于千博，毛謙敏

(中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

0 引言

燃?xì)獗韽V泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和居民日常生活中，是一種重要的氣體流量檢測儀表[1]。其中，電機閥是控制燃?xì)獗磉M(jìn)出氣體的重要部件，電機閥要求能一次開關(guān)到位防止燃?xì)庑孤2]。其質(zhì)量的好壞，不僅影響著企業(yè)的經(jīng)濟效益，更重要的是因質(zhì)量問題引起的泄漏將對人民的生命財產(chǎn)安全造成巨大的威脅[3]。

隨著微電子技術(shù)及自動檢測技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)已有研究者研制了相關(guān)電機閥檢測裝置[4]。傳統(tǒng)的電機閥檢測裝置，使用不同的儀表對參數(shù)進(jìn)行檢測，利用CAN總線通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機進(jìn)行處理[5]。雖采集精度滿足要求，但需購置多臺儀表，一次只能檢測一個電機閥，成本高，檢測效率低。

針對上述問題，本文設(shè)計了一套雙檢測臺電機閥檢測裝置，每個檢測臺有5個工位，一次能對5個電機閥開關(guān)動作時電機的工作電流、內(nèi)阻進(jìn)行檢測，并能判斷開關(guān)閥到位情況。雙檢測臺可以實現(xiàn)在X檢測臺工作的同時，完成對Y檢測臺工位上待檢產(chǎn)品的裝卸，極大提升了檢測效率。

1 檢測原理

1.1 內(nèi)阻檢測原理

電機閥內(nèi)部裝有一個小型直流電機，電機內(nèi)部等效電路如圖1所示。當(dāng)開關(guān)閉合后，加載于電機閥兩端電壓[6]為

(1)

式中：UM為電機閥兩端電壓；IM為回路電流；RM為電機閥內(nèi)阻；LM為電機閥內(nèi)阻等效電感；EM為回路反電動勢。

圖1 電機內(nèi)部等效電路圖

當(dāng)閥瓣開關(guān)到位后，電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機兩端仍加有電壓。此時，電機閥內(nèi)阻不切割磁感線，沒有反電動勢EM。堵轉(zhuǎn)電流也保持不變，電感自感電壓為0。根據(jù)式(1),可求得電機閥兩端的電壓為

UM=IMRM

(2)

為了求取式(2)中的電流IM，可將電機閥與一個高精度1 Ω電阻串聯(lián)。電機閥堵轉(zhuǎn)時，測量電阻兩端的電壓，由于是純阻性器件，根據(jù)歐姆定律計算得到整個回路的電流值，根據(jù)式(2)，可以求得電機閥內(nèi)阻。

1.2 閥瓣到位檢測原理

閥瓣開關(guān)距離為7 mm，本裝置只需判斷開關(guān)到位情況，不需要得到具體位移參數(shù)，故使用反射式光電傳感器，檢測原理如圖2所示。

圖2 反射式光電傳感器檢測原理圖

本裝置使用的反射式光電傳感器是GP2A25，其探測量程為3～7 mm。當(dāng)物體處于傳感器探頭探測范圍內(nèi)，傳感器將輸出低電平，處于探測范圍外，輸出高電平。將光電傳感器置于距離閥瓣2 mm處，閥瓣開關(guān)動作時依據(jù)輸出引腳的電平信號，判斷開關(guān)閥是否到位。

1.3 檢測通道切換原理

每個電機閥電參數(shù)經(jīng)過硬件電路處理將產(chǎn)生3路電壓信號，分別是1 Ω電阻兩端經(jīng)處理后的電壓值，電機閥兩端經(jīng)處理后的電壓值和反射式光電傳感器輸出分壓后的值。10個電機閥將產(chǎn)生30路信號，占用30個通道。而STM32F103ZET6芯片內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器最多可使用16個通道。因此，需要對輸入STM32單片機的信號進(jìn)行切換選擇。如圖3所示，將X檢測臺的15路電壓信號分別與Ax1Bx1Cx1—Ax5Bx5Cx5連接，Y檢測臺的15路電壓信號分別與Ay1By1Cy1—Ay5By5Cy5連接，A1B1C1—A5B5C5這15個輸出端連接到STM32單片機A/D轉(zhuǎn)換器的15個通道對應(yīng)的I/O口。通過切換開關(guān)，將X、Y檢測臺數(shù)據(jù)交替輸入到STM32單片機中處理。

