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一种基于单片机的 气动 增压 泵嵌入式控制器及控制方法

阅读：136发布：2020-09-27

专利汇可以提供一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器及控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器及控制方法，属于自动控制技术领域。本发明的控制器的外部左侧面设置有四个传感器接口和一个电磁阀接口，传感器接口及电磁阀接口采用航空插头，控制器外部正面是12864 液晶显示屏和薄膜矩阵键盘，控制器外部右侧面是控制器开关和充电端口；四个传感器接口连接设备的四个传感器；控制器的内部电路包括单片机最小系统电路、信号调理电路、电源电压转换电路、电磁阀控制电路、蜂鸣器电路，矩阵键盘电路及12864显示电路，各部分电路均与单片机相连。，下面是一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器及控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器，其特征在于：控制器的外部左侧面设置有4个传感器接口和1个电磁阀接口，传感器接口及电磁阀接口采用航空插头，控制器外部正面是12864液晶显示屏和薄膜矩阵键盘，控制器外部右侧面是控制器开关和充电端口；4个传感器接口连接设备的4个传感器；控制器的内部电路包括单片机最小系统电路、信号调理电路、电源电压转换电路、电磁阀控制电路、蜂鸣器电路，矩阵键盘电路及12864显示电路，各部分电路均与单片机相连；信号调理电路将4路传感器采集的压力与流量信号传送给单片机，单片机根据智能算法对4路传感器的采集信号进行处理，根据处理结果，单片机输出信号给电磁阀控制电路，对电磁阀进行控制，蜂鸣器电路发出按键和报警提示音，显示电路通过12864液晶显示屏把处理结果实时显示出来，矩阵键盘电路用于为控制器设定增压任务参数，电源电压转换电路为单片机提供电源，并具有过载保护、防接反、电量实时监测功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器，其特征在于：4路传感器分为3路压力传感器和1路流量传感器，其中3路压力传感器是必需的，1路流量传感器是可选配的，4路传感器采集的信号分别为：执行气体压力、执行气体流量、供气容器气体压力、目标容器气体压力。
3.根据权利要求1所述的一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器，其特征在于：
控制器采用可充电锂电池作为电源。
4.根据权利要求1所述的一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器实现控制的方法，其特征在于：首先通过矩阵键盘设定增压任务和传感器采集各路气体的初始压力值，控制器自动计算判断增压目标能否实现；若能实现则预测达到增压目标所需要的增压次数（高压增压器的工作周期数），控制器开启电磁阀，执行气体进入高压增压器，开始对供气容器气体增压，并在工作过程中，控制器实时检测并通过液晶屏显示执行气体压力和流量、供气容器气体压力与目标容器气体压力，并计算剩余增压次数，当目标容器气体压力达到设定值时，控制系统关闭电磁阀，增压任务完成。
5.根据权利要求1所述的一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器实现控制的方法，其特征在于：智能算法工作流程：首先通过采集当前条件下各路传感器信号，得到供气容器和目标容器的压力值，然后利用智能算法公式进行一次迭代运算，根据计算结果判断能否实现增压目标，如果不能实现，则给出提示信息，要求重新调整参数设置，如果可以实现则使增压次数加1，并根据计算出的此次增压后的目标容器压力判断是否已经达到增压目标，如果没有达到则返回进行下一次迭代运算，直到计算出的供气容器压力大于或等于设定的目标压力值时停止运算，最终得到总的增压次数，并进行显示。
智能算法所依据的计算公式为：
第n次压缩开始前高压柱塞腔内气体的压力为PAn的计算公式：
第n次压缩结束后排出高压气体的压力PBn的计算公式：
高压柱塞腔的总容积，包括余隙容积和有效行程容积的计算公式：
VC＝VO+A2S,
上述公式中：
VA——供气容积及其与增压器出口连接管路的体积；
VB——目标容器及其与增压器出口连接管路的体积；
VO——高压柱塞腔的余隙容积；
VC——高压柱塞腔的总体积；
A2——高压柱塞面积；
S——压缩行程长度。

