姜恒 陳先鋒 成群林 曹雪峰 孫曉鳳 鄧竹君

(上海航天精密機(jī)械研究所,上海 201600)

便攜式氮?dú)鉀_洗裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜恒 陳先鋒 成群林 曹雪峰 孫曉鳳 鄧竹君

(上海航天精密機(jī)械研究所,上海 201600)

為了解決目前航天產(chǎn)品氮?dú)鉀_洗工藝中存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于C8051F040單片機(jī)的便攜式氮?dú)鉀_洗裝置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用觸摸屏輸入各項(xiàng)氮?dú)鉀_洗工藝參數(shù);通過(guò)Modbus通信協(xié)議將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī);最終通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電磁閥的自動(dòng)控制和過(guò)程數(shù)據(jù)的采集,完成氮?dú)鉀_洗工藝。應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)體積輕便、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠性高,具有良好的推廣價(jià)值。

氮?dú)鉀_洗 自動(dòng)控制 C8051F040 觸摸屏 Modbus

0 引言

氮?dú)鉀_洗是指某些特殊的圓柱形罐體類(lèi)航天產(chǎn)品,在其組裝完畢后,利用干燥性氣體氮?dú)鉀_刷罐體內(nèi)部,置換原有的空氣,從而使罐體內(nèi)部的相對(duì)濕度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,便于產(chǎn)品的運(yùn)輸與長(zhǎng)期儲(chǔ)存。傳統(tǒng)的氮?dú)鉀_洗裝置多采用“氣源+減壓器+手動(dòng)閥門(mén)+測(cè)量?jī)x表”的模式設(shè)計(jì)。由于閥門(mén)的開(kāi)閉和儀表的讀數(shù)為人工操作,因此該方式存在操作復(fù)雜、效率低下、測(cè)量精度不符合要求以及安全性較差的缺陷。

為提升氮?dú)鉀_洗工藝的自動(dòng)化程度,本文利用C8051F040單片機(jī)和觸摸屏設(shè)計(jì)了一套便攜式氮?dú)鉀_洗裝置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但提升了氮?dú)鉀_洗的測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間、工作效率,而且具有安全度高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

便攜式氮?dú)鉀_洗裝置的工作原理及氣路系統(tǒng)示意圖如圖1所示。圓柱形罐體是需要進(jìn)行氮?dú)鉀_洗的產(chǎn)品,由罐體、前蓋、后蓋、充氣活門(mén)、排氣活門(mén)等組成。工作時(shí),首先將減壓閥壓力調(diào)至工作壓力30～80 kPa,打開(kāi)氣源。然后打開(kāi)進(jìn)氣電磁閥和排氣電磁閥,使干燥性氣體氮?dú)鈴某錃饣铋T(mén)進(jìn)入,通過(guò)排氣活門(mén)置換原有的潮濕空氣,從而使罐體內(nèi)部的相對(duì)濕度降低直至小于35%RH。筒內(nèi)壓力傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量罐體內(nèi)部的壓力。由于罐體前蓋為復(fù)合材料研制,承壓能力有限,因此氮?dú)鉀_洗過(guò)程中罐體內(nèi)部的壓力應(yīng)低于允許壓力16 kPa。筒內(nèi)濕度傳感器測(cè)量罐體內(nèi)部的相對(duì)濕度。此外,裝置本身應(yīng)能測(cè)量環(huán)境壓力、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度。

圖1 便攜式氮?dú)鉀_洗裝置工作原理Fig.1 The working principle of portable nitrogen flushing device

氮?dú)鉀_洗工藝過(guò)程包括3個(gè)步驟:管路沖洗、氣密檢查和空氣置換。管路沖洗是指在正式工作前用氮?dú)鉀_刷管路,此時(shí)打開(kāi)氣源和進(jìn)氣、排氣電磁閥,利用氮?dú)鉀_刷管路3 min后結(jié)束。氣密檢查用于驗(yàn)證氣路系統(tǒng)和圓柱形罐體是否存在泄漏,此時(shí)打開(kāi)氣源和進(jìn)氣電磁閥,關(guān)閉排氣電磁閥,向罐體內(nèi)部充入氮?dú)?當(dāng)罐體內(nèi)部壓力達(dá)到14 kPa時(shí)停止,保壓20 min后壓力無(wú)下降即可?？諝庵脫Q是關(guān)鍵工藝步驟,此時(shí)打開(kāi)氣源和進(jìn)氣、排氣電磁閥,從而使氮?dú)鈴某錃饣铋T(mén)進(jìn)入罐體內(nèi)部,原有的空氣從排氣活門(mén)排出,當(dāng)相對(duì)濕度小于35%RH時(shí)結(jié)束。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

