鄧 攀 陳雪艷

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院 武漢：430080）

液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)。液壓油溫度過(guò)低會(huì)使其粘度增大，從而造成內(nèi)摩擦增大，系統(tǒng)發(fā)熱加劇，效率降低，功耗增大。傳統(tǒng)方法采用油箱內(nèi)加裝電熱管加熱方式和油箱內(nèi)加裝散熱管加熱方式［1－3］。采用油箱內(nèi)加裝電熱管加熱，加熱速度慢，加熱管周圍局部油溫會(huì)超過(guò)120℃，造成油液氧化、分解，并在加熱管表面形成碳層，導(dǎo)致油液的污染。采用油箱內(nèi)加裝散熱管加熱，需要在油箱內(nèi)鋪設(shè)散熱管，影響油箱結(jié)構(gòu)，而且需要外接熱水或蒸汽加熱循環(huán)控制裝置，增加了安裝改造空間。

本文設(shè)計(jì)了一種液壓系統(tǒng)油溫預(yù)熱智能控制裝置。該裝置采用非接觸式加熱方式，加熱體表面溫度和液壓油溫度可控，通過(guò)加減電加熱體的面積和數(shù)量，調(diào)整加熱時(shí)間，可以方便地應(yīng)用在不同容量的場(chǎng)合。此外，該裝置體積小，尤其適用于對(duì)空間限制較高的場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示，包括電加熱體3、控制器6、油箱溫度傳感器4、加熱體溫度傳感器5、保溫罩2、按鍵顯示模塊7以及油箱1。電加熱體緊貼油箱外壁安裝，并外罩保溫罩，油箱溫度傳感器插入油箱內(nèi)，加熱體溫度傳感器插入電加熱體與油箱外壁之間，按鍵顯示模塊放置操作臺(tái)處，控制器放置在油箱上端，并且分別與電加熱體、油箱溫度傳感器、加熱體溫度傳感器、按鍵顯示模塊連接。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如下圖2所示，主要由微處理器、信號(hào)處理選通電路、按鍵顯示電路、RS485接口電路、驅(qū)動(dòng)電路等模塊組成。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 微處理器

MSP430是TI公司一種超低功耗微控制器系列，片內(nèi)組合了不同的功能模塊，可適應(yīng)不同應(yīng)用層次的需求。MSP430系列的CPU采用16位的RISC結(jié)構(gòu)，集成的16個(gè)通用寄存器和常數(shù)發(fā)生器，大大提高了代碼執(zhí)行效率［4］。MSP430F1222片內(nèi)集成4KB程序存儲(chǔ)器和256B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、AD轉(zhuǎn)換器、串行通訊接口、16位定時(shí)器等模塊。

2.2 信號(hào)處理選通模塊

信號(hào)處理選通模塊主要由溫度傳感器通道切換電路和溫度傳感器放大處理電路兩部分組成。

鉑電阻具有測(cè)溫范圍大、準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好等特點(diǎn)，是一種比較理想的溫度檢測(cè)元件，在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用［5］。針對(duì)本裝置使用溫度（－30℃～90℃）特點(diǎn)，選用PT1000實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集。

2.2.1 溫度傳感器通道切換電路

本系統(tǒng)需要使用多個(gè)溫度傳感器完成油箱溫度和多路加熱體溫度信號(hào)測(cè)量。每個(gè)溫度傳感器使用獨(dú)立的放大處理電路和AD采樣通道，可以提高溫度采集的實(shí)時(shí)性，但是增加了系統(tǒng)硬件開(kāi)銷，造成了資源的浪費(fèi)。而且本裝置對(duì)溫度采集的實(shí)時(shí)性要求不高，因此，采用溫度傳感器通道切換電路分時(shí)復(fù)用放大處理電路和AD采樣通道，實(shí)現(xiàn)多通道溫度信號(hào)的循環(huán)測(cè)量。具體實(shí)現(xiàn)如下圖3所示。

溫度傳感器一端分別接至多路選擇芯片CD4051B輸入／輸出通道端口，其另一端接至溫度傳感器放大處理電路接地端，多路選擇芯片CD4051B的COM端口接至電橋左端1K精密電阻上。通過(guò)主控制器單片機(jī)IO管腳P2.0、P2.1、P2.2控制多路選擇芯片CD4051B輸入／輸出通道端口和COM端口之間的通斷，從而實(shí)現(xiàn)溫度傳感器之間的切換。

