基于單片機的自由活塞制冷機測控系統(tǒng)設(shè)計

基于單片機的自由活塞制冷機測控系統(tǒng)設(shè)計
自由活塞斯特林制冷機采用直線電機、純氣動膨脹等先進技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、低振動噪音、壽命長、制冷量方便可調(diào)等優(yōu)點。近年來，傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)由于臭氧層破壞、溫室效應(yīng)等原因而受到越來越嚴格的限制，這為自由活塞斯特林制冷機的發(fā)展提供了難得的歷史機遇。與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮節(jié)流制冷有極大不同，自由活塞斯特林制冷機采用氦氣膨脹制冷，無節(jié)流系統(tǒng)和蒸發(fā)器，具有高效率、“綠色”制冷劑、制冷溫區(qū)廣等特點，在環(huán)保和節(jié)能方面具有重要優(yōu)勢.
１測控系統(tǒng)設(shè)計及硬件組成
根據(jù)自由活塞斯特林制冷機要求，測控系統(tǒng)總體設(shè)計如圖１所示。本測控系統(tǒng)基于ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６［２］單片機，屬于ＨＣＳ１２系列。大多數(shù)單片機均采用ＪＴＡＧ仿真調(diào)試方式，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機采用ＢＤＭ單線背景調(diào)試模式為開發(fā)者提供了便利，其能在單片機運行時對單片機進行動態(tài)調(diào)試，該單片機一大特色就是單線背景調(diào)試模式和時鐘監(jiān)視部分用于開發(fā)支持和運行安全。大多數(shù)引腳具有復(fù)用功能，即通用Ｉ／Ｏ功能和特殊接口功能，這些具有復(fù)用功能的端口和控制邏輯全部集成在單片機的內(nèi)部，因此具有體積小、功耗低、可靠性高和應(yīng)用簡單的特點。該單片機內(nèi)部程序存儲器Ｆｌａｓｈ可以用作保存軟件代碼和測控原始數(shù)據(jù)其容量達２５６ＫＢ；１２ＫＢ的ＲＡＭ存儲器可以用于堆棧設(shè)置、保存中間零時變量以及動態(tài)運行數(shù)據(jù)信息，甚至在軟件調(diào)試時存放程序；ＥＥＰＲＯＭ存儲器容量為４ＫＢ，可以用于設(shè)置運行參數(shù)、保存組態(tài)等需要長期保存信息數(shù)據(jù)；特有的ＢＤＭ調(diào)試方式在沒有仿真器條件下就可以實現(xiàn)硬件斷點、條件斷點和在線調(diào)試等全部功能；內(nèi)置的看門狗可以保證軟件跑飛后快速恢復(fù)，當系統(tǒng)的始終運行異常時，可以用過時鐘監(jiān)視系統(tǒng)功能進行查看。此外，該單片機內(nèi)部集成了Ａ／Ｄ、ＰＷＭ、ＳＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＡＮ、Ｗａｔｃｈ－ｄｏｇ等，大幅度簡化外圍電路，支持在線仿真、調(diào)試和編程，內(nèi)部總線速率高達２５ＭＨｚ，有工業(yè)控制專用的通信模塊，用作數(shù)據(jù)運算處理和通信可以取得較好的效果。
測控系統(tǒng)框圖
測控系統(tǒng)硬件組成有：以ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機為核心的控制器、壓力測量變送器、溫度測量傳感器Ｐｔ１００、角度測量變送器、直線電機電壓電流測量變送器、散熱風扇、聲光報警和上位機ＰＣ等。
