一種高性能液體轉(zhuǎn)移監(jiān)控系統(tǒng)的研制

陳 川，胡傳皓，曾國(guó)強(qiáng)，葛良全

（1.成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610059；2.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 610059）

近年來，工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)液料供給系統(tǒng)逐步為社會(huì)所需求，如冶金、化工、煉油、鍋爐供水的水位調(diào)節(jié)裝置等。傳統(tǒng)的配料系統(tǒng)由人工完成，精確度不高、工作效率低而且浪費(fèi)資源，為減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率、擺脫機(jī)械式的手工操作，尋求一種簡(jiǎn)單、精確、輕便靈活的解決辦法是十分必要的。本文所述的液體轉(zhuǎn)移監(jiān)控系統(tǒng)即可較好地滿足上述的要求。本系統(tǒng)由液體稱重單元、檢測(cè)和信號(hào)處理單元、控制單元和水泵驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成，采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)液料的快速平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。本系統(tǒng)體積小、安裝方便、操作簡(jiǎn)單、使用靈活，且可通過RS485接口實(shí)現(xiàn)主機(jī)從機(jī)的組網(wǎng)管理，可以同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)的液料集中控制，滿足現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制的要求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的液體轉(zhuǎn)移監(jiān)控系統(tǒng)以AD7705型[1]模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片以及ATmega16型單片機(jī)為核心，包括信號(hào)檢測(cè)單元、信號(hào)放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元、直流水泵驅(qū)動(dòng)單元、液晶監(jiān)控顯示單元以及供電單元。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，下文將對(duì)各個(gè)單元的作用及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Design diagram of the system

2 信號(hào)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換單元

本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換單元主要由稱重傳感器和信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。其中傳感器部分能夠?qū)⒁后w重量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，放大與轉(zhuǎn)換器部分能夠?qū)⒎递^小的模擬電壓信號(hào)精確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而提供給后級(jí)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.1 信號(hào)檢測(cè)單元

本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)檢測(cè)單元采用了型號(hào)為FAK-1系列的稱重傳感器，其靈敏度高、溫漂小且采用5 V工作電壓，因此是將液體重量值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的理想器件。在本設(shè)計(jì)中，為了刻度液體重量與左、右傳感器電壓值之間的關(guān)系，分別選取不同重量的液體進(jìn)行測(cè)量，最終得到表1所示數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過對(duì)比左、右傳感器所測(cè)得的電壓值即可推算出相應(yīng)的液體重量信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體重量信息的獲取。

表1 液體重量與左/右傳感器輸出電壓值對(duì)應(yīng)表Tab.1 Liquid weight and left/right sensors output voltage value corresponding table

2.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換單元

由于信號(hào)檢測(cè)單元所獲取到的信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，因此需要將該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能在后級(jí)單元進(jìn)行處理，該轉(zhuǎn)換單元的電路如圖2所示。從圖中可知，該單元以16位分辨率的AD7705型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為核心，采用雙通道全差分模擬輸入，+5 V單電源供電，主要應(yīng)用于低頻測(cè)量。由于該芯片采用了Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，因此具有16位無丟失代碼性能，同時(shí)該芯片具有三線數(shù)字接口，因此可以通過串行輸入接口由軟件配置芯片的增益值、輸入信號(hào)極性和數(shù)據(jù)更新速率，使得設(shè)計(jì)靈活方便。此外，該芯片具有自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，能夠消除器件本身和系統(tǒng)的增益以及偏移誤差[2]。

圖2 信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換器電路Fig.2 Circuit of signal amplifying and converter

前級(jí)傳感器獲得的兩路模擬輸入信號(hào)通過接口AN1+/-、AN2+/-輸入，在SCLK時(shí)鐘下，只需要通過串行輸入DIN接口依次讀/寫設(shè)置寄存器、時(shí)鐘寄存器即可設(shè)定某通道所需的增益倍數(shù)、更新速率、單/雙極性等，數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)由DOUT串行輸出接口輸出。因?yàn)閭鞲衅鬏敵鲭妷旱姆禐楹练?jí)，故本設(shè)計(jì)將AD7705設(shè)定為單極性、增益128、更新速率為25 Hz。同時(shí)為了保證AD7705的分辨率，本設(shè)計(jì)采用了REF192型高精度2.5 V基準(zhǔn)源，從而確保系統(tǒng)具有優(yōu)異的性能。

3 直流水泵驅(qū)動(dòng)單元

直流水泵作為液體的轉(zhuǎn)移執(zhí)行單元，可以通過設(shè)置不同的直流電壓值來實(shí)現(xiàn)水泵流量的控制[3]。本設(shè)計(jì)選用了成都為誠(chéng)電子ASP2015型直流水泵，其工作電壓低，且具備穩(wěn)定自吸功能，具有自吸速度快、流量大、體積小、重量輕、安裝方便等特點(diǎn)，在應(yīng)用中可以通過改變通斷時(shí)間來改變流量，達(dá)到控制的目的，該水泵的具體參數(shù)如表2所示。

