电磁阀检测系统的设计

㊀２０１８年㊀第８期
仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ
２０１８㊀Ｎｏ．８㊀
基金项目：河南省高等学校重点科研项目（１７Ａ５８０００５）；２０１５年度河南省重点科技攻关项目（１５２１０２２１０３０６）收稿日期：２０１８－０１－１０
电磁阀检测系统的设计
王㊀强
（河南工学院汽车工程系，河南新乡㊀４５３００３）
㊀㊀摘要：针对传统的电磁阀检测装置操作复杂㊁精确度低等问题，设计了一种新型电磁阀检测系统㊂该系统以嵌入式微处理器ＳＴＭ３２为控制核心，硬件部分包括数据采集电路㊁数据处理电路㊁串口通信电路等㊂通过电磁阀的吸合实验来采集传感器组输出的电压㊁电流信息，通过相关算法推算出电磁阀的工作状态，最终把测量结果通过ＲＳ２３２通信方式发送到上位机实时显示㊂实际实验结果表明，设计的电磁阀检测系统操作简单㊁响应速度快㊂关键词：电磁阀；检测系统；ＳＴＭ３２；ＲＳ２３２
中图分类号：ＴＰ２７３㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１８）０８－００８１－０３
ＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＶａｌｖｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ
ＷＡＮＧＱｉａｎｇ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ４５３００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｃｏｍｐｌｅｘｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｌｏｗａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｖａｌｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｄｅ⁃ｖｉｃｅ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｖａｌｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙＳＴＭ３２ＭＣＵ，ａｎｄｔｈｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｄａｔａｓｔｏｒａｇｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｍａｉｎｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｇｒｏｕｐｉｓｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｓｕｃｔｉｏｎｔｅｓｔｏｆｔｈｅｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅ，ａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｖａｌｕｅｉｓｄｅｄｕｃｅｄ
ｂｙｔｈｅｒｅｌａｔｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＲＳ２３２ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｅｎｔｔｏｔｈｅＰＣｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｖａｌｖｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｉｓｓｉｍｐｌｅａｎｄｆａｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｖａｌｖｅ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ＳＴＭ３２；ＲＳ２３２
０㊀引言
