机油泵性能试验台的控制硬件Word文档格式.docx
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机油泵试验台系统主要对机油泵体积流量检测,考虑到试验台的自动化控制,选用涡街流量传感器,结构简单而牢固,安装方便,性能稳定,维修费用极少。
信号为上海哲九仪表厂生产的LUBG12信号涡街流量传感器。
主要的性能参数:
(1)供电电压:
+24V,
(2)输出信号:
两线制4—20mA电流信号(3)被测介质温度:
-40—+250°
C。
3.2.3温度和压力传感器的选择
温度传感器和压力传感器都选用传感变松为一体的温度变送器和压力变送器,其型号分别是JCJ100R7S1和PT503,主要性能参数如下:
温度变送器JCJ100R7S1压力变送器PT503
主要参素:
主要参素:
供电电源:
12V供电电源:
12V
信号输出:
0-5V信号输出:
0-5V
3.3数据信号采集部分硬件电路设计
3.3.1A/D转换的接口电路
图3-3是设计中A/D0809的接口电路,该电路可实现A/D转换器控制。
3.3.2模数转换芯片
ADC0809是一种逐次逼近是A/D转换器,可输出具有三态缓冲器可以和单片机直接相接,内部带有锁存器、8路模拟输出、8位数字量输出的A/D转换器,能够对8路0-5V的模拟电压分时进行转换,完成一次转换需100us左右。
ADC0809的引脚示意图如图3-4所示。
128
227
326
425
524
623
722
821
920
1019
1118
1217
1316
1415
引脚和个引脚功能:
IN0—IN7:
8个通道的模拟量输入端,可输入0—5V待转换的电压。
D0—D7:
8为数据输出端,三态输出,D7为最高位,D0为最低位。
ALE:
地址锁存器信号输入端,上升沿锁存通道地址。
START:
启动转换信号输出端,高电平表示转化结束,启动A/D转换时自动变为低电平。
OE:
输出允许控制端,用以打开三态数据输出锁存器。
CLK:
时钟信号输入端。
A、B、C:
片选控制端。
表3-1ADC0809的通道选择表
表3-1是ADC0809的通道选择表
C
B
A
通道
IN0
1
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
图3-5是ADC0809的时序图
从时序图中可以看出,地址锁存控制信号ALE在上升沿有效,将地址锁存,相应通道模拟量经过ADC0809的多路开关送人内部A/D转换器待转换。
启动控制START,上升沿复位内部电路,在START下降沿启动A/D转换,此时EOC为低电平,直至转换结束时EOC变为高电平,当单片机对ADC0809发出允许输出信号OE(高电平有效),此时单片机读取数据线上的数据。
由ADC0809的接口电路原理图可以看出,单片机的P2.7口、RD(P3.7口)和WR(P3.6口)控制A/D转换器的片选信号,由此可计算出ADC0809的通道地址。
此设计中有3个传感器信号的输入,选用IN0-IN2通道。
表3-2是ADC0809的通道地址表。
P15
P14
P13
P12
P11
P10
P9
P8
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
P0
地址
7FFDH
7FFEH
7FFFH
表3-2ADC0809的通道地址表
3.3.3数据采集处理电路的设计
对传感器模拟信号进行采集时,A/D转换的模拟通道的输出电压为0-5V,流量传感器输出信号为4-20mA,因此需要对输出信号进行I/V转换,将电流转换成0-5V的电压再进行A/D转换。
图3-6是由运算放大器组成的I/V转换电路。
图3-6I/V转换电路
U+=U-=IsR1
U—U-/Rf=U-/R2+(U—Uf)/R4
U-=(1+Rf/R2+Rf/R4)IsR-UfRf/R4
输入信号为Is=4-20mA,输出信号为0-5V,故可选取电阻R1=250
,R2=20K
R4=20K
Rf=10K
调节电位器使Uf=4V,则此时放大器输出端得电压为0-5V,可计算出Rw=100
,R5=50
。
3.4显示部分的设计
3.4.1数码管驱动电路设计
+5V
显示部分是单片机控制系统的重要组成
部分,主要用于显示各种需要的参数值,以
便试验过程现场工作人员观察和收集数据。
