基于單片機的報警檢測驅動模塊設計*

何晉秋 王 磊

(武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)

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基于單片機的報警檢測驅動模塊設計*

何晉秋 王 磊

(武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)

報警檢測驅動模塊應用于船舶柴油機系統燃油回路,對油箱前及油箱后燃油的含水率超標情況進行報警并控制相應的電磁閥,模塊還可進行輸出回路的斷線故障檢測。由于燃油含水率檢測裝置穩定工作需要一定的時間,要求報警檢測驅動模塊具有上電延時功能。

延時報警; 故障檢測; 電磁閥

Class Number TM15

1 引言

帶延時功能的報警檢測驅動模塊應用于柴油機系統燃油回路,對柴油機油箱前燃油的含水率和油箱后的燃油含水率的超標情況進行報警并控制相應的電磁閥。兩套燃油含水率檢測裝置分別檢測油箱前和油箱后的燃油含水率,當油箱前或者油箱后的燃油含水率超標時,燃油含水率檢測裝置輸出開關量信號至報警驅動模塊,由報警驅動模板實施報警和控制。由于燃油含水率檢測裝置穩定工作需要一定的時間,要求報警驅動模板具有上電延時功能,其工作狀態分為上電延時等待工作狀態和正常工作狀態。在延時等待工作狀態,模板不對輸入的超標信號進行響應,禁止相應的報警輸出和控制,同時指示相應的待機工作狀態；在正常工作狀態,模板監測兩路輸入信號,根據兩路不同的超標信號進行報警和實施控制,模塊還可進行輸出回路的故障檢測。根據要求,上電延時等待時間大約為30min,一般的電磁式等延時繼電器難以達到要求。采用微控制器PIC16F88實現上電的長時間延時等待和報警控制功能,將兩個不同的要求結合在一起,簡化了系統結構。

2 硬件設計

2.1 硬件架構

報警驅動模塊采用美國Microchip公司生產的PIC16F88微控制器為核心組成,其外圍電路主要由輸入光電隔離電路、輸出隔離驅動電路、輸出電流檢測回饋電路、隔離電源電路等部分組成,具體電路詳見電路原理圖。

圖1 硬件組成示意框圖

2.2 微控制器基本電路

報警檢測驅動模板的主控制芯片(U1)采用美國microchip公司的PIC16F88,是一款8位微功耗、高性能的CMOS微控制器(MCU),PIC16F88微控制器具有8級堆棧,采用RISC指令結構[1],指令簡單高效,只有35條指令。同時具有片內WDT等功能,非常適合于惡劣環境使用。微控制器基本電路如圖2所示。

圖2 微控制器PIC16F88基本電路

2.3 主輸出和斷線檢測電路

主輸出的控制對象是電磁閥,電磁閥控制線圈的工作電壓為24VDC,工作電流約為4.3A,其負載特性為感性負載,電磁閥控制線圈僅僅是通斷工作,通斷的工作頻率低。根據負載特性和要求,主輸出端口要求具有較大的電流輸出能力。在本設計中主輸出端口的驅動器件采用大功率P溝道MOSFET開關管[2],功率MOSFET內部寄生有二極管,實現電流的續流功能,可直接帶感性負載,且MOSFET開關管為電壓型控制器件,在對開關速度要求不嚴格的使用條件下,驅動MOSFET柵極的控制功率非常小。主輸出和斷線檢測電路如圖3所示。P溝道MOSFET開關管選用美國國際整流器公司生產的IRF4905。

2.4 輸入光電隔離電路

報警驅動模塊的輸入光電隔離電路分為兩個部分,一部分是接受來自兩臺燃油含水率檢測裝置的輸出信號,輸出信號為有源開關量信號,且兩臺燃油含水率檢測儀表之間無電氣聯系,2路信號獨立輸入,無公共接點,；另一部分是來自報警消音按鈕的無源觸點信號,在內部接+24V電源。其電路如圖4所示。