电磁阀通常被用来控制液体㊁气体等可流动性物质的通断，电磁阀的质量㊁性能直接影响着工业生产，因此对电磁阀的检测就显得至关重要［１］㊂传统的电磁阀检测工具体积较大且不易操作，因此本文设计了一种基于单片机的新型电磁阀检测系统，该系统具有体积小㊁操作简单㊁成本低等优点［２］㊂
１㊀系统概述
电磁阀检测系统由传感器数据采集电路㊁数据处理电路㊁数据存储电路以及串口传输电路组成［３］㊂测试电磁阀时，把待测电磁阀固定在实验平台上，让特定气体流过电磁阀，此时启动系统开始检测电磁阀的进出口压力值，以及所测得的电磁阀两端电压㊁电流值的变化，记录电磁阀两端电压㊁电流与进出口压力值的对应关系，以此为依据来判断电磁阀的性能以及状态㊂
在单片机内部对传感器采集到的各种数据进行分析㊁计算处理，最后通过串口传输的方式把计算结果发送到上位机，在上位机界面上可实时查看采集到的各种数据，还可以实现对数据的存储等功能㊂系统原理图如图１所示
㊂
图１㊀系统原理图
２㊀系统的硬件设计
电磁阀检测系统硬件电路主要包括传感器组数据采集电路㊁数据处理电路㊁Ａ／Ｄ采集电路以及单片机最小系统电路等［４］㊂硬件框图如图２所示㊂
图２㊀电磁阀检测系统硬件框图
系统通过传感器组采集待测电磁阀的压力㊁电压以及电流信号，通过相关处理电路滤波㊁放大处理后
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㊀８２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ａｕｇ．２０１８㊀
进行Ａ／Ｄ转换，单片机ＳＴＭ３２Ｆ１０３数据处理㊁分析，最后把计算结果通过ＲＳ２３２通讯的方式发送到上位机显示，系统还可以实现对采集数据的存储㊁查询等功能［５］㊂
２．１㊀数据采集电路的设计
在检测电磁阀性能时，由于需要采集的数据种类较多，需要通过切换各个传感器来实现间隔采样㊂本系统选用ＭＡＸ３１９多路开关来控制一路信号，总共需要５个多路开关，为了节约单片机的Ｉ／Ｏ口，可以选用译码器ＳＮ７４ＨＣ２３８来控制５路开关的通断［６］㊂
ＭＡＸ３１９是单刀双掷的ＣＭＯＳ单片集成模拟开关，通过系统编程控制ＭＡＸ３１９的通断，当ＭＡＸ３１９
的６脚为高电平时，其１脚与８脚呈导通状态，否则一直处于断开状态，传感器的１脚㊁８脚连接ＡＤＣ的采集通道㊂由于本系统需要实现多组数据的采样，且为了防止信号串扰，每次只允许一个通道进行采样，因此任一时刻只能有一个ＭＡＸ３１９的６脚为高电平状态㊂为了节约单片机Ｉ／Ｏ资源，本文选用３线－８线译码器ＳＮ７４ＨＣ２３８来实现多路传感器采集信号的切换，具体电路图如图３所示
㊂
图３㊀数据采集电路
压力传感器的功能是将采集到的压力信号转换为电信号，由于压力传感器输出的电压信号很微小且存在干扰，若直接采集则误差较大，因此需要对压力传感器输出的信号进行滤波放大之后再进行Ａ／Ｄ采样㊂电压信号是被测电磁阀两个控制端子的电压，主要检测的是电磁阀的吸合电压和保持电压㊂电流信号是被测电磁阀线圈中的电流，主要检测的是电磁阀线圈能承受的电流范围㊂
２．２㊀数据处理电路的设计
在数据采集电路中，传感器采集到的信号中通常会夹杂着一些干扰信号或噪声信号，因此需要设计信号调理㊁滤波电路来滤除干扰信号，本系统选用一阶有源滤波电路对传感器采集到的数据进行滤波［７－８］㊂由于仪表放大器在微信号处理方面具有优势，因此选用具有良好共模抑制比的仪表放大器ＩＮＡ２１８，其具有低功耗㊁高精度的特点㊂有源低通滤波电路如图４所示
㊂
图４㊀数据处理电路
２．３㊀Ａ／Ｄ转换电路
本系统需要对多路传感器信号进行Ａ／Ｄ采样，结合高精度与低功耗的要求，选择ＡＤ９７６转换器㊂ＡＤ９７６具有１６位的转换精度并且可实现单５Ｖ供电，芯片转换速率约１００ｋＳＰＳ，模拟电压信号输入范围为－１０ ＋１０Ｖ，还可以采用内部２．５Ｖ作为基准电压，简
化了外围电路，与单片机通过并行接口的方式实现数据交互㊂具体电路图如图５所示
㊂
图５㊀Ａ／Ｄ采集电路
２．４㊀ＲＳ２３２串口通信电路
系统采用ＲＳ２３２的通信方式把单片机处理后的
结果发送到上位机实时显示［９］㊂由于ＲＳ２３２采用ＤＢ９的接口可以方便地与ＰＣ机连接㊂单片机Ｉ／Ｏ口输出的电平在０ ＋３．３Ｖ之间，而ＲＳ２３２的电平范围为＋３ ＋１５Ｖ，其与ＴＴＬ电平不兼容，因此需要外接ＲＳ２３２通信电平转换芯片，选用ＭＡＸ２３２来实现此功能，具体电路图如图６所示㊂２．５㊀存储电路