便攜式氮?dú)鉀_洗裝置應(yīng)能滿(mǎn)足氮?dú)鉀_洗工藝過(guò)程提出的測(cè)量、操作指標(biāo),如壓力、濕度以及質(zhì)量等。具體的技術(shù)指標(biāo)如下。

①壓力量程表壓0～100 kPa,測(cè)量誤差不大于0.5 kPa;

②溫度量程-20～80℃,測(cè)量誤差不大于1 K;

③相對(duì)濕度量程0～100%RH,測(cè)量誤差不大于2%RH;

④裝置應(yīng)具有觸摸屏,方便操作;

⑤裝置應(yīng)具有報(bào)警提示的功能;

⑥裝置質(zhì)量不超過(guò)20 kg。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)的內(nèi)容可知,便攜式氮?dú)鉀_洗裝置控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下基本功能:自動(dòng)測(cè)量環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、筒內(nèi)壓力和筒內(nèi)濕度;能夠驅(qū)動(dòng)電磁閥進(jìn)行進(jìn)氣和排氣,并能夠驅(qū)動(dòng)報(bào)警蜂鳴器進(jìn)行壓力超限報(bào)警;能夠接收觸摸屏的操作指令自動(dòng)完成氮?dú)鉀_洗工藝過(guò)程,并能夠在觸摸屏顯示當(dāng)前測(cè)量值。便攜式氮?dú)鉀_洗裝置控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of the control system

便攜式氮?dú)鉀_洗裝置控制系統(tǒng)由傳感器、電磁閥、報(bào)警蜂鳴器、控制器、觸摸屏和開(kāi)關(guān)電源等組成?？刂破魇呛诵牟考?負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)氮?dú)鉀_洗工藝過(guò)程和完成與觸摸屏的數(shù)據(jù)交換。此類(lèi)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)主要采用PLC或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。由于PLC相對(duì)單片機(jī)體積較大,而便攜式氮?dú)鉀_洗裝置對(duì)體積和質(zhì)量有嚴(yán)格要求,因此便攜式氮?dú)鉀_洗裝置控制系統(tǒng)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。觸摸屏負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前測(cè)量值和啟動(dòng)工藝過(guò)程。開(kāi)關(guān)電源用于向控制系統(tǒng)提供所需的直流電源。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

由1.3節(jié)的內(nèi)容可知,控制器是整個(gè)便攜式氮?dú)鉀_洗裝置控制系統(tǒng)的核心,其主要任務(wù)是對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)電磁閥進(jìn)行動(dòng)作以及完成與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信?？刂破饔布詥纹瑱C(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì),主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、模擬信號(hào)調(diào)理電路、開(kāi)關(guān)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、通信接口電路以及電源電路等。

2.1 單片機(jī)選型

在本系統(tǒng)中,共有5個(gè)過(guò)程參數(shù)需要測(cè)量:環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、筒內(nèi)壓力、筒內(nèi)濕度。需要開(kāi)關(guān)量控制的元件共有3個(gè),分別為進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥以及報(bào)警蜂鳴器。此外,系統(tǒng)還應(yīng)具有同觸摸屏進(jìn)行RS-232串行通信的能力。因此,要求控制器單片機(jī)集成有A/D轉(zhuǎn)換器、I/O接口以及串行接口等?？紤]系統(tǒng)擴(kuò)展能力的需求,A/D轉(zhuǎn)換器的模擬通道不少于8個(gè),I/O接口的數(shù)量不少于16個(gè)。綜上所述,控制器所用單片機(jī)選擇美國(guó)Silicon Laboratories公司的C8051F040單片機(jī)。

C8051F040單片機(jī)是Silicon Laboratories公司推出的高功能型混合信號(hào)MCU。其內(nèi)部集成有12位、100 kS/S的ADC,帶有PGA和8通道模擬多路選擇開(kāi)關(guān);64個(gè)數(shù)字I/O接口,耐5 V設(shè)計(jì);2個(gè)UART串行接口,并具有SPI、SMBus、I2C和CAN2.0通信能力,可以方便地同外部設(shè)備進(jìn)行通信[1-5]。該型號(hào)單片機(jī)完全符合本系統(tǒng)的需求。

2.2 模擬信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)調(diào)理電路電路如圖3所示。

圖3 模擬信號(hào)調(diào)理電路Fig.3 Conditioning circuit of analog signal

模擬信號(hào)調(diào)理電路的作用主要包括兩方面。首先是限幅作用,由于本系統(tǒng)所用傳感器輸出信號(hào)幅值為0～5 V,單片機(jī)A/D引腳的允許輸入電壓為0～2.5 V,因此必須通過(guò)限幅電路削減輸入信號(hào)的幅值。其次是濾波作用,通過(guò)阻容電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。模擬信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)以集成運(yùn)算放大器LT6221為主,通過(guò)在放大器外圍搭配不同阻值的電阻實(shí)現(xiàn)限幅。