说明书全文

一种基于单片机的 气动 增压 泵嵌入式控制器及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器及控制方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

[0002] 高压注气机是气动系统中一种使用广泛的增压设备，其核心部件是气动高压增压泵，基本工作原理可参考附图1的高压注气机系统构成原理框图。系统使用低压压缩空气作为执行气体，执行气体可以有多种来源，如：空压机、气瓶或其他低压压缩空气气源，电磁换向阀控制执行气体气路通断，执行气体向下推动增压泵活塞做功，供气容器的气体在增压泵活塞另一侧被增压后进入目标容器，从而使目标容器内获得较高的气体压力。该增压系统也可以应用在管件，软管，阀门，压力容器，汽缸等静态和爆破测试，汽车制动系统测试，通信电缆充气设备，飞机轮胎液压蓄能器充氮等方面。

发明内容

[0003] 本发明针对以上问题提出并研制了一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器及控制方法。

[0004] 本发明采取的技术方案如下：

[0005] 一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器；控制器的外部左侧面设置有4个传感器接口和1个电磁阀接口，传感器接口及电磁阀接口采用航空插头，控制器外部正面是12864液晶显示屏和薄膜矩阵键盘，控制器外部右侧面是控制器开关和充电端口；4个传感器接口连接设备的4个传感器；控制器的内部电路包括单片机最小系统电路、信号调理电路、电源电压转换电路、电磁阀控制电路、蜂鸣器电路，矩阵键盘电路及12864显示电路，各部分电路均与单片机相连；信号调理电路将4路传感器采集的压力与流量信号传送给单片机，单片机根据智能算法对4路传感器的采集信号进行处理，根据处理结果，单片机输出信号给电磁阀控制电路，对电磁阀进行控制，蜂鸣器电路发出按键提示音和报警信号，显示电路通过12864液晶显示屏把处理结果实时显示出来，矩阵键盘电路用于为控制器设定增压任务参数，电源电路为单片机提供电源，并具有过载保护、防接反、电量实时监测功能。

[0006] 所述4路传感器分为3路压力传感器和1路流量传感器，其中3路压力传感器是必需的，1路流量传感器是可选配的。4路传感器采集的信号分别为：执行气体压力、执行气体流量、供气容器气体压力、目标容器气体压力。

[0007] 所述控制器采用可充电锂电池作为电源。

[0008] 一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器实现控制的方法：其基本工作原理是：首先通过矩阵键盘设定增压任务和传感器采集各路气体的初始压力值，控制器自动计算判断增压目标能否实现，若能实现则预测达到增压目标所需要的增压次数（高压增压器的工作周期数），控制器开启电磁阀，执行气体进入高压增压器，开始对供气容器气体增压，并在工作过程中，控制器实时检测并通过显示电路显示执行气体压力和流量、供气容器气体压力与目标容器气体压力，并计算剩余增压次数，当目标容器气体压力达到设定值时，控制系统关闭电磁阀，增压任务完成。

[0009] 控制器计算过程所应用的智能算法工作流程为：首先通过采集当前条件下各路传感器信号，得到供气容器和目标容器的压力值，然后利用智能算法公式进行一次迭代运算，根据计算结果判断能否实现增压目标，如果不能实现，则给出提示信息，要求重新调整参数设置，如果可以实现则使增压次数加1，并根据计算出的此次增压后的目标容器压力判断是否已经达到增压目标，如果没有达到则返回进行下一次迭代运算，直到计算出的供气容器压力大于或等于设定的目标压力值时停止运算，最终得到总的增压次数，并进行显示。

[0010] 所述智能算法依据的计算公式为：

[0011] 第n次压缩开始前高压柱塞腔内气体的压力为PAn的计算公式：

[0012]

[0013] 第n次压缩结束后排出高压气体的压力PBn的计算公式：

[0014]