试验台系统的主要显示器件有LCD、LED、
CRT等,CRT体积大,价格昂贵,在试验台系统中经常选用LCD和LED,而LED成本低廉,配置灵活,且多用于单片机控制系统中,故选用LED显示。
LED数码管又多个LED发光二极管组成,有二种结构及共阳极七段数码管和共阴极七段数码管。
此设计中选用的共阳极七段数码管的结构如图3-6所示。
数码管的引脚可以与单片机I/O口直接相连,但设计中因I/O口不足,使用8255可编程扩展I/O口。
此时数码管的引脚与8255的I/O口相连,通过控制8255芯片控制输出数据的段数码管显示不同的数字和字符。
共阳极七段数码管的段码如表3-3所示。
表3-3共阳极数码管的段码表
dp
g
f
e
d
c
b
a
显示数字
数字编码
C0H
F9H
2
A4H
3
B0H
4
99H
5
92H
6
82H
7
F8H
8
80H
9
90H
LED数码管分为动态显示和静态显示两种方式。
多为数码显示时,使用静态显示,一位数据的段码选线都要和一个I/O口相连,控制位段码即可显示相应数据。
但是静态显示占用硬件资源较多,增加了硬件的复杂度和成本。
动态显示多位数码时,仅需要一个I/O与所有的段码选线相连,位码通过其他的I/O口控制,通过软件程序控制,不断地循环数据相应的段选码和位选码,由于人的视觉暂态效应,可观察到相应的数据。
图3-7是共阳极数码管的发光二极管的动态
控制方式。
三极管9012和9013是基极通过单片
9012
机
R
控制,当9012的基极为低电平,9013为高电
平,且两者都处于饱和状态时,LED发光二极管
发光。
通过9012和9013的资料可知,饱和的时
候UCE最大值为0.6V,取UCE=0.6V,发光二
极管电压U=1.8V,工作电流If=10mA,可计算
出限流电阻R的大小
R=(5V-2UCE-U)/If
=(5V-2
0.6V-1.8V)/10mA
9013
图3-7发光二极管的动态控制方式
=300
图3-8是LED数码管的驱动电路,使用8255扩展I/O口,使其它电路中的I/O口足够使用。
74LS138是一个锁存芯片,当锁存器使用,对8255的控制口进行选择,同时控制数码管相应的位驱动和段驱动,使其输出相应的数据。
74LS139S是与非门芯片,
控制三极管的基极,使其保持低电平有效。
设计中用MAX7219数码管驱动芯片,使三位显示数码管只需要接一组I/O口即可。
3.4.2芯片的简介
8255是Intel公司生产的编程并行I/O接口芯片,它具有3个8位的并行I/O口,3种工作方式,可通过编程改变其功能,因而使用灵活方便,通用性强,可作为单片机与多种外围设备连接是的中间接口电路。
其引脚图如图3-9所示。
8255共有40个引脚,采用双列直插式封装,其引脚功能如下。
D0~D7:
三态双向数据线,与单片机数据总线连接,用来传输数据信息。
与单片机的P0口相接。
CS:
片选信号线,低电平有效,表示芯片被选中。
RD:
读信号线,低电平有效,控制8255中的数据读出。
WR:
写信号线,低电平有效,控制向8255数据的写入。
PA0~PA7:
A口输入/输出线。
与LED数码显示管相接。
PB0~PB7:
B口输入/输出线。
与A/D0809的信号输出端相接。
PC0~PC7:
C口输入/输出线。
与D/A0832的信号输出端相接。
A0、A1:
地址线,用来选中8255内部的4个端口。
此设计中由于外围连接的芯片较多,单片机的I/O口的数量不能满足设计的要求,故使用8255进行扩展,使其I/O满足设计的要求。
3.5液压阀控制电路的设计
3.5.1液压阀的型号选择
在液压系统中,根据所测量液流的性能参数选择阀。
此设计中需要测量液流的压力、流量和方向,故选择压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。
其各个阀的型号如表3-4液压系统的控制阀所示。
阀类型及型号
主要性能参数
电磁换向阀
FW-01
使用直流电压24V,流量线性40L/min,额定电流<
1.2A
电液比例调速阀
FRE-10-4B
直流电源电压24V,流量线性50L/min,最大功率50W
EGB-01-C
压力调整范围0.5-16Mpa,流量线性100L/min,额定电流700mA,线圈电阻10
3.5.2电磁换向阀的控制硬件电路设计
机油泵试验台的液压系
