基于C8051F040的压力机控制系统设计

1 引言
    压(拉)力机是用于检测建材及某种产品强度的机械。它根据工作方式分为压和拉两种，其工作力均由油泵产生，因此统称压力机。压力系统由机械结构和控制柜组成，工作时先安装试件，人工手动按下开始按钮，观察压力值，根据不同材料相应调节加压速度，使其到达额定压力，进而进入保压期，由于同时还需记录数据，因此要求熟练人员操作。
    为了减轻操作人员的工作强度，提高实验精度，这里给出一种智能压力机控制系统设计方案。该系统工作时操作人员用鼠标选择材料，并按下开始试验按钮，计算机则按照预定方案自动操作，操作完成后可打印出试验曲线和结论报表。

2 控制器硬件组成
    该系统在原压力机的基础上增加控制器和计算机，其组成如图l所示。该系统分为压力机(机构)、控制柜(强电控制)、控制器(弱电控制)和计算机(人机交互界面)等4部分。

    控制器处于计算机和控制柜之间，控制器和计算机之间采用USB通讯，控制器接收计算机指令则控制各个开关和模拟信号，并同时采集油泵和油缸的压力和温度信号，将采集的压力值和计算机的压力阈值相比较，进而控制调节阀开度，采用PID算法实现加压速度的自动调节，进入保压期后再控制调节阀使压力值达到恒定。
    根据控制器的功能要求，该控制器应具有计算能力、采集模拟量信号、控制开关量和模拟量信号并能通过USB总线和计算机通讯、该控制器组成模块为CPU、A/D转换、D／A转换，V／I转换、继电器阵列和RS232／USB转换器，如图2所示。

    CPU采用C8051F040，它具有高速8051微控制器内核，流水线指令结构；70％指令执行时间为1～2个系统时钟周期，因此其运算速度较快；内部集成有13个，12位A／D转换器，可将压力温度模拟信号转换为数字信号；2个12位D／A转换器，根据需要控制调节阀；2个UART串口，用于单片机和计算机通讯；64个I／O端口，用于控制开关量信号；64 KB Flash程序存储器，使系统在线编程；4 K RAM可在编程。因此，C8051F040是一款功能强大的单片机,是该系统设计的核心。

3 单元电路设计
3．1 USB通讯电路设计
    由于单片机提供RS232通讯接口，而计算机采用USB接口，因此需要USB和RS232接口转换电路,该系统设计采用CP2101，它是Silicon公司生产的高度集成的USB转UART桥接器，内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、振荡器和带有调制解调器控制信号的异步串行数据总线(UART)，工作时无需其他外部元件。
    Silicon提供免费的驱动程序，支持Win98／Me／2k／XP／CE，MAC OS-9、MAC 0S-X以及Linux部分版本。方便地将一个基于CP2101的产品作为PC机的一个虚拟COM端口，使用CP2101的UART接口处理所有的RS232信号，而无需更改现存的同件COM端口。
    CP2101 UART接口包括TXD(发送)和RXD(接收)数据信号以及RTS，CTS，DSR，DTR，DCD和RI控制信号，UART支持RTS／CTS，DSR／DTR和X-On／X-Off握手，在PC机的COM端口配置时，编程设置UART的数据格式和波特率。该系统设计采用3线制串口，波特率19．2 Kb／s，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无校验位。图3为USB转RS232接口电路。图中RXD和TXD连接单片机串口，USB接口依次是+5 V、D-、D+和GND，工作时连接计算机任意USB接口。

3．2 模拟量采集信号调理电路
    由于系统需采集1～5 V电压和4-20 mA电流的模拟信号，对于电流信号只要在电流环串联一只250 Ω电阻即可转换为0～5 V的电压信号，图4是任一路信号调理电路。该电路可输入电压信号或电流信号，输入信号为ADI4。ADI4不接尺R204时，输入电压信号；接R204(250 Ω)电阻时，则输入电流信号，U22B是电压跟随器，输出1～5 V，后接2只分压电阻R228和R232，可将信号转换为0．5～2．5 V，R208和C204用于低通滤波，U21B为比例运放，由于运放单电源供电，所以设计为同相比例运算，R220和R224为分压电阻，根据试验确定阻值，VD24和VD28为保护电路。

3．3 开关量驱动电路
    由于该系统开关量控制信号较大，故采用同态继电器和三极管组合驱动，如图5所示。图中K1为同态继电器，COM和DO1为常开触点的2个接线端子；VD401为继电器线圈续流二极管，VQ1为NPN三极管，工作在OC方式下。单片机控制VQ1以驱动继电器的线圈。

3．4 模拟量输出电路
    利用模拟量控制调节阀，调节阀控制信号是4～20 mA电流信号，但下一代调节阀可能是1～5 V电压信号控制，为了方便互换，设计了电流输出和电压输出选择跳线，如图6所示。单片机D／A转换器输出电压信号，经过同相比例运算放大器信号为0～5 V，如果输出电压信号可用跳线将JP1的1和2短路，JP2输出电压信号；如果输出电流信号，可用跳线将JP1的2和3短路，信号输入至AD694电压／电流转换器，则JP2输出电流信号。AD694供电电源电压范同宽，其范围为4．5～36 V，根据不同连线方式可输入0～2 V、O～2．5 V、0～10 V和0～12．5 V，输出可选O～20 mA和4～20 mA。该系统设计输入为0～2．5 V，输出4～20 mA。

4 软件设计
    控制器是以单片机为核心，设计采用C语言编写，其流程图如图7所示。上电运行后先初始化，包括端口、定时器、串口和中断等初始化；初始化完成后等待上位机开始试验指令和压力阈值，收到指令后打开电源，根据压力阈值进行PID预算，利用运算结果控制调节器，试验结束后卸载油缸，然后断电停机。

5 结论
    在分析现有的手动操作压力机缺点的基础上，提出智能压力机方案和组成原理，并着重论述弱电控制系统的硬件电路设计，介绍基于USB接口的采集控制系统组成原理，详细论述各个单元电路设计。该控制器已通过实验测试，达到预期效果，研制出产品样机，为批量生产打下基础。