2.2.2 溫度傳感器放大處理電路

由鉑電阻的測(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的變化是直接通過(guò)鉑電阻阻值的變化來(lái)測(cè)量的。因此，通過(guò)高穩(wěn)定度電橋，將鉑電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的電壓信號(hào)。利用差分放大器完成傳感器相對(duì)于0℃溫度變化量測(cè)量和放大［6］。由PT1000溫度特性可知，傳感器在小于0℃時(shí)，差分放大器輸出信號(hào)為負(fù)。通過(guò)加法器，將差分放大器輸出電平抬高，再使用反相器調(diào)整電平邏輯，最終使溫度差分放大器輸出信號(hào)在使用溫度范圍內(nèi)保持為正。最后經(jīng)濾波、限幅處理后，送至主控制器MSP430F1222的片內(nèi)AD模塊轉(zhuǎn)換接口ADC0，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)溫度的采集。

2.3 按鍵顯示電路

按鍵和LED顯示是進(jìn)行人機(jī)交互的窗口。通過(guò)按鍵顯示電路實(shí)現(xiàn)對(duì)油箱溫度、發(fā)熱體溫度的設(shè)定和顯示。

MAX7219是一種集成化的串行輸入／輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，最多可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)7段數(shù)字LED顯示。從控制器MSP430F1222通過(guò)模擬SPI接口和MAX7219完成數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約了MSP430F1222硬件資源，提高了系統(tǒng)集成度。本系統(tǒng)使用5個(gè)7段LED數(shù)碼管，分別顯示傳感器通道號(hào)、溫度正負(fù)、溫度值。

面板上設(shè)有2個(gè)手動(dòng)鍵，一個(gè)功能鍵，一個(gè)加減鍵。加減鍵用來(lái)完成溫度通道顯示選擇、溫度設(shè)定時(shí)溫度通道及溫度設(shè)定值的修改。功能鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度設(shè)定選擇、設(shè)定時(shí)數(shù)碼管的切換和啟動(dòng)溫度設(shè)定值的通訊等功能。使用按鍵與單片機(jī)的I／O口線直接連接的方法構(gòu)成，采用管腳外部中斷方式獲得按鍵值。

2.4 RS485接口電路

RS485總線是一種多點(diǎn)、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ沤涌?，其?jiǎn)潔靈活、硬件接口簡(jiǎn)單、軟件易實(shí)現(xiàn)、性價(jià)比較高、傳輸距離較遠(yuǎn)、誤碼率較低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［7］。

多數(shù)液壓系統(tǒng)油箱與操作臺(tái)之間存在一定距離，為了操作和監(jiān)控方便，本系統(tǒng)將溫度設(shè)定和顯示部分安裝在便于操作處，通過(guò)RS485總線完成溫度檢測(cè)控制部分與溫度設(shè)定顯示部分之間的數(shù)據(jù)交換。

MAX485是美信公司生產(chǎn)的用于RS485通信的半雙工低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，可以實(shí)現(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率。

圖4 RS485接口電路

RS485接口電路如上圖4所示，主控制器單片機(jī)MSP430F1222通過(guò)UART接口和MAX485發(fā)送接收端口相連，通過(guò)其P2.3管腳控制數(shù)據(jù)傳輸方向。從控制器單片機(jī)MSP430F1222通過(guò)UART接口和 MAX485發(fā)送接收端口相連，通過(guò)其P2.4管腳控制數(shù)據(jù)傳輸方向。MAX485芯片U0、U1的AB端口間跨接10K電阻，通過(guò)雙絞線實(shí)現(xiàn)兩芯片相互間連接。

2.5 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路包括過(guò)零檢測(cè)、可控硅觸發(fā)和雙向可控硅模塊三部分。

圖5 加熱體驅(qū)動(dòng)電路

每組加熱體都需要一套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，主控制器MSP430F1222定時(shí)器資源相對(duì)不足，并且本系統(tǒng)對(duì)溫度控制精度要求不高，因此，采用可控硅過(guò)零全導(dǎo)通方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱體的驅(qū)動(dòng)控制。

3 通訊協(xié)議定義

本系統(tǒng)采用異步串行通訊接口，接口電平符合RS485標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)，無(wú)校驗(yàn)位，1個(gè)或2個(gè)停止位。通訊傳輸數(shù)據(jù)的波特率可調(diào)為4800～19200bit／S，通常用9600 bit／S。

系統(tǒng)采用主從式通訊結(jié)構(gòu)。主控制器作為從機(jī)，接收來(lái)自從控制器的讀寫指令，然后向從控制器發(fā)送與之對(duì)應(yīng)的返回值。讀寫指令和返回值結(jié)構(gòu)如下圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)格式