[0015] 高压柱塞腔的总容积，包括余隙容积和有效行程容积的计算公式：

[0016] VC＝VO+A2S,

[0017] 上述公式中：

[0018] VA是供气容积及其与增压器出口连接管路的体积；

[0019] VB是目标容器及其与增压器出口连接管路的体积；

[0020] VO是高压柱塞腔的余隙容积；

[0021] VC是高压柱塞腔的总体积；

[0022] A2是高压柱塞面积；

[0023] S是压缩行程长度。

[0024] 本发明的原理及有益效果：为了满足增压系统控制智能化、操作安全化的要求，根据气驱高压增压泵工作原理和特点，提出了一种控制系统设计方案。该方案能够自动检测供气容器和目标容器以及执行气体压力，预测增压任务能否实现，在此基础上，智能计算完成设定增压任务所需的压缩次数，并自动通过电磁阀控制增压器的启停，从而提高高压注气机的工作性能。控制器采用可充电锂电池供电，外形尺寸小，结构紧凑，功耗低，野外作业适用性强。对现有的此类增压设备，只需安装本发明的控制器和相关传感器，就能够实现以上所述的控制目标。

附图说明

[0025] 图1高压注气系统构成原理图。

[0026] 图2控制系统构成框图。

[0027] 图3(a)本发明单片机最小系统电路。

[0028] 图3(b)是本发明的蜂鸣器电路。

[0029] 图3(c)是本发明12864显示电路。

[0030] 图3(d)是本发明矩阵键盘电路。

[0031] 图3(e)是本发明电源电压转换电路。

[0032] 图3(f)是本发明电磁阀控制电路。

[0033] 图3(g)是本发明信号调理电路。

[0034] 图4智能计算子程序流程图。

[0035] 图5系统控制模块程序流程图。

[0036] 图6控制器外观结构示意图。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图对本发明做进一步说明：

[0038] 如图6所示：控制器的外部左侧面设置有4个传感器接口和1个电磁阀接口，传感器接口及电磁阀接口采用航空插头，控制器外部正面是12864液晶显示屏和矩阵键盘，控制器外部右侧面是控制器开关和充电端口；4个传感器接口连接设备的4个传感器。

[0039] 如图2及图3(a)-(g)所示：控制器的内部包括单片机最小系统电路、信号调理电路、电源电路、电磁阀控制电路、蜂鸣器电路，矩阵键盘电路及显示电路，各部分电路均与单片机相连。信号调理电路将4路传感器采集的压力与流量信号传送给单片机；单片机根据智能算法对4路传感器的采集信号进行处理，根据处理结果，单片机输出信号给电磁阀控制电路对电磁阀进行控制；蜂鸣器电路发出按键提示音和报警信号；显示电路通过12864液晶显示屏把处理结果实时显示出来；矩阵键盘电路用于为控制器设定增压任务参数；电源电路为单片机提供电源，并具有过载保护、防接反、电量实时监测功能。所述控制器采用13.6V-2200mAh可充电锂电池作为电源。图3(d)所示：矩阵键盘电路采用型号为4x4的薄膜矩阵键盘。图3(b)所示：蜂鸣器电路采用型号为PKM13EPYH4002-BO的压电式蜂鸣器。

[0040] 如图1和图2所示：所述4路传感器分为3路压力传感器和1路流量传感器，其中3路压力传感器是必需的，1路流量传感器是可选配的。4路传感器采集的信号分别为：执行气体压力、执行气体流量、供气容器气体压力、目标容器气体压力。

[0041] 如图4所示：一种基于单片机的气动增压泵嵌入式控制器实现控制的方法：根据设定参数和各容器的初始压力判断增压目标能否实现，以及预测达到增压目标需要的增压次数。首先通过采集当前条件下各路传感器信号，得到供气容器和目标容器的压力值，然后利用智能算法公式进行一次迭代运算，根据计算结果判断能否实现增压目标，如果不能实现，则给出提示信息，要求重新调整参数设置，如果可以实现则使增压次数加1，并根据计算出的此次增压后的目标容器压力判断是否已经达到增压目标，如果没有达到则返回进行下一次迭代运算，直到计算出的供气容器压力大于或等于设定的目标压力值时停止运算，最终得到总的增压次数，并进行显示。