圖3 主輸出和故障檢測電路

圖4 輸入光電隔離電路

2.5 報警指示輸出隔離驅動電路

報警指示輸出隔離驅動共有7路,分別控制相應的報警或工作狀態指示燈和聲響報警蜂鳴器等。在本設計中采用美國CLARE公司生產的光電耦合MOSFET固態繼電器作為輸出隔離驅動級,該固態繼電器集成了2路獨立控制的常開觸點模式,其輸出額定電流1.0A,最大漏-源極電壓Vblock=60V,IF=10mA時其導通電阻為0.5Ω。采用該電路簡化了電路,有利于提高工作的穩定性和可靠性,其最大的好處在于輸出為MOSFET,由于內部寄生有二極管,可直接驅動感性負載。報警指示輸出隔離驅動電路如圖5所示。

圖5 報警指示輸出隔離驅動電路

2.6 +5V隔離電源電路

報警驅動模塊的供電電源為直流24V。控制電路的工作電壓為+5V,以保證電路工作的穩定可靠。+5V隔離電源模塊的輸入電壓范圍為18VDC～36VDC,輸出電壓+5V,額定輸出電流為600mA。+5V隔離電源電路如圖6所示。

圖6 +5V隔離電源電路

3 軟件設計

根據報警檢測驅動模塊的功能要求,其控制軟件設計采用模塊化結構設計方法,將整個控制軟件根據功能分為若干個任務模塊,分別實現各自的任務和功能[3]。主程序將不同任務模塊子程序有效地連接起來實現所要求的控制功能。任務模塊包括初始化模塊、上電延時檢測模塊、延時時間設定模塊、延時工作模塊、報警輸入處理模塊、主輸出處理和斷線檢測模塊、聲報警處理模塊、輸出處理模塊、閃光處理模塊、10MS定時時基模塊、1000MS定時時基模塊[4]、延時等待中斷[5]模塊等12個任務模塊子程序。整個控制軟件采用PIC16系列匯編語言編制[6]。

采用模塊化結構的軟件設計可使得軟件的架構比較清晰,便于調試、修改和管理。

各模塊以及各模塊與主程序間的數據和信息交換通過設置特定的中間寄存器和任務標識來實現。采用模塊化結構軟件設計需要設置一些特定的中間寄存器和任務標識,占用微控制器內部的部分數據RAM區域,系統在初始化時需要對這些要使用數據RAM區域進行清零或初始化,設定相應的初始設定數據[7]。

本報警驅動模塊控制軟件根據控制要求,主要設置兩個控制環路,一個是報警驅動模塊的上電延時等待工作的等待分支,實現報警驅動模板在上電延時等待工作狀態的工作任務和控制功能。另一個是報警驅動模板的正常工作控制狀態的分支,實現報警驅動模板在正常工作狀態下的任務和控制功能。

圖7 主程序流程圖

主程序完整地體現了整個軟件架構的細節,把各個任務模塊子程序有機地連接起來成為一個完整的控制軟件,實現所要求的控制任務和功能。主程序流程圖如圖7所示。

圖7中DWAIT_FLG為延時等待工作標識位;NOMWRK_FLG為正常工作狀態標識位;TMR2IF為定時器2計數到標識位;T10MS_FLG為10MS定時到標識位;T1000MS_FLG為1000MS定時到標識位;RB0～RB7為微控制器PIC16F88的RB端口,本應用中設置為輸出功能。

4 結語

將單片機技術應用于柴油機系統燃油含水率檢測裝置,對燃油的含水率超標情況進行延時報警并進行電磁閥的斷線故障檢測和控制,簡化了系統結構,技術成熟,穩定可靠,該技術已在實船得到應用。

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Alarm and Test Drive Module Based on Microcontroller

HE Jinqiu WANG Lei

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064)

The alarm and test drive module is applied to fuel loop of marine diesel engine system.It gives the alarm when the hydrous rate of diesel oil at the input part or the output part of fuel tank overruns,and controls the relevant electromagnetic valve.The module can detect the fault of the output loop also.For the fuel hydrous rate metrical device needs some time to come into steady state,the module is required to be provided with timedelay function when it is electrified.

timedelay alarm,fault detect,electromagnetic valve

2014年8月3日,

2014年9月26日

何晉秋,女,高級工程師,研究方向:船舶電氣控制。王磊,男,碩士,工程師,研究方向:船舶控制技術。

TM15

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.040