在圖3所示的電路中,Ui是輸入電壓信號(hào),Uo是輸出電壓信號(hào),電容C1和C2起濾波作用,電阻R1、R2、R3和R4起限幅作用。Ui與Uo之間的關(guān)系由式(1)給出。由式(1)可知,Uo是Ui的1/2,信號(hào)調(diào)理電路符合要求。

2.3 開(kāi)關(guān)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)所使用的電磁閥及報(bào)警蜂鳴器均為24 V驅(qū)動(dòng),而單片機(jī)I/O引腳的輸出電壓為3.3 V,因此不能用I/O引腳直接驅(qū)動(dòng)電磁閥及報(bào)警蜂鳴器,需設(shè)計(jì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。開(kāi)關(guān)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Driving circuit of discrete signal

在圖4所示的電路中,L1為所控制的電磁閥或報(bào)警蜂鳴器線(xiàn)圈,其工作電壓為24 V。L1的通斷電由繼電器K2控制、K2選擇歐姆龍高靈敏度小型繼電器G5V-1。K2線(xiàn)圈的通斷電由光電耦合器U1控制。P4.1為單片機(jī)的I/O引腳。當(dāng)P4.1輸出為邏輯“0”時(shí),U1導(dǎo)通,K2觸點(diǎn)閉合,L1通電;當(dāng)P4.1輸出為邏輯“1”時(shí),則L1斷電。該設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)輸出引腳的默認(rèn)極性為邏輯“1”決定。

2.4 通信接口芯片選型

根據(jù)1.3節(jié)的內(nèi)容,氮?dú)鉀_洗裝置的操作主要依靠操作人員點(diǎn)擊觸摸屏進(jìn)行?？紤]體積、安裝方式以及及成本需求,觸摸屏選擇步科公司的MT4414T。該觸摸屏具有尺寸小、性能穩(wěn)定、界面元件豐富以及性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn),適合于氮?dú)鉀_洗裝置的應(yīng)用。MT4414T與控制器之間通過(guò)RS-232串口進(jìn)行通信,通信協(xié)議支持Modbus RTU協(xié)議。通信接口芯片選擇AD公司的隔離型串行接口芯片ADM3251E。試驗(yàn)表明,該芯片性能優(yōu)良,通信質(zhì)量可靠。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,工藝過(guò)程的實(shí)現(xiàn)和控制器的驅(qū)動(dòng)主要依靠控制軟件。控制軟件主要由觸摸屏軟件和C8051F040程序組成。

3.1 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏軟件設(shè)計(jì)主要是指觸摸屏界面設(shè)計(jì)和宏文件編制。其中,宏文件主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)按鈕之間的互鎖,以防止誤操作,增強(qiáng)可靠性。觸摸屏界面包括啟動(dòng)界面和氮?dú)鉀_洗主界面。進(jìn)行氮?dú)鉀_洗主界面設(shè)計(jì),首先應(yīng)決定數(shù)據(jù)顯示框以及按鈕的數(shù)量和地址。本系統(tǒng)中,總計(jì)有數(shù)據(jù)顯示框6個(gè),分別為環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、筒內(nèi)濕度、環(huán)境壓力、筒內(nèi)壓力以及工作時(shí)間;按鈕總計(jì)有3個(gè),分別為“空氣置換”、“管路沖洗”和“氣密檢查”。MT4414T觸摸屏為數(shù)據(jù)顯示框分配“LW”型地址,為按鈕分配“LB”型地址。單片機(jī)可通過(guò)Modbus協(xié)議讀寫(xiě)LW和LB地址,進(jìn)而刷新數(shù)據(jù)顯示框顯示值和決定進(jìn)行哪一種工藝過(guò)程。

3.2 C8051F040程序設(shè)計(jì)

C8051F040程序分3個(gè)階段循環(huán)執(zhí)行,即輸入采樣、工藝執(zhí)行和輸出刷新。系統(tǒng)上電時(shí),首先執(zhí)行初始化程序,包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、I/O端口初始化、串行接口0初始化、ADC0初始化以及定時(shí)器初始化等。初始化執(zhí)行完畢后,進(jìn)行輸入采樣,即采集ADC0各模擬通道的輸入值和讀取觸摸屏各LB和LW地址值。輸入采樣結(jié)束后,轉(zhuǎn)入工藝執(zhí)行階段,首先判斷筒內(nèi)壓力是否大于16 kPa。若大于16 kPa,則關(guān)閉進(jìn)氣閥,打開(kāi)排氣閥并接通報(bào)警蜂鳴器;若筒內(nèi)壓力低于16 kPa,則根據(jù)觸摸屏LB地址判斷哪一個(gè)按鈕被按下,進(jìn)而執(zhí)行不同的工藝步驟。工藝執(zhí)行完畢后,進(jìn)行輸出刷新,向觸摸屏LW地址寫(xiě)入相應(yīng)的采樣值。輸出刷新完成后,程序繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行,直至系統(tǒng)斷電。C8051F040程序流程圖如圖5所示。