为了实现保存设置好的参数，在下次设备重启之后不需要重复设置，这就需要把设置好的参数保存在ＳＴＭ３２的ＲＯＭ中，而ＲＯＭ空间有限，不能存放过多
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㊀第８期王强：电磁阀检测系统的设计
８３㊀
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图６㊀ＲＳ２３２串口通信电路
的设置参数以及检测的历史数据㊂
本文通过外接ＦＬＳＨ芯片ＣＡＴ２４ＷＣ０１来实现数据的存储，它是一款低功耗的存储器件，可以通过Ｉ２Ｃ总线与单片机进行通讯［１０］
㊂ＣＡＴ２４ＷＣ０１是一个１Ｋ
位串行ＣＭＯＳＥＥＰＲＯＭ，内部含有１２８个８位字节，具
体电路图如图７所示
㊂
图７㊀存储电路
３㊀软件设计
主要设计了传感器组数据采集程序㊁数据采集切换程序㊁Ａ／Ｄ采样程序㊁数据处理程序以及串口传输程序等㊂系统上电首先执行复位操作，根据按键指令切换数据采集传感器通道，采集所需数据，模数转换芯片对采集到的数据进行模数转换，然后把数据发送到单片机内部进行处理，最后把结果通过ＲＳ２３２的方式发送到上位机实时显示，具体流程图如图８所示㊂４㊀实验数据分析
根据上述硬件和软件要求设计了电磁阀检测系统，在操作台上检测电磁阀的工作状态来验证系统的可靠性与准确性㊂首先采集的是电磁的吸合电压和保持电压㊂吸合电压是指供电电压从零开始增加，直至电磁阀完全打开时的电压，如图９所示㊂反之，在电磁阀打开时，电压按步幅慢慢降低，当电磁阀完全闭合时，此时的电压为保持电压，如图１０所示㊂
本文采用ＰＷＭ电源为待测电磁阀供电，通过改变输出电压的占空比㊁频率来测试其电流的变化，采集的数据如图１１所示
㊂
图８㊀
电磁阀检测系统的软件流程图
图９㊀
电磁阀吸合电压检测图
图１０㊀
电磁阀保持电压检测图
图１１㊀固定频率不同占空比时采集到的电流
根据上述实验数据可知，电磁阀的吸合电压在３Ｖ，当电压在２．５Ｖ时慢慢增大，电磁阀慢慢打开，流量逐渐增大，当电压升至３．０Ｖ时，电磁阀完全打开，
此时流量最大；当在电磁阀完全打开的状态下，慢慢降低电压，由图１０可知当电压降为１．０Ｖ时电磁阀开始闭合，电压降低到０．７５Ｖ时电磁阀完全闭合，流量为零㊂以测量得到的正常工作的电磁阀数据为依据，后续电磁阀的测量数据与它做对比，可快速定位电磁阀的状态，大致判断出其性能㊂
（下转第８９页）
㊀㊀㊀㊀㊀第８期赵翔宇等：分层提取匹配印刷电路板元器件缺陷检测８９㊀㊀
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作者简介：赵翔宇（１９９２ ），硕士研究生，主要研究方向为图像处理与机器视觉㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：２７６８６１６１３＠ｑｑ．ｃｏｍ
通讯作者：周亚同（１９７４ ），教授，博士生导师，主要研究方向为机器学习与模式识别㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｙｔ＠ｈｅｂｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
（上接第８３页）
５　结束语
本文设计了一种基于单片机的电磁阀检测系统，与传统的电磁阀检测装置相比，该系统操作简单，具有体积小㊁成本低等优点㊂后续可以对系统继续改进，比如把单片机换成运算速率更快的ＡＲＭ系列单片机，设计液晶屏接口，直接在液晶屏上显示电磁阀的检测结果，对系统的算法进行深度优化，提高检测的效率以及成功率㊂
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作者简介：王强（１９８０ ），硕士，讲师，主要研究领域为汽车ＣＡＥ㊁汽车制造㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗｑａｐｐｅａｌ＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ。