单片机智能气动泵控制系统的设计

在火炮身管气动擦拭过程中，会遇到气体的计量问题。流量的精确测量是当前测控系统领域的一个重要内容。以C8051F020单片机为核心，可以设计一套智能气动泵控制系统，实现对气动泵进行状态检测和控制。

C8051F020单片机功能简介:
8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚。其主要特性：1）高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；3）真正12位、100ks/s的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；4）真正8位500ks/s的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；5）两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；6）64KB可在系统编程的FLASH存储器；7）4352（4096+256）B的片内RAM；8）可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口；9）硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口；10）5个通用的16位定时器；11）具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；12）片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。

具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。每个MCU都可在工业温度范围（-45～+85℃）内用2.7～3.6V的电压工作。端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。

系统工作原理及结构设计
气动泵控制系统要实现对气体流量进行有效控制，包括采集气体流量信息和实时控制气体流量。控制系统是以单片机为核心的监测与调控，可以独立地完成气体流量信息的采集、处理和显示，还可通过标准的RS-485接口与上位机实现通信。系统原理结构框图如图1所示，它是一个小型的分布式数据采集与控制系统，主要由微控制器、气体流量传感器及其补偿电桥、键盘和液晶显示模块、动作执行机构和上位机组成。

图1 系统工作原理图

系统选用C8051F020作为系统的微控制器。它的主要作用是：1)通过设置其内部的差分电路对气体流量进行采样；2)根据给定的两个流量限值(上限和下限)进行判断，给出动作执行机构相应指令；3)将处理后的采样流量通过I/O口输送给液晶显示器，同时经485总线输送给上位机。

上位机将接收到的采样气体流量、两个流量限值实时显示，实现对流量的实时监测。系统还允许从上位机修改流量上下限值。

键盘和液晶显示模块主要完成的功能为：通过键盘可以修改两个流量限值；液晶显示器将采样流量、上下限流量显示，显示气体流量调节过程。

采用气体流量传感器测得的流量模拟信号，经平衡电桥对其进行线性补偿，再经多路开关分时送入A/D转换器变成数字量传给C8051F020单片机。

执行机构主要通过接受单片机发出的命令，对系统的负载提供信号，控制调节阀开启的大小，使实际流量逐渐接近，到达到给定流量，完成自动调节过程。例如，当采样流量比上限值低时，输出一个信号给执行机构1；当高于上限值时，输出一个控制信号给执行机构2。

系统的硬件设计
系统的硬件设计采用模块式结构，结构紧凑，有利于调试和维护。系统硬件电路设计包括四大部分：单片机核心控制模块、气体流量检测模块、液晶显示模块、控制执行模块和通信模块。

1单片机核心控制模块
单片机核心控制模块的设计主要包括C8051F020单片机的最小系统、键盘及液晶显示电路的设计。其中，AIN0.0和AIN0.1作为气体流量采样的输入端；P0.0和P0.1为通信提供输入/输出信号；P1口作为键盘引出端；P6口和P5口的部分引脚作为液晶的数据口和控制口；P2.4和P2.5分别作为可执行机构1和2的控制信号输出端。CGM12864B点阵液晶显示屏是由2片带控制器的列驱动电路KS0108和1片行驱动电路KS0107组成主要的硬件电路。显示方面由1片128×64像素的液晶片组成。KS0108将显示区分为左右半屏，整个屏从上到下64行分为8页，每页8行。其液晶显示电路如图2所示。

图2 液晶显示电路图

2气体流量检测模块
该模块主要由气体流量传感器、整形放大电路、多路开关和A/D转换器转换电路等组成。主要完成将传感器检测到的与气体流量相对应的模拟量作整形放大，变成C8051F020单片机能接收的数字量。

被测气体在规定的流量、压力范围内通过流量计时，其瞬时容积流量Qi为
Qi=N/ξi (1)
式中，N为1s内输出的脉冲数；ξi为流量计系数。

检测气体流量时，CPU内部定时器/计数器CTC1不断采样流量计输出的脉冲数，并通过硬件中断每秒对测得的流量运算一次，求得被测气体的瞬时容积流量Qi和累计容积流量Qv。