圖5 單片機(jī)程序流程圖Fig.5 Flowchart of program in single chip computer

氮?dú)鉀_洗所需進(jìn)行的3個(gè)工藝步驟中,空氣置換是核心步驟。進(jìn)行氮?dú)鉀_洗,首先判斷筒內(nèi)濕度是否大于35%RH。若大于35%RH,打開(kāi)進(jìn)氣和排氣電磁閥置換空氣;若低于35%RH,則關(guān)閉進(jìn)氣和排氣電磁閥,同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行延時(shí)10 s。定時(shí)結(jié)束后,若濕度大于35%RH,則繼續(xù)打開(kāi)進(jìn)氣和排氣電磁閥置換空氣,否則,將觸摸屏“空氣置換”按鈕置“1”,結(jié)束空氣置換步驟。

3.3 Modbus通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

控制軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是C8051F040與觸摸屏MT4414T之間通信的實(shí)現(xiàn)。MT4414T支持Modbus RTU協(xié)議,該協(xié)議由Modicon公司開(kāi)發(fā),支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。在本系統(tǒng)中,單片機(jī)作為主站,觸摸屏作為從站,主站向從站發(fā)送讀寫(xiě)LB或LW地址的指令,從站接收到指令后根據(jù)指令執(zhí)行情況向主站發(fā)送應(yīng)答指令。Modbus通信指令的基本格式如表1所示。

表1 Modbus基本指令格式Tab.1 Basic instruction format of Modbus

站號(hào)根據(jù)觸摸屏的設(shè)置而定,一般為01。功能碼根據(jù)所進(jìn)行的操作而定,本系統(tǒng)主要執(zhí)行讀線(xiàn)圈(01)、讀保持寄存器(03)、寫(xiě)單線(xiàn)圈(05)、寫(xiě)多保持寄存器(16)這4種功能。數(shù)據(jù)的的長(zhǎng)度與內(nèi)容根據(jù)所選功能碼而定,主要包括起始地址、強(qiáng)制值和讀取個(gè)數(shù)等。例如對(duì)于讀線(xiàn)圈功能,數(shù)據(jù)包括起始地址2字節(jié)和讀取個(gè)數(shù)2字節(jié);對(duì)于寫(xiě)單線(xiàn)圈功能,數(shù)據(jù)包括線(xiàn)圈地址2字節(jié)和強(qiáng)制值2字節(jié)。CRC校驗(yàn)碼根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)16位校驗(yàn)碼算法生成。編寫(xiě)程序時(shí),可將4種功能設(shè)計(jì)成子函數(shù)。在進(jìn)行觸摸屏數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí),根據(jù)程序需求調(diào)用不同的子函數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)氮?dú)鉀_洗的工藝需求,研究和設(shè)計(jì)了基于C8051F040[6-8]、觸摸屏和Modbus通信協(xié)議的便攜式氮?dú)鉀_洗裝置控制系統(tǒng),并制作了原理樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)提升了氮?dú)鉀_洗的自動(dòng)化程度、測(cè)量精度以及操作安全性,可應(yīng)用于航空航天、武器裝備以及民用領(lǐng)域內(nèi)各類(lèi)產(chǎn)品的氮?dú)鉀_洗,具有一定的推廣價(jià)值。

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Design of the Control System for Portable Nitrogen Flushing Device

To solve the problems existing in nitrogen flushing process of current aerospace products,the control system for portable nitrogen flushing device based on C8051F040 signal chip computer is designed.With this system,the parameters of the flushing process are input through the touch screen;relevant data are transferred to single chip computer via Modbus communication protocol;then the automatic control of solenoids,and process data acquisition are implemented by the single chip computer to complete the nitrogen flushing process.The result of application indicates that the system features lightweight,ease operation,precision data measured,and high reliability,it possesses excellent promoting value.

Nitrogen flushing Automatic control C8051F040 Touch screen Modbus

TP271

A

修改稿收到日期:2014-02-15。

姜恒(1987-),男,2012年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè),獲碩士學(xué)位,助理工程師;主要從事機(jī)電一體化控制、智能檢測(cè)的研究。