測控系統(tǒng)工作原理：圖１中上位機ＰＣ主要用于顯示自由活塞斯特林制冷機的參數(shù)數(shù)據(jù)狀態(tài)，是人機對話窗口，通過點擊上位機ＰＣ的操作按鈕，向單片機控制器下發(fā)例如“開機”、“停機”和“復(fù)位”等控制操作，在上位機ＰＣ也可設(shè)置制冷機的運行參數(shù)。單片機控制器用作下位機，主要用于采集和處理各個傳感器信號，當傳感器信號出現(xiàn)異常之時能夠提供報警信息；為了保證制冷機安全可靠運行，采用反電動勢控制策略實現(xiàn)制冷機直線電機行程控制，采用快速制冷與溫度ＰＩＤ控制相結(jié)合的控制策略實現(xiàn)制冷機冷端溫度的控制；調(diào)節(jié)和控制直線電機的正常運轉(zhuǎn)，當直線電機出現(xiàn)異常時能夠提供報警信息或者直接發(fā)送停機指令；控制風扇進行散熱或驅(qū)動報警器進行聲光報警；單片機控制器將制冷機的各個傳感器數(shù)據(jù)信息或報警信息通過串口通訊傳送給上位機ＰＣ，并根據(jù)上位機ＰＣ的控制指令執(zhí)行相應(yīng)的控制指令。
１．１壓力測量
壓力測量用于測量自由活塞斯特林內(nèi)部的工質(zhì)壓力，采用工業(yè)控制上常用的電流型兩線制壓力變送器，型號為：ＣＳ２０ＦＵＦ－５ＭＰａ，該傳感器工作電壓為２４ＶＤＣ，測量精度為全量程±０．２％，輸出信號為４～２０ｍＡ。該電流信號通過２４９歐姆精密電阻對地產(chǎn)生非常高４．９８Ｖ的電壓信號，再經(jīng)過信號調(diào)理后進入ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機的內(nèi)部ＡＤ模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
１．２溫度測量
需要對制冷機的冷端、熱端溫度以及直線電機溫度的實時采集，這里采用熱電阻Ｐｔ１００完成。為了保證測量精度，Ｐｔ１００測溫使用三線制接法，如圖２所示，Ｐｔ１００信號采集采用電橋測量方式完成，Ｐｔ１００和精密電阻Ｒ１、Ｒ２、Ｒ組成測量電橋電路，其中Ｒ１＝Ｒ２且Ｒ３為可調(diào)電阻，連接Ｐｔ１００的三根導(dǎo)線ａ、ｂ和ｃ等長，則其導(dǎo)線電阻也基本一致，可以互為抵消導(dǎo)線電阻引起的測量誤差，進而提高了Ｐｔ１００信號測量準確度。Ｐｔ１００在溫度變化時其電阻值變化是線性的，因此圖２所示的測量電路的輸出Ｖ＝Ｖ＋－Ｖ－也是線性的，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機的內(nèi)部ＡＤ采集這個電壓就能獲得當前制冷機相關(guān)測點的溫度。
熱電阻三線制測量
１．３傾角測量
自由活塞斯特林制冷機整體結(jié)構(gòu)較為精密，運行中如果發(fā)生移位而形成一定傾角則可能給制冷機帶來損壞，因此設(shè)置了傾角傳感器，當制冷機達到一定的傾角數(shù)值，則報警并停止運行。傾角傳感器型號為：ＨＣＡ５２６Ｔ，信號輸出為４～２０ｍＡ，同樣采用２４９歐姆精密電阻對地產(chǎn)生非常高４．９８Ｖ的電壓信號后再經(jīng)過調(diào)理后送給ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機處理。
１．４直線電機電壓電流測量
直線電機驅(qū)動斯特林活塞工作，形成穩(wěn)定的工作循環(huán)，達到制冷目的。為了控制斯特林活塞的行程和計算系統(tǒng)的效率需要測量直線電機的電壓和電流，使用的變送器型號分別為ＣＨＺ－５０ＶＴ／Ａ１和ＣＨＺ－５０Ｇ／Ａ１，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，其信號輸出均采用４～２０ｍＡ。
１．５執(zhí)行器控制
自由活塞斯特林制冷機工作過程中，需要用散熱風扇及時把熱端產(chǎn)生的熱量帶走；當有異常產(chǎn)生時需要進行聲光報警，在本系統(tǒng)中，散熱風扇和報警器屬于執(zhí)行器，其控制相對簡單，結(jié)合散熱風扇和報警器的自身特性和成本考慮，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機輸出指令經(jīng)過三極管放大后對二者進行驅(qū)動控制，可靠性較高且降低了系統(tǒng)成本。
１．６直線電機控制
