基于C8051F040的壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
    壓(拉)力機(jī)是用于檢測建材及某種產(chǎn)品強(qiáng)度的機(jī)械。它根據(jù)工作方式分為壓和拉兩種，其工作力均由油泵產(chǎn)生，因此統(tǒng)稱壓力機(jī)。壓力系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制柜組成，工作時(shí)先安裝試件，人工手動(dòng)按下開始按鈕，觀察壓力值，根據(jù)不同材料相應(yīng)調(diào)節(jié)加壓速度，使其到達(dá)額定壓力，進(jìn)而進(jìn)入保壓期，由于同時(shí)還需記錄數(shù)據(jù)，因此要求熟練人員操作。
    為了減輕操作人員的工作強(qiáng)度，提高實(shí)驗(yàn)精度，這里給出一種智能壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)工作時(shí)操作人員用鼠標(biāo)選擇材料，并按下開始試驗(yàn)按鈕，計(jì)算機(jī)則按照預(yù)定方案自動(dòng)操作，操作完成后可打印出試驗(yàn)曲線和結(jié)論報(bào)表。

2 控制器硬件組成
    該系統(tǒng)在原壓力機(jī)的基礎(chǔ)上增加控制器和計(jì)算機(jī)，其組成如圖l所示。該系統(tǒng)分為壓力機(jī)(機(jī)構(gòu))、控制柜(強(qiáng)電控制)、控制器(弱電控制)和計(jì)算機(jī)(人機(jī)交互界面)等4部分。

    控制器處于計(jì)算機(jī)和控制柜之間，控制器和計(jì)算機(jī)之間采用USB通訊，控制器接收計(jì)算機(jī)指令則控制各個(gè)開關(guān)和模擬信號(hào)，并同時(shí)采集油泵和油缸的壓力和溫度信號(hào)，將采集的壓力值和計(jì)算機(jī)的壓力閾值相比較，進(jìn)而控制調(diào)節(jié)閥開度，采用PID算法實(shí)現(xiàn)加壓速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)入保壓期后再控制調(diào)節(jié)閥使壓力值達(dá)到恒定。
    根據(jù)控制器的功能要求，該控制器應(yīng)具有計(jì)算能力、采集模擬量信號(hào)、控制開關(guān)量和模擬量信號(hào)并能通過USB總線和計(jì)算機(jī)通訊、該控制器組成模塊為CPU、A/D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換，V／I轉(zhuǎn)換、繼電器陣列和RS232／USB轉(zhuǎn)換器，如圖2所示。

    CPU采用C8051F040，它具有高速8051微控制器內(nèi)核，流水線指令結(jié)構(gòu)；70％指令執(zhí)行時(shí)間為1～2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，因此其運(yùn)算速度較快；內(nèi)部集成有13個(gè)，12位A／D轉(zhuǎn)換器，可將壓力溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；2個(gè)12位D／A轉(zhuǎn)換器，根據(jù)需要控制調(diào)節(jié)閥；2個(gè)UART串口，用于單片機(jī)和計(jì)算機(jī)通訊；64個(gè)I／O端口，用于控制開關(guān)量信號(hào)；64 KB Flash程序存儲(chǔ)器，使系統(tǒng)在線編程；4 K RAM可在編程。因此，C8051F040是一款功能強(qiáng)大的單片機(jī),是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。

3 單元電路設(shè)計(jì)
3．1 USB通訊電路設(shè)計(jì)
    由于單片機(jī)提供RS232通訊接口，而計(jì)算機(jī)采用USB接口，因此需要USB和RS232接口轉(zhuǎn)換電路,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用CP2101，它是Silicon公司生產(chǎn)的高度集成的USB轉(zhuǎn)UART橋接器，內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)，工作時(shí)無需其他外部元件。
    Silicon提供免費(fèi)的驅(qū)動(dòng)程序，支持Win98／Me／2k／XP／CE，MAC OS-9、MAC 0S-X以及Linux部分版本。方便地將一個(gè)基于CP2101的產(chǎn)品作為PC機(jī)的一個(gè)虛擬COM端口，使用CP2101的UART接口處理所有的RS232信號(hào)，而無需更改現(xiàn)存的同件COM端口。
    CP2101 UART接口包括TXD(發(fā)送)和RXD(接收)數(shù)據(jù)信號(hào)以及RTS，CTS，DSR，DTR，DCD和RI控制信號(hào)，UART支持RTS／CTS，DSR／DTR和X-On／X-Off握手，在PC機(jī)的COM端口配置時(shí)，編程設(shè)置UART的數(shù)據(jù)格式和波特率。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用3線制串口，波特率19．2 Kb／s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位。圖3為USB轉(zhuǎn)RS232接口電路。圖中RXD和TXD連接單片機(jī)串口，USB接口依次是+5 V、D-、D+和GND，工作時(shí)連接計(jì)算機(jī)任意USB接口。

