基于单片机的智能气动泵控制系统的设计

　

概要：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

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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。C8051F020单片机在模拟信号的采集和模数、数模转换及模拟信号的输出等功能方面所进行的完善，非常适合于军工业控制系统的自动化和智能化发展。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
C8051F020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。