圖3 檢測通道切換原理圖

2 總體設(shè)計方案

本裝置設(shè)計了以STM32F103ZET6為核心處理器的測量控制電路，具體包括按鍵電路、電機驅(qū)動電路、模擬開關(guān)電路、聲光報警電路、信號放大和信號調(diào)理電路。其中，按鍵KX和KY選擇檢測工作臺并開啟對應(yīng)的通道開關(guān)，STM32單片機I/O口輸出高低電平控制電機驅(qū)動電路驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)，各參數(shù)信號經(jīng)處理后由模擬開關(guān)電路輸入到STM32單片機中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和運算，檢測結(jié)果顯示在LCD屏幕上。如果檢測結(jié)果不合格，則LED燈閃爍，蜂鳴器報警。裝置檢測流程框圖如圖4所示。

圖4 裝置檢測流程框圖

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 電機驅(qū)動電路

傳統(tǒng)的直流電機驅(qū)動電路是由2個P型和2個N型場效應(yīng)管組成的H橋電路。但是由于兩種場效應(yīng)管參數(shù)不同，具有電流不穩(wěn)定，開關(guān)時間不一致等缺點[7]?？紤]到上述缺點，選用DRV8837芯片實現(xiàn)傳統(tǒng)電路功能。該芯片體積小，最大能輸出1.8 A驅(qū)動電流，只需要改變輸入端的引腳電平就可以控制電機的運動。其電路連接如圖5所示。

圖5 驅(qū)動電路圖

圖5中J1連接電機閥，J2可選擇將芯片的休眠控制端連接電源或者地，從而控制芯片處于正常工作狀態(tài)或休眠模式。芯片真值表如表1所示。

表1 DRV8837真值表

3.2 信號放大電路

由于1 Ω電阻兩端電壓特別小，選用INA128儀表放大器對1 Ω兩端電壓信號進(jìn)行放大，方便STM32單片機采集處理。圖6為信號放大電路圖。

圖6 信號放大電路圖

通過調(diào)節(jié)滑動變阻器RG可以調(diào)節(jié)INA28輸出增益[8]。增益G計算公式為

(3)

式中RS取固定值，為50 kΩ。

調(diào)節(jié)RG將INA128的輸出增益控制在15～20倍，便于信號的采集與處理。放大電路的輸出電壓為

UO1=(VIN+-VIN-)G+VRef

(4)

式中：UO1為電路的輸出電壓；VIN+-VIN-為1 Ω兩端電壓；VRef為芯片的參考電壓，電路中與地相連，故VRef為 0 V。

3.3 信號調(diào)理電路

電機閥開關(guān)動作時，其兩端電壓處于正負(fù)交替變化狀態(tài)，1 Ω兩端電壓也正負(fù)交替出現(xiàn)。而STM32單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器只能采集轉(zhuǎn)換正電壓。因此使用OP07運算放大器設(shè)計一款同相加法電路，將正負(fù)變化的電壓整體抬高一定幅值，使輸入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓值恒為正，并且滿足量程[9]。信號調(diào)理電路如圖7所示。

圖7 信號調(diào)理電路圖

根據(jù)虛短、虛斷原理[10]，可求得：

(5)

式中Ui2為恒定5 V電壓。

3.4 模擬開關(guān)電路

如果使用傳統(tǒng)的開關(guān)實現(xiàn)圖3功能，硬件電路將十分復(fù)雜，而且需要手動切換通道。因此，使用CD4053芯片來實現(xiàn)圖3所示的電路功能。CD4053擁有6路輸入3通道輸出，與STM32單片機連接如圖8所示。當(dāng)芯片INH管腳處于低電平，且A、B、C管腳輸入全部為低電平時，X檢測臺引腳經(jīng)CD4053與STM32單片機I/O口連通；A、B、C管腳輸入全部為高電平時，Y檢測臺引腳經(jīng)CD4053與STM32單片機I/O口連通。

圖8 CD4053連接圖

4 軟件設(shè)計

4.1 軟件運行流程

裝置啟動后，軟件程序初始化等待按鍵命令。按下按鍵KX或KY后，STM32單片機依據(jù)不同按鍵命令執(zhí)行對應(yīng)的電機控制程序、通道切換程序、數(shù)據(jù)采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)計算程序、顯示程序和結(jié)果判斷程序。其流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

