基于C8051F120的水泵全性能測試系統的研究

張忠義

（西安理工大學 材料學院，西安 710048）

0 引言

水泵全性能測試是在研究、試制和生產中必不可少的環節。有的采用的是耗時、費力且精度低的舊式試驗方法，例如人工讀數和人工計算，存在更多的人為因素。現階段，國內水泵智能測控系統盡管比較成熟，大多仍存在系統龐大、接口復雜和價格偏高等問題。我們研制具有簡單結構，性能可靠，價格便宜的，基于C8051F120的水泵全性能測試系統，可以滿足廣大中小水泵廠家水泵智能化測試的需求。此系統通過對吸程、壓程、流量、轉矩和轉速五個水泵的原始量的同時自動采樣，并根據對GB/T3216—2005進行分析測試的數據，最終打印輸出曲線和彩色試驗報表。

1 C8051F120的性能與特點

C8051F系列單片機是一種能與MCS—51 內核及指令集完全兼容的微控制器，是集成的混合信號片上系統SOC(System on chip)。具有標準8051 的數字外設部件，同時片內集成數據采集和控制系統中常用的模擬部件。具有集成度高、體積小、功能多、配置容易和使用方便等特點，在很多領域被廣泛使用。本文所討論的就是以該系列中C8051F120單片機為核心的水泵全性能測試系統，具有體積小、可靠性高的特點，可以在水泵全性能測試系統間實現數據交換與存儲，為水泵全性能測試系統的小型化和模塊化的實現提供了一種途徑。

圖1 系統組成圖

2 系統組成

主要的系統的組成如下：1）轉矩轉速傳感器；2）流量傳感器；3）吸、壓程傳感器；4）信號預處理接口板；5）鍵盤；6）C8051F120處理器；7）打印機；8）顯示器。

3 軟件結構

系統軟件主框圖如圖2所示。

系統軟件設計的主要目標：

操作便捷、功能全面和處理數據準確。

系統的主要特點：

1）具有自動校零的功能；

圖2 系統軟件主框圖

2）可以分析結論數據；

3）數據處理可由人工和人機混合完成；

4）為方便遠距離操作，增加了大字符顯示功能；

5）可顯示并打印全部測試值、計算值和結論數據，并繪制出曲線。

主菜單模塊、顯示模塊、采樣模塊、數據分析處理模塊、數據輸入模塊和表格打印曲線繪制這六大模塊是程序模塊化設計的主要內容。將程序用C語言編寫，輸入的參數、原始數據、計算值和結論數據并存入FLASH存儲器中，因此數據在失電后也不會丟失。

4 軟硬件設計分析

在軟硬件的設計中，作為測試系統，經常會遇到各種各樣的問題。本節詳細討論了以下兩點內容。

4.1 周期法測頻率信號

在一般的頻率信號測量中都存在±1個脈沖的誤差，頻率越低的信號，采樣的時間越長，越容易存在較大的誤差。例如當水泵中的流量只有幾十赫茲頻率的渦輪輸出，采樣時間為1秒時，采樣誤差就高達百分之幾。可通過整周期法測頻率來消除±1個脈沖誤差，圖3是電路原理圖。

圖3 電路原理圖

在圖3中A對應的輸入脈沖， D對應的是控制腳，B對應于整周期信號，時基計數器測出準確的計數時間是t，由此可以得出輸入信號的頻率。這里主要的測量誤差是時基計數誤差，當具有較高的時基信號頻率時（Φ=1MHz），誤差較小，只有正負百萬分之一。

在本水泵測試系統中所有原始量的輸入信號最終都變換為頻率信號，軟件中轉矩、吸程、壓程和孔板流量的采樣時間均為160ms，流量（渦輪）采樣時間為400ms，采樣一次5個原始量的最長時間是1秒。圖4所示的是采樣程序流程。

圖4 采樣程序流程圖

4.2 主要結論數據數學模型的研究

在水泵測試中，測試的原始數據依據國標GB3216-89處理，得到的結論數據能反映水泵綜合性能。

4.2.1 Q～η曲線的獲得

Q～H（流量～揚程）和Q～P（流量～效率）曲線可通過采用三次多項式最小二乘法擬合，如果也用此方法擬合Q～η（流量～效率）曲線，由于只有很少的零流量點附近的試驗，且不符合三次擬合曲線趨勢，因此效率曲線會出現不過零的現象。比較好的Q～η曲線可通過計算的方法獲得。

Q～H擬合方程式為：

Q～P擬合方程式為：

通過對測試計算值進行三次多項式擬合，可得到上式(1)和(2)中的系數ai和bi。

水泵效率的計算公式是：

Q～η擬合的方程式可以推出：η (Q)=[Q×H(Q)]/[102×P(Q)]也就是：

4.2.2 求解揚程差△H、流量差△Q

1）規定點揚程Hsp與Q～H曲線上規定點流量Qsp所對應的揚程之差值，這是揚程差，其表達式是：

可通過（1）式計算得到上式中H（Qsp）；

2）規定點流量Qsp與Q～H曲線上規定揚程Hsp所對應的流量f-1（Hsp）的差值，這是流量差，其表達式是：

上式中的f-1（Hsp）可通過求解H（Q）函數的反函數得到。最終的解用迭代法求出，設初始值為Qsp，由（1）式可以推出下面方程式：

當| Qn+1-Qn|＜Qsp×0.1% (0.1%指迭代精度)時，迭代計算完畢。求得此時的f-1（Hsp）值：

4.2.3 效率分析

通過規定性能點QspHsp和QH坐標軸原點的直線與Q～H曲線的交點所確定的性能點，是規定效率。根據對應的橫坐標在Q～η曲線上的交點得出規定效率。

上述QspHsp點和QH坐標軸原點的直線方程是：

交點流量是其交點所確定的性能點，設為Qx，下列聯立方程求出的解便是Qx。

設初始值為Qsp，其解用迭代法求得，代入下列方程：

當| Qn+1-Qn|＜Qsp×0.1%時，得Qx，在方程式（3）中代入Qx，交點效率ηx可計算出，同樣，在方程式（1）和（2）分別代入Qx，交點軸功率Px和交點揚程Hx可求出。

5 結論

經過測試和專家的論證的基于C8051F120的水泵全性能測試系統，完全滿足GB/T3216—2005《回轉動力泵水力性能驗收實驗》標準，該系統性能穩定、操作靈活，經用戶的多年實驗證明，達到了我們預期的設計目標。

[1] 樓然苗, 李光飛. 51系列單片機設計實例[M]. 北京航空航天大學版社.

[2] 曹愛紅. 水泵綜合參數自動測試系統的研究[D]. 蘭州理工大學, 2006.

[3] 李勇. 一個多串口多線程數據采集系統軟件的設計與實現[J]. 微計算機信息, 2006.

[4] 梁森. 水泵開式臺自動測試系統的研究[D]. 蘭州理工大學, 2007.