基于C8051F020的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。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。
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。
3 控制执行模块
控制执行模块主要作用是对外部辅助设备进行控制，如空气压缩机。本系统的外部电路接口，通过一个三极管电路，可以方便的与外部电路连接，单片机控制外部继电器电路图如图3所示。
图3 继电器电路图
4通信模块
为实现单片机与上位机之间长距离有效数据通信，通信模块采用max485芯片，利用rs485标准设计，配置p0口的p0.0和p0.1为tx0和rx0引脚，与max485的ro和di相连，由于微机串口利用rs232标准，单片机串口输出为ttl标准，必须实现标准信号间的转换。电路设计如图4所示。
图4 rs485通信电路图
气体流量控制
在气体流量测量的基础上，给定值和实际测得的瞬时流量进行比较后算出偏差，然后对气体流量进行调节。由于气体流量系统的精确数学模型很难获得，而模糊控制算法具有人的智能思维、适应性好、鲁棒性强等特点，正适用于这类系统。因此，采用模糊控制算法对气体流量进行自动控制，可取得良好的控制特性，其模糊控制器框图如图5所示。
模糊控制器采用双输入、单输出的二维结构。输入变量为瞬时流量偏差e和偏差变化c，输出变量为控制量u。其模糊子集分别为
e={nl, nm, ns, no, po, ps, pm, pl}
c={nl, nm, ns, o, ps, pm, pl}
u={nl, nm, ns, o, ps, pm, pl}
它们的论域分别为
e={-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0, +0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}
c={-6,-5,-4,-3,-2,-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}
u={-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
当瞬时流量变化时，通过驱动调节阀，控制其开启的大小及变化规律，使偏差趋近于零。根据气体流量的参数特点和现场实际操作经验及专家的知识理论，总结出模糊控制规则表，如表1所示。
选择模糊控制规则是模糊控制器的关键问题。为了更好地提高控制精度，本系统采用带有4个调整因子的控制规则：
其中，0<α1<α2<α3<α4<1，本系统选择：α1=0.26，α2=0.58，α3=0.76，α4=0.86。代入上式运算后经反复修改和实际调试，得到了实用的模糊控制查询表，如表2所示。
系统的软件设计及抗干扰措施
软件的设计包括系统下位机和上位机的设计。
1 下位机程序设计
下位机程序主要进行c8051f020单片机系统的初始化、端口配置、a/d初始化、液晶以及键盘扫描初始化。为防止误动作，无意中改变系统的有关参数，造成人为计量误差，系统可设置“密码”，保证测量的可靠性和准确性，具体流程如图6所示。
模糊控制中的控制算法由程序实现。包括两部分，一是离线计算模糊控制查询表，二是在实时控制过程中在线输入变量，并将它们作模糊量化处理，然后查找模糊控制查询表后进行输出，去控制调节阀的开启角度，来实现对气体流量的控制。
2 上位机部分
上位机程序采用lab windows/cvi设计，主要实现对采样气体流量、两个流量限值的接收和显示，还可对流量限值进行修改和发送给下位机。
3 抗干扰措施
为提高控制系统的稳定性，加强抗干扰能力，可采用隔离电源变压器，信号通道采用光电隔离和滤波技术;可使用watchdog技术和软件陷阱防止程序跑飞，实现任务的恢复;采取电源抗干扰措施。
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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。
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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
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qi=n/ξi (1)
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3 控制执行模块
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4通信模块
为实现单片机与上位机之间长距离有效数据通信，通信模块采用max485芯片，利用rs485标准设计，配置p0口的p0.0和p0.1为tx0和rx0引脚，与max485的ro和di相连，由于微机串口利用rs232标准，单片机串口输出为ttl标准，必须实现标准信号间的转换。电路设计如图4所示。
图4 rs485通信电路图
气体流量控制
在气体流量测量的基础上，给定值和实际测得的瞬时流量进行比较后算出偏差，然后对气体流量进行调节。由于气体流量系统的精确数学模型很难获得，而模糊控制算法具有人的智能思维、适应性好、鲁棒性强等特点，正适用于这类系统。因此，采用模糊控制算法对气体流量进行自动控制，可取得良好的控制特性，其模糊控制器框图如图5所示。
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e={nl, nm, ns, no, po, ps, pm, pl}
c={nl, nm, ns, o, ps, pm, pl}
u={nl, nm, ns, o, ps, pm, pl}
它们的论域分别为
e={-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0, +0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}
c={-6,-5,-4,-3,-2,-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}
u={-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
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其中，0<α1<α2<α3<α4<1，本系统选择：α1=0.26，α2=0.58，α3=0.76，α4=0.86。代入上式运算后经反复修改和实际调试，得到了实用的模糊控制查询表，如表2所示。
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软件的设计包括系统下位机和上位机的设计。
1 下位机程序设计
下位机程序主要进行c8051f020单片机系统的初始化、端口配置、a/d初始化、液晶以及键盘扫描初始化。为防止误动作，无意中改变系统的有关参数，造成人为计量误差，系统可设置“密码”，保证测量的可靠性和准确性，具体流程如图6所示。
模糊控制中的控制算法由程序实现。包括两部分，一是离线计算模糊控制查询表，二是在实时控制过程中在线输入变量，并将它们作模糊量化处理，然后查找模糊控制查询表后进行输出，去控制调节阀的开启角度，来实现对气体流量的控制。
2 上位机部分
上位机程序采用lab windows/cvi设计，主要实现对采样气体流量、两个流量限值的接收和显示，还可对流量限值进行修改和发送给下位机。
3 抗干扰措施
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