表2 ASP2015型直流水泵參數(shù)Tab.2 DC water pump parameters of ASP2015

實(shí)現(xiàn)直流水泵的注水速度的調(diào)節(jié)一般有2種方式，一種是采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器+甲乙類功率放大器[4]組成的線性驅(qū)動(dòng)方式；一種是采用PWM調(diào)制+H橋驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。本文選用開關(guān)驅(qū)動(dòng)的方式，該方式可以大大提高驅(qū)動(dòng)效率，同時(shí)減少了散熱要求，其電路如圖3所示。從圖中可知，該直流水泵驅(qū)動(dòng)單元由H橋驅(qū)動(dòng)電路、外圍保護(hù)和整流電路組成，其中IRF540N和IRF9540是高電壓、大電流的功率場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管，其高速的開關(guān)頻率使其在直流水泵制動(dòng)控制中可產(chǎn)生較大的鎖定電流，能瞬時(shí)停住直流水泵，穩(wěn)定性很強(qiáng)。同時(shí)用單片機(jī)控制場(chǎng)效應(yīng)管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，可精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。占空比增加，直流水泵轉(zhuǎn)速加快，加大入口注水流量，反之直流水泵轉(zhuǎn)速減慢，減少入口注水流量，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，達(dá)到設(shè)定重量值。

4 電源供電單元

為了保證AD7705的分辨率，本文采用線性電源供電，線性電源負(fù)載響應(yīng)快、可靠性高、外圍元件少、輸出噪聲小，使用大電流輸出的金屬封裝7805，可以提供整個(gè)控制系統(tǒng)5 V電壓，最大輸出電流可達(dá)3 A。而左、右兩路稱重傳感器工作電壓由雙通道跟蹤電源提供，其電路如圖4所示。從圖中可知，該電路以LM317與LF351型電源芯片為核心，采用雙通道設(shè)計(jì)的方法保證了2個(gè)通道具有優(yōu)異的跟蹤特性，即當(dāng)其中任意一路電壓改變時(shí)，另外一路也會(huì)跟之變化，從而使得同時(shí)工作的兩路稱重傳感器不會(huì)產(chǎn)生因工作電壓不同而引起的誤差，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理過程。

圖3 H橋場(chǎng)效應(yīng)管組成的直流水泵驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 DC water pump drive circuit composed of H bridge field effect tube

圖4 雙通道跟蹤電源Fig.4 Dual channel tracking power supply

5 數(shù)據(jù)處理單元

本系統(tǒng)的主控芯片采用Atmega16單片機(jī)，該單片機(jī)具有16 K的片內(nèi)可編程Flash，3個(gè)具有比較模式的定時(shí)/計(jì)數(shù)單元；8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC，具有高速、靈活、端口多等特點(diǎn)，符合本設(shè)計(jì)的需求。

設(shè)定AD7705參考電壓為Vref，傳感器輸出電壓為Vout，AD7705數(shù)據(jù)寄存器值為N，增益選為128，故可得如下公式：

根據(jù)上式，通過單片機(jī)內(nèi)部的運(yùn)算，可以得到液體重量和N之間滿足表3所示的關(guān)系。通過鍵盤設(shè)定好待保持的重量值，并在單片機(jī)內(nèi)部將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，通過比較AD7705左/右輸出值N與該十進(jìn)制數(shù)，即可知道瞬間液體重量是否達(dá)到設(shè)定值。若小于設(shè)定值則增加水泵PWM驅(qū)動(dòng)脈沖占空比，提高入口注水流量；若大于設(shè)定值則減小水泵PWM驅(qū)動(dòng)脈沖占空比，降低入口注水流量，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)注水流量，每次調(diào)節(jié)的注水量大小由PID[5]算法來確定，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，迅速達(dá)到設(shè)定的重量值。

表3 AD7705轉(zhuǎn)換信號(hào)N與稱重傳感器承受重量關(guān)系Tab.3 Switching signal relationship with weighing sensor to bear weight of AD7705

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的液體轉(zhuǎn)移監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)單進(jìn)單出容器的液面動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)測(cè)5 L圓柱型20 cm高容器從空狀態(tài)到液面動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)所需時(shí)間小于2 min，最大液面穩(wěn)態(tài)誤差小于5 mm。本系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)監(jiān)控，可滿足化工現(xiàn)場(chǎng)的液料混合與轉(zhuǎn)移的需求。

[1]陳勇鋼，吳伯農(nóng).AD7705高精度數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006，25（1）：38-40.

[2]魏志綱，裴紅星.基于SPI總線的高精度力變送器[J].儀器儀表與分析檢測(cè)，2006（3）：9-10.

[3]曾國(guó)強(qiáng)，葛良全.機(jī)器人比賽中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].微機(jī)算機(jī)信息，2008，24（14）：236-238.

[4]周興平.基于C8051F的模數(shù)轉(zhuǎn)換及其在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2007（6）：30-33.

[5]陳樹權(quán).PID控制在風(fēng)洞風(fēng)速調(diào)節(jié)中的應(yīng)用[J].氣動(dòng)研究與實(shí)驗(yàn)，2008，26（2）：11-16.