3．2 模擬量采集信號(hào)調(diào)理電路
    由于系統(tǒng)需采集1～5 V電壓和4-20 mA電流的模擬信號(hào)，對(duì)于電流信號(hào)只要在電流環(huán)串聯(lián)一只250 Ω電阻即可轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)，圖4是任一路信號(hào)調(diào)理電路。該電路可輸入電壓信號(hào)或電流信號(hào)，輸入信號(hào)為ADI4。ADI4不接尺R204時(shí)，輸入電壓信號(hào)；接R204(250 Ω)電阻時(shí)，則輸入電流信號(hào)，U22B是電壓跟隨器，輸出1～5 V，后接2只分壓電阻R228和R232，可將信號(hào)轉(zhuǎn)換為0．5～2．5 V，R208和C204用于低通濾波，U21B為比例運(yùn)放，由于運(yùn)放單電源供電，所以設(shè)計(jì)為同相比例運(yùn)算，R220和R224為分壓電阻，根據(jù)試驗(yàn)確定阻值，VD24和VD28為保護(hù)電路。

3．3 開關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路
    由于該系統(tǒng)開關(guān)量控制信號(hào)較大，故采用同態(tài)繼電器和三極管組合驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。圖中K1為同態(tài)繼電器，COM和DO1為常開觸點(diǎn)的2個(gè)接線端子；VD401為繼電器線圈續(xù)流二極管，VQ1為NPN三極管，工作在OC方式下。單片機(jī)控制VQ1以驅(qū)動(dòng)繼電器的線圈。

3．4 模擬量輸出電路
    利用模擬量控制調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)是4～20 mA電流信號(hào)，但下一代調(diào)節(jié)閥可能是1～5 V電壓信號(hào)控制，為了方便互換，設(shè)計(jì)了電流輸出和電壓輸出選擇跳線，如圖6所示。單片機(jī)D／A轉(zhuǎn)換器輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過同相比例運(yùn)算放大器信號(hào)為0～5 V，如果輸出電壓信號(hào)可用跳線將JP1的1和2短路，JP2輸出電壓信號(hào)；如果輸出電流信號(hào)，可用跳線將JP1的2和3短路，信號(hào)輸入至AD694電壓／電流轉(zhuǎn)換器，則JP2輸出電流信號(hào)。AD694供電電源電壓范同寬，其范圍為4．5～36 V，根據(jù)不同連線方式可輸入0～2 V、O～2．5 V、0～10 V和0～12．5 V，輸出可選O～20 mA和4～20 mA。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入為0～2．5 V，輸出4～20 mA。

4 軟件設(shè)計(jì)
    控制器是以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)采用C語言編寫，其流程圖如圖7所示。上電運(yùn)行后先初始化，包括端口、定時(shí)器、串口和中斷等初始化；初始化完成后等待上位機(jī)開始試驗(yàn)指令和壓力閾值，收到指令后打開電源，根據(jù)壓力閾值進(jìn)行PID預(yù)算，利用運(yùn)算結(jié)果控制調(diào)節(jié)器，試驗(yàn)結(jié)束后卸載油缸，然后斷電停機(jī)。

5 結(jié)論
    在分析現(xiàn)有的手動(dòng)操作壓力機(jī)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出智能壓力機(jī)方案和組成原理，并著重論述弱電控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，介紹基于USB接口的采集控制系統(tǒng)組成原理，詳細(xì)論述各個(gè)單元電路設(shè)計(jì)。該控制器已通過實(shí)驗(yàn)測試，達(dá)到預(yù)期效果，研制出產(chǎn)品樣機(jī)，為批量生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。