[0042] 所述智能算法依据的计算公式为：

[0043] 第n次压缩开始前高压柱塞腔内气体的压力为PAn的计算公式：

[0044]

[0045] 第n次压缩结束后排出高压气体的压力PBn的计算公式：

[0046]

[0047] 高压柱塞腔的总容积，包括余隙容积和有效行程容积的计算公式：

[0048] VC＝VO+A2S,

[0049] 上述公式中：

[0050] VA是供气容积及其与增压器出口连接管路的体积；

[0051] VB是目标容器及其与增压器出口连接管路的体积；

[0052] VO是高压柱塞腔的余隙容积；

[0053] VC是高压柱塞腔的总体积；

[0054] A2是高压柱塞面积；

[0055] S是压缩行程长度。

[0056] 如图5所示：是控制系统的操作流程，当控制器通电复位后，首先开始执行系统自检，如果设备一切正常，12864液晶屏显示控制系统的欢迎界面，否则显示系统故障信息。进入系统欢迎界面后，进行按键监控，当按下任意键后，跳转到功能选择界面，此时按键“0”对应设置参数选项，可以设置供气容器容量、目标容器容量、执行气体压力、增压目标压力等；按键“1”对应计算次数选项，调用智能计算子程序；按键“2”对应开始充气选项，启动增压过程，通过调用A/D转换子程序，使界面显示执行气体压力、执行气体流量、供气容器压力、目标容器压力的实时值，并每隔一段时间就会提示剩余增压次数，方便操作者对增压过程各参数进行观察和控制，当达到增压目标后，自动关闭电磁阀；按键“3”对应停止充气选项，此时可以通过“确定”按键关闭电磁阀，停止增压工作。图3(c)所示：12864显示电路采用型号为QC12864B的液晶显示屏。

[0057] 如图3（a）所示：控制器微处理器为AVRmega16L工业级单片机。系统时钟由两部分组成：实时时钟电路和系统时钟电路，实时时钟电路使用32.768kHz钟表晶体作为器件的时钟源，当为了降低系统功耗而使单片机处于睡眠状态时，单片机的其他功能模块都停止工作，只有异步定时器在外部实时时钟电路驱动下处于计数工作状态，计数溢出触发中断会自动唤醒系统；系统时钟电路使用4MHz晶振作为时钟源。本系统的4路传感器采用12V供电，将气体压力和气体流量转换成1～5V的模拟量输出，气驱高压增压器采用脉动工作方式，这种情况下传感器输出的模拟量也是脉动变化的，图3(g)所示：信号调理电路中由二极管和电阻电容构成的检波电路确保系统采集到相对稳定可靠的信号，也有效地降低了数字信号处理的复杂度，提高了系统的实时性。图3(f)所示：电磁阀控制电路用以控制高压注气系统执行气体气路通断，采用达林顿电路驱动继电器，通过继电器控制12V供电的电磁阀的通断，为提高系统可靠性，加入光电隔离，同时在继电器附近增加续流二极管，避免在器件启动、截断瞬间电路产生的较大电流冲击。

[0058] 如图3(e)所示：电源电压转换电路具有过载保护，防止电池的过充电或过放电，在充电过程中当电池电压高于14.2伏时自动制动停止充电，在电路工作过程中，当电池电压低于12伏时制动停止放电。防接反措施：为了防止电源意外接反而损坏设备，电源13.6伏输入端通过一个整流二极管连接到控制系统电路中，一旦电源正负极接反，因二极管的单向导电性，电源电路中不会产生电流，从而保护电路和电源。电量实施监控：由于采用电池供电，当电源剩余电量不足时，虽然电路仍然可以工作，但测量和控制的准确性难以保证，因此电源13.6伏通过电位器DYGL将电压调整到合适的范围送入微控制器进行模数转换，检测电源电量，当电量不足时输出报警信号。

[0059] 本控制器中，人机接口控制（参数设置和数据显示）采用4*4薄膜矩阵键盘和12864液晶屏实现。

[0060] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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