基于C8051F020的智能氣動(dòng)泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1. C8051F020單片機(jī)功能簡(jiǎn)介

　　C8051F020器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳。其主要特性：1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）；2）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；3）真正12位、100ks/s的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)；4）真正8位500ks/s的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；5）兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；6）64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器；7）4352（4096+256）B的片內(nèi)RAM；8）可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；9）硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個(gè)UART串行接口；10）5個(gè)通用的16位定時(shí)器；11）具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列；12）片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。

　　具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F020是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。每個(gè)MCU都可在工業(yè)溫度范圍（-45～+85℃）內(nèi)用2.7～3.6V的電壓工作。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號(hào)電壓。

　　2.系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　氣動(dòng)泵控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體流量進(jìn)行有效控制，包括采集氣體流量信息和實(shí)時(shí)控制氣體流量。控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的監(jiān)測(cè)與調(diào)控，可以獨(dú)立地完成氣體流量信息的采集、處理和顯示，還可通過標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它是一個(gè)小型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，主要由微控制器、氣體流量傳感器及其補(bǔ)償電橋、鍵盤和液晶顯示模塊、動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)和上位機(jī)組成。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

　　系統(tǒng)選用C8051F020作為系統(tǒng)的微控制器。它的主要作用是：1)通過設(shè)置其內(nèi)部的差分電路對(duì)氣體流量進(jìn)行采樣；2)根據(jù)給定的兩個(gè)流量限值(上限和下限)進(jìn)行判斷，給出動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)指令；3)將處理后的采樣流量通過I/O口輸送給液晶顯示器，同時(shí)經(jīng)485總線輸送給上位機(jī)。

　　上位機(jī)將接收到的采樣氣體流量、兩個(gè)流量限值實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)還允許從上位機(jī)修改流量上下限值。

　　鍵盤和液晶顯示模塊主要完成的功能為：通過鍵盤可以修改兩個(gè)流量限值；液晶顯示器將采樣流量、上下限流量顯示，顯示氣體流量調(diào)節(jié)過程。

　　采用氣體流量傳感器測(cè)得的流量模擬信號(hào)，經(jīng)平衡電橋?qū)ζ溥M(jìn)行線性補(bǔ)償，再經(jīng)多路開關(guān)分時(shí)送入A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量傳給C8051F020單片機(jī)。

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要通過接受單片機(jī)發(fā)出的命令，對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載提供信號(hào)，控制調(diào)節(jié)閥開啟的大小，使實(shí)際流量逐漸接近，到達(dá)到給定流量，完成自動(dòng)調(diào)節(jié)過程。例如，當(dāng)采樣流量比上限值低時(shí)，輸出一個(gè)信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)1；當(dāng)高于上限值時(shí)，輸出一個(gè)控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)2。