3.1 讀指令

讀指令占用三個(gè)字節(jié)，包括讀指令碼、通道號(hào)和校驗(yàn)碼組成。這里讀指令碼RC設(shè)為22（16H）；通道號(hào)CN為當(dāng)前顯示的通道代號(hào)；校驗(yàn)碼采用8位求和校驗(yàn)方式，其中讀指令的校驗(yàn)碼RCC計(jì)算方法為：RCC＝CN＊16＋RC。

3.2 寫指令

寫指令占用五個(gè)字節(jié)，包括寫指令碼、通道號(hào)、溫度值和校驗(yàn)碼組成。這里讀指令碼WC設(shè)為44（2CH）；通道號(hào)CN為當(dāng)前顯示的通道代號(hào)；溫度值TEMS是當(dāng)前通道溫度設(shè)定值，校驗(yàn)碼采用8位求和取余校驗(yàn)方式，其中寫指令的校驗(yàn)碼 WCC計(jì)算方法為：WCC＝ （CN＊16＋WC＋TEMS）%28。

3.3 返回值

返回值占用四個(gè)字節(jié)，包括寫通道號(hào)、溫度值和校驗(yàn)碼組成。這里通道號(hào)CN為當(dāng)前顯示的通道代號(hào)；溫度值TEMM是當(dāng)前通道溫度測(cè)量值或TEMS是當(dāng)前通道溫度設(shè)定值，校驗(yàn)碼采用8位求和取余校驗(yàn)方式，其中返回值的校驗(yàn)碼RTCC計(jì)算方法為：RTCC＝ （CN＊16＋TEMM（TEMS））%28。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件主要由主控制器和從控制器兩部分組成。其中，主控制器軟件主要完成溫度傳感器切換、溫度信號(hào)采集處理、加熱體溫度控制、油箱溫度控制、RS485通訊管理及數(shù)據(jù)拆封；從控制器軟件主要完成加熱體溫度和油箱溫度設(shè)定、加熱體溫度和油箱溫度顯示切換、RS485通訊管理及數(shù)據(jù)拆封。

4.1 主控制器軟件設(shè)計(jì)

主控制器主程序流程圖如下圖7所示。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)通道的溫度采樣，將溫度測(cè)量值與設(shè)定溫度相比較，使加熱體和油箱溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)，并根據(jù)接收到從控制器的讀寫指令，將相對(duì)應(yīng)的溫度值回傳給從控制器。

圖7 主控制器流程圖

油箱溫度和加熱體溫度可以在需要的范圍內(nèi)設(shè)定。一般液壓系統(tǒng)都工作在35℃～55℃范圍內(nèi)，在這里選取40℃作為油箱溫度設(shè)定值，范圍為±5℃。為了避免加熱溫度過(guò)高對(duì)油液的影響，選取90℃作為加熱體溫度設(shè)定值。當(dāng)油箱溫度低于35℃（下限），如果通道n加熱體溫度低于90℃時(shí)，通道n加熱體電源接通，進(jìn)行升溫，否則通道n加熱體停止加熱。當(dāng)油箱溫度高于45℃（上限），不管通道n加熱體溫度大小，通道n加熱體都停止加熱。

4.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集

溫度數(shù)據(jù)采集采用主控制器MSP430F1222自帶的A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換的精度10位，使用簡(jiǎn)單。軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是傳感器多通道切換、溫度與熱電勢(shì)間線性化標(biāo)度變換算法和傳感器溫度數(shù)據(jù)濾波算法。多通道溫度采集采用循環(huán)方式，一個(gè)通道溫度采集完畢，停止采樣，立即切換到下一個(gè)通道中，再啟動(dòng)采樣。溫度與熱電勢(shì)間線性化算法采用分段（每10℃分段）線性化的方法，提高了系統(tǒng)的測(cè)溫精度。濾波算法采用中位值濾波，首先連續(xù)采集10次，然后把10個(gè)溫度數(shù)據(jù)按由小到大的順序排列，取中位值作為本次采樣值。

4.1.2 主控制器串口處理程序

主控制器RS485接口一直處于接收狀態(tài)，等待從控制器的讀寫指令。當(dāng)接收到從控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)后，主控制器通過(guò)UART模塊，將收到的數(shù)據(jù)拆解，經(jīng)校驗(yàn)正確后，將主控制器RS485接口設(shè)為發(fā)送狀態(tài)，通過(guò)第一個(gè)字節(jié)判斷是讀或?qū)懼噶睢Ｈ绻亲x指令，根據(jù)第二個(gè)字節(jié)得到通道號(hào)，將此通道號(hào)和其對(duì)應(yīng)的通道溫度測(cè)量值按照讀返回?cái)?shù)據(jù)格式封裝，回傳給從控制器，發(fā)送完畢主控制器RS485接口設(shè)為接收狀態(tài)。如果是寫指令，根據(jù)第二個(gè)字節(jié)得到通道號(hào)，將此通道號(hào)和其對(duì)應(yīng)的通道溫度設(shè)定值按照讀返回?cái)?shù)據(jù)格式封裝，回傳給從控制器，發(fā)送完畢主控制器RS485接口設(shè)為接收狀態(tài)。

4.2 從控制器軟件設(shè)計(jì)

從控制器主程序流程圖如下圖8所示。通過(guò)設(shè)定定時(shí)器，周期性地讀取顯示通道的溫度值，實(shí)現(xiàn)對(duì)通道溫度的刷新顯示。通過(guò)按鍵，可以實(shí)現(xiàn)溫度顯示的通道切換，完成對(duì)每個(gè)加熱體和油箱溫度的設(shè)定。

溫度顯示由5個(gè)7段LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。其中，第一位為通道號(hào)，第二位為溫度正負(fù)，最后三位為溫度值。

從控制器RS485接口一直處于接收狀態(tài)，等待進(jìn)入定時(shí)器中斷程序，將從控制器RS485接口設(shè)為發(fā)送狀態(tài)。在溫度顯示狀態(tài)時(shí)，從控制器將讀指令碼和此時(shí)通道號(hào)按照讀指令數(shù)據(jù)格式封裝，從控制器通過(guò)UART模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，完成后，從控制器RS485接口設(shè)為接收狀態(tài)，等待主控制器回傳讀返回值；接收完讀返回值，將收到的數(shù)據(jù)拆解，經(jīng)校驗(yàn)正確后，將該通道溫度測(cè)量值更新。在溫度設(shè)定狀態(tài)時(shí)，從控制器將寫指令碼、此時(shí)通道號(hào)和溫度設(shè)定值按照寫指令數(shù)據(jù)格式封裝，從控制器通過(guò)UART模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，完成后，從控制器RS485接口設(shè)為接收狀態(tài)，等待主控制器回傳寫返回值；接收完寫返回值，將收到的數(shù)據(jù)拆解，經(jīng)校驗(yàn)正確后，將返回的溫度設(shè)定值和該通道溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，結(jié)果正確則完成溫度設(shè)定。

圖8 從控制器流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研制的液壓系統(tǒng)油溫預(yù)熱智能控制裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用非接觸式加熱方式，避免了加熱體與液壓油的直接接觸，可以分別控制加熱體表面溫度和油箱內(nèi)液壓油溫度，從而可以保證液壓油合理的加熱溫度，延長(zhǎng)了液壓油的使用時(shí)間；采用RS485通訊模式，通過(guò)按鍵顯示模塊，可以遠(yuǎn)距離完成加熱體表面溫度和油箱內(nèi)液壓油溫度的設(shè)定以及溫度顯示，便于設(shè)備操作人員的觀察和使用；通過(guò)加減電加熱體的面積和數(shù)量，可以調(diào)整加熱時(shí)間，方便地應(yīng)用在不同容量油箱的場(chǎng)合；體積小，尤其適用于對(duì)空間限制較高的場(chǎng)合，并且可以方便地移植到現(xiàn)有液壓系統(tǒng)中。實(shí)際使用證明該裝置完全符合工廠應(yīng)用的需要，性能穩(wěn)定，可靠性高，操作簡(jiǎn)單方便。

［1］董雪峰.液壓系統(tǒng)的溫度控制［J］.本鋼技術(shù)，1995，（03）：36

［2］周 強(qiáng)，趙顯紅，趙勇飛.液壓系統(tǒng)中的溫度調(diào)節(jié)技術(shù)［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，1995，（01）：35－37.

［3］王顏琦.一種金屬帶鋸機(jī)液壓油加熱裝置［P］.實(shí)用新型專利，2008.

［4］沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［5］張 瑜，張升偉.基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，（03）：1.

［6］付華圓，鄒洪波，魯仁全.基于MSP430F149的溫濕度測(cè)控儀設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2011，（04）：495.

［7］葛 姣，高清維.基于RS485的多機(jī)串口通信網(wǎng)絡(luò)［J］.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，（06）：7－8＋10.