统中液压阀是可以通过单片
机进行控制的,其中电磁换
向阀的控制电路如图3-10
所示。
电磁换向阀的额定电流
取IC2=800mA,三极管T0
的型号是9013,可作为开关
用,其UCE=0.6V,UBE=
1.2V,三极管T1的型号是
9014,作为放大器用,其放
大倍数是β=160倍。
4N35
是一种光电耦合器,由其资知,输入LED的电流IF=10mA,VF=0.8-1.5V,取VF=1.2V,输出晶体管在IF=10mA,UCE=0.6V时,集电极电流IC1的典型值为30mA。
R1=(5V-VF-UCE)/IF
=(5V-1.2V-0.6V)/10mA
=320
三极管9013的基极电流:
IB2=IC2/
=800mA/160=5mA
P1.0口的电压一般为+5V,故R0=5V/5mA=1K
R4的值应稍大于R0,故取R4=1.1K
,则:
R2=(24V-IB2R4-0.7V-UCE/(IC1-IB2)
≈312
取R2=300
R3=5V/IF-R2=180
取R3=200
3.5.3电液比例调速阀控制硬件电路
此设计中用到的电液比例调速阀的驱动电路如图3-11所示。
电阻R0是限流电阻,二极管D2的作用是导向,其型号是IN407,D1的作用是续流,对电液比例调速阀的电磁铁起保护作用。
有设计的要求可知R0=1K
,R1=200
,R2=20
电磁阀的线圈电阻RL=10
,三极管的电流为IC=800mA,β=160,则IB=5Ma
R2=(24V-1.2V)/(IC+IB)-RL≈20
R1<
R0,R0+R1=5V/5mA=1K
,
取值时应稍大点,故取:
R0=1K
R1=200
图3-11电液比例调速阀的驱动电路
3.5.4电液比例溢流阀的控制硬件电路
电液比例溢流阀为电流控制类型,电流输入与比例电磁铁控制流量成线性关系,因输入电流为模信号,将单片机的输出控制信号转换成模信号,采用D/A转换芯片DAC0832进行控制转换,其驱动控制电路如图3-12
DAC0832是8位中速电流型数模转换器,价格低廉,封装形式是双列直插式。
DAC0832有两个输出端,IOUT1(模拟电流输出端1)和IOUT2(模拟电流输出端2),模拟电流输出端1,当输入数字全为1时,输出电流最大,约为255VREF/256Rfb,全为0时,输出电流为0。
模拟电流输出端2,IOUT1+IOUT2=常数,输入全为0时,输出电流为0。
VREF是参考电压输入端,一般为-10V。
DAC0832与单片机相连,分单缓冲工作方式和双缓冲工作方式连接,在设计中仅涉及一个D/A转换的输出,采用单缓冲工作方式连接提高了数据传输的速度和吞吐量。
由图3-12知:
放大器的输出电压。
V0=-(255VREF/256Rfb)
Rfb
=-255
(-10V)/256Rfb
Rfb
≈10V
D/A转化后放大器输出的电压V0=10V。
溢流阀的线圈电阻RL=10Ω,额定电流为700mA,故三极管T3的Ic=700mA。
设三极管TI、T2、T3的放大倍数分别是β1、β2和β3。
经过三极管T3的电流为IB=10mA,因为Ic=βIB,则β3=70。
IB=R4/(R2+R7)
V0
R1=R2,R3=R4,R4<
R2+R7
当R7=200Ω,R4=1KΩ,R2=100KΩ时满足设计上式的要求,则R1=R2=100KΩ,R3=R4=1KΩ,三极管T3是NPN型3DX204型号的,β=55-80,UCE=1V,满足β3=70的设计要求。
则可计算R8的值:
R8=(15V-UCE-IcRL)/Ic=100Ω
3.6转速信号的采集电路
JN338A是一种智能式数字传感器,可测量电机的转速和转矩,以脉冲的形式输出信号,此设计中选用一个光点耦合器则可接受到这种数字式的脉冲信号,通过电路的处理后送入可编程控制器8253中采集存储信号。
再送入单片机中,通过程序控制并测量显示出电机的转速。
其具体电路如图3-13所示。
通过光电耦合器可以采集到转速转矩传感器的脉冲信号,经过电路处理后信号送人8253种,单片机控制8253的数据端口和地址端口,再将处理后的信号送人单片机的T0和T1端口,通过转速显示程序控制其显示在数码管上。
R1和R2的电阻值分别为10KΩ和200Ω时可满足电路的设计要求。
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