C8051F320单片机在电液比例流量阀中的应用

    0 引言

    在现代工业技术高度自动化的发展趋势下, 传统的电液比例流量阀已不能满足工业生产中对流量的比例控制要求。电液比例控制的核心是控制电液比例阀的电流。模拟式控制功率输出级到比例阀线圈的电流是连续电流,电子功率器件功耗大,需加装散热装置。而 PWM控制功率输出级为开关型结构, 功耗小,PWM信号中包含了同频率的脉动量,无需另加颤振信号,抗干扰、抗污染能力强,滞后时间短、重复精度高。由于采用数控形式, 可实现程序控制。本文介绍了通过单片机来输出 PWM 信号, 从而达到对比例阀的流量进行控制的目的。

    1 系统工作原理

    当系统上电后, 通过上位机设定流量值, 如果流量传感器所检测的流量与设定值不等, 则通过液压阀工作原理, 算出流量与开口度的关系, 再通过电流与开口度的关系, 就可以得到流量与电流的关系, 而电流与占空比又存在一定的关系, 这样就可以导出占空比与流量的关系, 因此只需改变占空比就可以得到所需的流量。如果相等, 则系统处于反复检测上位机是否送来流量设定值状态。

    2 控制系统设计

    单片机控制比例流量阀从控制系统上分为硬件控制系统和软件控制系统两部分。因此从功能和结构上分别设计 , 开发出相应的硬件设计和软件程序。

    2.1 硬件控制系统设计

    根据系统的工作原理, 硬件控制系统应具有数据采集, 控制量计算, 脉宽调制(PWM) 信号产生, 数据的显示, 与上位机的通信等功能模块。总体结构框图如图1 所示。

    (1)单片机芯片的选取。本系统采用 Cygnal 公司推出的 C8051F320 单片机。原因如下: 具有 10 位 ADC, 转换速率可达 200kHz, 多达 17 个外部单端输入或者差分输入, 因此不需外接 A/D 转换模块, 就能实现流量信号的采集, 使硬件电路设计变得简单; 具有 8 位和 16 位两种 PWM输出模式, 产生的 PWM 信号经功率放大后可直接驱动比例电磁铁, 从而控制阀的流量; 具有供电电压 2.7~5.25V, 可使单片机功耗更低; 高速的 8051 微控制器的内核, 流水线指令结构: 70%的指令执行时间为一个或者两个系统时钟周期, 速率可达 25MIPS( 时钟频率为 25MHz) 扩展的中断系统, 具有 128byte 的内部数据 RAM, 16Kbyte 的在系统可编程的 FLASH 存储器, 扇区大小为 512byte, 这足可以实现控制量的计算,使响应速度更快。

    (2)流量传感器电路。本系统采用 LWGY 型流量传感器, 该流量传感器是一种精密流量仪表, 高精度, 测量准确稳定。适用于测量低粘度的介质如水, 柴油, 汽油等, 广泛用于石油、化工、冶金、供水、造纸、科研等领域的计量与控制。在 24VDC 供电条件下, 可输出 4~20mA 电流。由于 C8051F320 内部集成了 A/D 转换电路, 而输入电压一般不会超过 5V, 因此需要把 4~20mA电流转化为 0~5V 电压, 输入单片机的信号经过 A/D 转换模块后经软件滤波转化为流量值。