孫志軍 桂林長(zhǎng)海發(fā)展有限責(zé)任公司

黃永亮 中國(guó)電子進(jìn)出口總公司

基于ER5000的壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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本文介紹了基于ER5000電子調(diào)壓器與C8051F020芯片為核心的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)。采用C8051F020的自帶A/D及雙串口配置實(shí)現(xiàn)對(duì)ER5000的輸出壓力控制，利用ER5000電子調(diào)壓器的PID控制，以滿足惰性氣體壓力調(diào)節(jié)快速性、高精度以及穩(wěn)定性等方面的性能要求。本文簡(jiǎn)述了該控制系統(tǒng)的顯示控制模塊、氣路執(zhí)行模塊等方案，實(shí)際表明該系統(tǒng)具有通用性好、壓力調(diào)節(jié)范圍寬、壓力控制精確度高等優(yōu)點(diǎn)。

ER5000電子調(diào)壓器；PID控制；C8051F020單片機(jī)；氣路執(zhí)行模塊

1.壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成及工作原理

本壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由顯示控制模塊、氣路執(zhí)行模塊組成。C8051F系列單片機(jī)根據(jù)按鍵輸入的壓力值，通過(guò)I/O端口控制氣路執(zhí)行模塊的二通閥及其它組件工作，串口1發(fā)送控制命令至氣路執(zhí)行模塊中的ER5000壓力控制器，控制ER5000及Tescom調(diào)壓器預(yù)置至輸入壓力值，C8051F系列單片機(jī)通過(guò)壓力傳感器采集壓力值，并顯示當(dāng)前壓力，正常工作后，ER5000壓力控制器利用自帶的PID控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力。當(dāng)C8051F系列單片機(jī)監(jiān)測(cè)到壓力超差較大時(shí)，將再次發(fā)出預(yù)設(shè)的壓力值對(duì)壓力控制器進(jìn)行控制；超過(guò)預(yù)設(shè)安全值時(shí)，將會(huì)控制停止加氣。

2.顯示控制模塊

顯示控制模塊主要由開關(guān)電源、C8051F系列單片機(jī)、A/D（單片機(jī)自帶）、按鍵及指示燈、數(shù)碼管等組成。

圖1 氣路執(zhí)行模塊的原理圖

開關(guān)電源主要為ER5000電子調(diào)壓器、C8051F系列單片機(jī)、二通電磁閥、數(shù)碼管顯示、串口通信芯片等器件提供正常工作所需的直流電源。

單片機(jī)采用C8051F020，作為自動(dòng)控制部分的主控芯片，主要用于完成對(duì)按鍵指令的解析和處理，并根據(jù)按鍵輸入信息分別完成對(duì)氣路執(zhí)行模塊中的二通閥、ER5000電子調(diào)壓器的控制，實(shí)現(xiàn)氣體壓力控制的功能，并通過(guò)自帶的A/D完成對(duì)輸出壓力傳感器輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，將采集的氣壓信息通過(guò)數(shù)碼管顯示，同時(shí)作為ER5000電子調(diào)壓器的自動(dòng)控制反饋量。C8051F020芯片資源豐富，自帶分辨率為12位的8路A/D，60路可編程I/O，2路串口，工作溫度達(dá)到了-40℃～+85℃。

數(shù)碼管主要用于顯示設(shè)置壓力值和輸出壓力值，數(shù)碼管采用四位一體的成熟產(chǎn)品4BS2H501B，與MAX7219配合使用。

A/D電路完成對(duì)壓力傳感器的信號(hào)以及開關(guān)電源1、開關(guān)電源2的電源電壓采樣，其中傳感器輸出的是4～20mA電路信號(hào)，該電流信號(hào)同時(shí)連接至顯示控制模塊的A/D采樣回路（通過(guò)250Ω電阻轉(zhuǎn)換為1～5V電壓）和氣路執(zhí)行模塊中的ER5000電子調(diào)壓器，既作為輸出壓力的采樣顯示，又作為ER5000電子調(diào)壓器自動(dòng)控制的反饋量。

