵转速进行控制部 分 的编程。采用 S ilicon Laborator ies编译器进行编译。

4 1 数据采集卡程序 .
数据采集的主程 序流程图如图 4所 示。

4 3 上位机对泵的转速的控制 .
速度控制就上 将上位机界 面中输 入的希 望转 速在电 机端有相 应的 转 速输 出。其 中 主要 涉 及 到一 个 D /A 转 换, 即将 上位机 传来 的转 速数字 量由 R S232和 R S485口 进入单片机, 由 D /A 转换电路转换成对应的模拟电压 0~ 12 V, 并将此 模 拟电 压连 入 伺服 控制 单 元。控 制单 元规 定, 电机转速与电压成线 性比例 关系, 经过编 程进 行数字 换算, 从而控制伺服电机转速。

5 结语
本螺杆泵性能参数采集 系统主要有下面几个工作: 信 号采集、 /D转换、 /A 转换、PC 捕 捉 等。相 比较 常用 A D A 单片机, C8051F330 集成 了 A /D 转换器、D /A 转换器, 并 内带 PCA频率捕捉功能, 还有大容量 FLAS 简化了外围 H, 电路, 实现了系统小型化设计, 提高了可靠性和稳定性, 缩 短了试验时间, 同时提高测试系统的效率和试验精度。 图 4 数据采集卡程序流程图 参考文献:
[ 1] 师国臣. 螺杆 泵的检 测方 法及检 测标 准的 制定 [ J]. 石油 机

4 2 串口通信协议 .
本通信协议为自 定义, 主要用于上位机对下位机的流 量、 压力、 扭矩、 转速及油 温的召 测, 下位机 将流 量、 力、 压 扭矩、 转速及油温的上 传。下位机 接收到 召测 信号, 若校 验正确则返还相应的 召测数据, 若召测数据校验出错则向

械, 1998 ( 3). [ 2] 潘琢金译. C8051F030混合信号 I FL SP ASH 微控制器数据 手 册 [ Z]. 新华龙电子有限公司, 2005( 2).

收稿日期: 2008212204

( 上接第 154页 )

技术可在不增加散热片的情 况下, 为电池充电提供额外的 10 A 的电流, 只 需增 大变 压器 次级 线圈、 出二 极管、 输 滤 波器和接插件的电流设计指 标。在典 型的 54 V 工作电压 时, 谐振变比技术具有最 佳的半 载工作 效率, 其它 负载率 的效率都略低于此 。 参考文献:
[ 1 ] 赖后翔. 高频开关电源 DC2 模块的研究 [ D]. 长沙: 湖南 大 DC 学, 2003. [ 2] 彭晓珊. 大容量高频开关电源的研制 [D]. 长沙: 中南大学, 2004 . [ 3] 陈雨霞. 开关电源最优设计技术研究 [D]. 杭州: 浙江大学, 2004 . [ 4] 邹怀安. 宽输入电压高频开关电源 的研究与实 现 [ D]. 武 汉: 武汉理工大学, 2005 . [ 5] 黄赞武. 高频开关电源的设计 [ D]. 北京: 中国农业大学, 2000 . [ 6] 张敏娟. 48V /25A 通信 用高频 开关电 源的 研究与 开发 [ D ]. 南京: 河海大学, 2005 .

图 9 采用谐 振变比技术的 in ter gy R 2948 ( 2 900W /48 V )整流模块的输出特性 在恒定输出功率 和输出电压下, 谐振变比技术的效率 优势十分显著。 2 900 W 的 恒功 率模 块在 很宽 输出 电压 范围内, 效率均在 90% ~ 92% 之间。 模块在 48 V, 60A 时, 效率高于 90% , 热损耗不足 320 W, 这具有十分重要的实际意义。前 一代产品在 48 V, 50 A 时, 效率仅 为 88 , 且 具有相 同的 热损 耗, 而 谐振 变比 %
M achineB uilding Auto atio Aug 2009, 38 (4 ): 163 ~ 165 m n,

收稿日期: 2009204202

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