机油泵性能试验台的控制硬件

第3章机油泵性能试验台系统的硬件设计

本章节主要对试验台控制硬件系统部分进行设计，控制系统硬件设计主要包括试验台所需传感器的选择，控制系统硬件电路中数据采集电路的设计、显示电路的设计、液压系统液压阀的选择与控制电路部分的设计。

3.1机油泵试验台的总体硬件设计

试验台硬件系统的核心硬件单片机选用常用的ATMEL公司的AT89C51。系统硬件的整体框图如图3-1，系统硬件在AT89C51的最小应用系统的基础上进行外围设备的扩展，由A/D转换器、D/A转换器、8255A并行可编程I/O口扩展芯片、8253定时器、计数器扩展芯片、LED数码管显示、功率驱动电气接口和执行机构构成一个控制系统。

机油泵性能试验过程中需要对流量、转速、压力、温度等参数测量，使用传感器检测装置获取的信号，A/D转换对传感器模拟信号转换成单片机可以识别的二进制数字信号，8253对传感器的频率信号进行检测采集，LED数码管对采集处理信号显示，单片机通过指令控制D/A转换，将数字信号转变为模拟信号，控制试验台系统中的液压阀等。

3.2传感器的选择

3.2.1 转速转矩传感器的选择

传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测转矩信号，并采用导电滑环来耦合电源输入及应变信号输出，由于导电滑环属于摩擦接触，因此不可避免地存在着磨损和发热，这样不但限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命，同时由于接触不可靠，也不可避免地引起测量信号的波动及误差的增加。

为了更好地测量驱动电机的输出转矩和转速，控制和调整电机，数字数转矩转速传感器来进行转矩的测量，并以数字量得形式送人以AT89C51单片机为核心而构成的测试系统。

在此选择深杰创立有限公司的JN338A型旋转是传感器，该智能数字式传感器采用两组带间隙的特殊环形旋转变压器来承担应变桥能源输入及信号输出的任务，从而实现能源及信号的无接触传递，因此提高了转矩测量的精度和可靠性。此外，该传感器还可同时现实旋转轴转速的测量，并方便地计算出轴的输出功率，因此，利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数测量。

该传感器的主要性能参数有以下几个。（1）转速输出信号：60-120个脉冲/转，（2）转速输出信号：900-2000个脉冲/转，（3）传感器的功耗：4W。

JN338A转矩转速传感器采用一只5脚的航空插座做电源输出及转矩转速信号输出，插座外形及引脚排列如图3-2所示。

引脚功能：

1脚：接地端

2脚：+15V电源端

3脚：-15V电源端

4脚：转速信号输出端

5脚：转矩信号输出端

3.2.2 流量传感器的选择

机油泵试验台系统主要对机油泵体积流量检测，考虑到试验台的自动化控制，选用涡街流量传感器，结构简单而牢固，安装方便，性能稳定，维修费用极少。信号为上海哲九仪表厂生产的LUBG12信号涡街流量传感器。

主要的性能参数：（1）供电电压：+24V，（2）输出信号：两线制4—20mA电流信号（3）被测介质温度：-40—+250°C。

3.2.3 温度和压力传感器的选择

温度传感器和压力传感器都选用传感变松为一体的温度变送器和压力变送器，其型号分别是JCJ100R7S1和PT503，主要性能参数如下：

温度变送器JCJ100R7S1 压力变送器PT503

主要参素：主要参素：

供电电源：12V 供电电源：12V

信号输出：0-5V 信号输出：0-5V

3.3 数据信号采集部分硬件电路设计

3.3.1 A/D转换的接口电路

图3-3是设计中A/D0809的接口电路，该电路可实现A/D转换器控制。

3.3.2 模数转换芯片

ADC0809是一种逐次逼近是A/D 转换器，可输出具有三态缓冲器可以和单片机直接相接，内部带有锁存器、8路模拟输出、8位数字量输出的A/D 转换器，能够对8路0-5V 的模拟电压分时进行转换，完成一次转换需100us 左右。ADC0809的引脚示意图如图3-4所示。

引脚和个引脚功能：

IN0—IN7:8个通道的模拟量输入端，可输入0—5V 待转换的电压。 D0—D7:8为数据输出端，三态输出，D7为最高位，D0为最低位。 ALE:地址锁存器信号输入端，上升沿锁存通道地址。

START:启动转换信号输出端，高电平表示转化结束，启动A/D 转换时自动变为低电平。 OE:输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 CLK:时钟信号输入端。 A 、B 、C ：片选控制端。

图3-5是ADC0809的时序图

从时序图中可以看出，地址锁存控制信号ALE 在上升沿有效，将地址锁存，相应通道模拟量经过ADC0809的多路开关送人内部A/D 转换器待转换。启动控制START ，上升沿复位内部电路，在START 下降沿启动A/D 转换，此时EOC 为低电平，直至转换结束时EOC 变为高电平，当单片机对ADC0809发出允许输出信号OE （高电平有效），此时单片机读取数据线上的数据。

由ADC0809的接口电路原理图可以看出，单片机的P2.7口、RD （P3.7口）和WR （P3.6口）控制A/D 转换器的片选信号，由此可计算出ADC0809的通道地址。此设计中有3个传感器信号的输入，选用IN0-IN2通道。表3-2是ADC0809的通道地址表。

3.3.3 数据采集处理电路的设计

对传感器模拟信号进行采集时，A/D 转换的模拟通道的输出电压为0-5V ，流量传感器输出信号为4-20mA ，因此需要对输出信号进行I/V 转换，将电流转换成0-5V 的电压再进行A/D 转换。图3-6是由运算放大器组成的I/V 转换电路。

U+=U-=IsR1

U —U-/Rf=U-/R2+（U —Uf ）/R4 U-=(1+Rf/R2+Rf/R4)IsR-UfRf/R4

输入信号为Is=4-20mA,输出信号为0-5V ，故可选取电阻R1=250Ω，R2=20K Ω,R4=20 K Ω,Rf=10 K Ω,调节电位器使0-5V ，可计算出Rw=100 Ω，R5=50Ω。

3.4 显示部分的设计 3.

4.1 数码管驱动电路设计

显示部分是单片机控制系统的重要组成 部分，主要用于显示各种需要的参数值，以 便试验过程现场工作人员观察和收集数据。

试验台系统的主要显示器件有LCD 、LED 、 CRT 等，CRT 体积大，价格昂贵，在试验台

系统中经常选用LCD 和LED ，而LED 成本

低廉，配置灵活，且多用于单片机控制系统中，故选用LED 显示。