單片機(jī)自帶的兩路串口，一路通過(guò)MAX485發(fā)送控制命令至氣路執(zhí)行模塊，用于輸出壓力的設(shè)定；另一路通過(guò)串口/網(wǎng)口轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)外接計(jì)算機(jī)與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，作為預(yù)留數(shù)據(jù)接口用于后續(xù)加氣量的數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)。

3.氣路執(zhí)行模塊

ER5000電子調(diào)壓器可用作獨(dú)立裝置對(duì)0—100psig/0—6.9bar清潔干燥惰性氣體進(jìn)行控制或可連接至任何氣動(dòng)調(diào)壓器或閥門。在與Tescom調(diào)壓器一起使用時(shí)，ER5000可為氣體和液體提供分布式壓力控制，壓力控制范圍為真空至30,000psig/2068bar，Cv最大可達(dá)12。

本氣路模塊采用ER5000電子調(diào)壓器與Tescom調(diào)壓器（圖1中序號(hào)8）結(jié)合使用，加大了壓力的調(diào)節(jié)范圍。

如圖1所示，氣源經(jīng)過(guò)序號(hào)1，分為兩路，其中，序號(hào)3、序號(hào)4、序號(hào)6～序號(hào)8、序號(hào)10與公共通道的序號(hào)11～序號(hào)14構(gòu)建了自動(dòng)控制加注回路；序號(hào)5、序號(hào)9以及與公共通道的序號(hào)11～序號(hào)14構(gòu)建了手動(dòng)控制加注回路。

4.工作流程

4.1 自動(dòng)控制工作流程

系統(tǒng)加電，首先根據(jù)加注對(duì)象在操作鍵盤輸入規(guī)定的壓力值，此時(shí)單片機(jī)控制序號(hào)3二通閥導(dǎo)通，C8051F020單片機(jī)通過(guò)RS485串口給ER5000電子調(diào)壓器發(fā)送壓力控制命令，ER5000電子調(diào)壓器控制Tescom調(diào)壓器輸出氣壓；ER5000電子調(diào)壓器利用自帶傳感器采集的壓力反饋信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和控制輸出壓力，單片機(jī)通過(guò)A/D采集并顯示輸出壓力；加注過(guò)程，單片機(jī)定時(shí)關(guān)閉序號(hào)3二通閥，同時(shí)采集壓力傳感器的反饋氣壓，判斷加注對(duì)象的壓力值是否已達(dá)到設(shè)定值。如果已達(dá)到則關(guān)斷序號(hào)3二通閥，給ER5000電子調(diào)壓器斷電，完成氣體加注；否則繼續(xù)加注。

4.2 手動(dòng)工作控制原理

根據(jù)加注對(duì)象需要的壓力值，緩慢調(diào)節(jié)序號(hào)9的閥門，加注過(guò)程觀察輸出表頭壓力指示，達(dá)到壓力值后，關(guān)閉加氣開關(guān)。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ER500電子調(diào)壓器與C8051F020單片機(jī)的壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有壓力設(shè)定可軟件編程，PID控制輸出壓力精度高的特點(diǎn)；系統(tǒng)通用性好、壓力調(diào)節(jié)覆蓋范圍寬，可廣泛應(yīng)用于清潔干燥惰性氣體的控制。

［1］潘琢金、孫德龍、夏秀峰，C8051F單片機(jī)應(yīng)用分析，北京航空航天大學(xué)出版社，2005-12-29。

［2］汪賢志、劉華章、張教育等，基于C8051F單片機(jī)的RS485串行通信設(shè)計(jì)，《電子測(cè)量技術(shù)》，2014年03期

孫志軍，男（1978-），工程師，研究方向主要為自動(dòng)化控制及裝備維修保障領(lǐng)域；

黃永亮，男（1984-），工程師，研究方向主要為嵌入式系統(tǒng)，自動(dòng)化控制及裝備維修保障領(lǐng)域。