4.2 濾波算法

由于外界噪聲的存在，儀表放大器在放大mA級別的電壓信號的同時也會將信號噪聲放大，造成波形失真，因此分別采用限幅濾波法和限幅平均濾波法對采集的信號進(jìn)行濾波處理[11]。

4.2.1 限幅濾波法

此方法的原理是預(yù)先設(shè)定好2次采樣的最大允許誤差X，這里設(shè)置X=10。設(shè)連續(xù)2次檢測值的差值絕對值為Y=|Yi-Yi-1|，若Y>X,，則認(rèn)為Yi是干擾信號，使用Yi-1替換該值；若Y≤X，則認(rèn)為此次采樣值Yi為有效值。此方法適用于采集堵轉(zhuǎn)電流時濾除偶然因素造成的脈沖信號干擾。

4.2.2 限幅平均濾波法

該算法是先對采集的信號做限幅濾波法，然后將連續(xù)采集的N個值看作一組長度固定的隊列，這里設(shè)N=10。每次采集的新數(shù)據(jù)放入隊尾，并去除原來隊首的一個數(shù)據(jù)，然后將新得到N個值取算數(shù)平均值，即為新的濾波結(jié)果。該算法在限幅濾波法的基礎(chǔ)上，克服了其平滑度差的缺點，并且對周期性的干擾有較好的抑制，適用于處理電機穩(wěn)態(tài)時的電流信號。

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 檢測標(biāo)準(zhǔn)

電機閥內(nèi)阻合格范圍為33～36 Ω，裝置對電機閥內(nèi)阻檢測值與真實值偏差應(yīng)小于±0.5 Ω。開關(guān)閥合格電流分別為30～ 40 mA和-20～ -10 mA。為了能實現(xiàn)電機堵轉(zhuǎn)，將開關(guān)閥時間分別設(shè)置為2 700 ms和720 ms。圖10為電機閥實物圖。

圖10 電機閥實物圖

5.2 實驗測試

5.2.1 閥瓣位移檢測

在閥門未開始動作時，GP2A25輸出高電平。當(dāng)開關(guān)閥動作進(jìn)行到一半時，閥瓣處于傳感器檢測范圍內(nèi)，傳感器輸出低電平。當(dāng)開關(guān)閥動作完成，閥瓣距離傳感器分別為2 mm和9 mm，在檢測范圍外，傳感器輸出高電平。對一次開關(guān)閥動作時2組傳感器電平輸出值進(jìn)行“與”邏輯運算，如果運算結(jié)果為“高低高”，則證明開關(guān)閥成功完成，否則，開關(guān)閥失敗。

5.2.2 電阻測試

設(shè)定A/D采樣頻率為500 Hz，INA128增益為20，開閥關(guān)閥電流波形如圖11(a)和圖11(b)所示。

(a)開閥電流波形圖

(b)關(guān)閥電流波形圖圖11 開關(guān)閥電流波形圖

由圖11可知，在開閥動作0.8～2.1 s，關(guān)閥動作160～500 ms期間，電機閥處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，這段時間內(nèi)電流值的算數(shù)平均值即為穩(wěn)態(tài)工作電流，可求得開閥電流為37.64 mA，關(guān)閥電流為-13.89 mA，符合標(biāo)準(zhǔn)，檢測合格。在開閥動作2.2～2.7 s和關(guān)閥動作550～720 ms期間，電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)，且堵轉(zhuǎn)電流保持不變，由式(6)、式(7)可得電阻值。

(6)

(7)

式中：Ur為堵轉(zhuǎn)時電阻R5兩端電壓;VO為堵轉(zhuǎn)時OP07運算放大器輸出電壓分壓后輸入STM32單片機的電壓。

為了驗證裝置的檢測精度，對一個工位的電機閥進(jìn)行5次檢測，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

將直流電阻儀檢測電阻值視為電機閥內(nèi)阻真實值，裝置5次測量的絕對誤差均小于±0.5 Ω，滿足檢測標(biāo)準(zhǔn)。

表2 測試數(shù)據(jù)表

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套雙檢測臺燃?xì)獗黼姍C閥參數(shù)檢測裝置，以STM32單片機為主控芯片，輔以其他硬件電路和傳感器，實現(xiàn)了對電機閥開關(guān)時工作電流、內(nèi)阻等參數(shù)的檢測，并能判斷閥門開關(guān)到位情況。實驗測試表明，該裝置能實現(xiàn)多工位多參數(shù)測量，檢測效率和檢測精度高，可以應(yīng)用于實際的生產(chǎn)檢測中。