自由活塞斯特林制冷機依靠直線電機的周期性往復(fù)運動驅(qū)動斯特林機的自由活塞壓縮工質(zhì)，從而實現(xiàn)熱量從冷端向熱端的傳輸，達到制冷的目的。因直線電機的周期性往復(fù)運動則驅(qū)動電源必須以周期性方波形式。本系統(tǒng)采用基于ＩＲ２１８１Ｓ的ＭＯＳＦＥＴ全橋結(jié)構(gòu)［３］，ＩＲ２１８１Ｓ芯片電路內(nèi)部集成了ＣＭＯＳ控制電路和由ＭＯＳ管組成的驅(qū)動橋，它能為負載提供２．３Ａ的連續(xù)電流。該電路能在６００Ｖ的供電電源范圍內(nèi)安全工作，用戶只需提供與ＴＴＬ電平兼容的ＰＷＭ信號就可進行４象限模式的幅值和方向同時控制，而且與數(shù)字控制器的接口非常簡單。直線電機往復(fù)運動控制原理如圖３所示，４個ＭＯＳ管（Ｍ１～Ｍ４）和一個直線電機（Ｍ）組成的Ｈ全橋。在圖３（ａ）中，當Ｍ１和Ｍ４導(dǎo)通時，電流從電源正極經(jīng)Ｍ１從左至右穿過直線電機，然后再經(jīng)Ｍ４回到電源負極，電機沿順時針轉(zhuǎn)動。在圖３（ｂ）中，當Ｍ３和Ｍ２導(dǎo)通時，電流從右至左流過直線電機，直線電機沿逆時針轉(zhuǎn)動。因此，通過調(diào)整ＭＯＳ管的導(dǎo)通與截止時序可以控制直線電機的轉(zhuǎn)向，通過調(diào)整流經(jīng)電機電流的大小可以控制直線電機的轉(zhuǎn)速。本測控系統(tǒng)通過ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機的ＰＷＭ通道輸出方波激勵，驅(qū)動ＩＲ２１８１Ｓ工作，周期性地開啟與關(guān)閉Ｍ１－Ｍ４、Ｍ２－Ｍ４可以達到直線發(fā)電機驅(qū)動功率可控且可靠的要求。
直線電機控制電路示意圖
１．７上位機ＰＣ
上位機ＰＣ是人機對話的窗口，采用國產(chǎn)組態(tài)王軟件設(shè)計完成。由參數(shù)數(shù)據(jù)、控制操作、歷史曲線和報警信息等４個部分組成，如在參數(shù)數(shù)據(jù)窗口顯示制冷機的溫度、功率，電流和壓力；報警信息記錄主要記錄制冷機警報類型，方便分析故障；歷史曲線趨勢可以查看制冷機各個參數(shù)的運行趨勢，也可用作壽命統(tǒng)計分析。
２測控策略
自由活塞斯特林制冷機測控策略核心之一是直線電機的行程控制，要保證行程非常大化而避免撞缸并使斯特林機達到非常佳效率；另一個核心策略是溫度控制，是自由活塞斯特林制冷機的核心需求，其控制精度直接體現(xiàn)制冷機的質(zhì)量。
２．１直線電機行程控制策略
自由活塞斯特林制冷機結(jié)構(gòu)非常緊湊，導(dǎo)致無法直接測量直線電機的行程，根據(jù)有關(guān)資料［４－５］，直線電機的反電動勢（ＢＥＭＦ）與直線電機的有效行程存在確定的近似線性關(guān)系。反電動勢的本質(zhì)是通電線圈在磁場中的運動，即：
基于閉環(huán)反饋電機驅(qū)動電壓調(diào)節(jié)方法
其中：Ｉ為線圈中的電流，Ｒ為直線電機線圈的有效電阻。
由式（１）、（２）分析可知，通過實時測量直線電機輸入端電流和電壓，則可以推導(dǎo)出在給定負載條件下的反電動勢，進而得到直線電機的非常大行程。直線電機驅(qū)動電壓決定了制冷機的效率同時也決定了制冷機的安全，增加直線電機驅(qū)動電壓以使電機驅(qū)動斯特林發(fā)動機活塞盡可能地壓縮工質(zhì)做功，但是過大的驅(qū)動電壓會使活塞行程過大而發(fā)生撞缸事故，因此，需要避免撞缸事故并使斯特林機達到非常佳效率。本系統(tǒng)采用基于直線電機非常大行程的閉環(huán)反饋式驅(qū)動電壓調(diào)節(jié)方法：實時檢測直線電機的非常大行程，對比希望達到的非常大行程Ｓｍａｘ，確定ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機ＰＷＭ波的占空比。
２．２溫度控制策略
溫度控制是自由活塞斯特林制冷機的關(guān)鍵控制邏輯，其溫度控制原理如圖５所示?？傮w上來說，溫度控制需要實現(xiàn)兩大基本功能：
１）快速制冷。即制冷機冷端溫度以非常快速度達到用戶設(shè)定的需求溫度（Ｔ＿ｄ）。該過程一般體現(xiàn)在啟動階段。在該階段，需求溫度（Ｔ＿ｄ）與實際溫度（Ｔ＿ｃ）偏差較大，當以直線電機的額定非常大功率運行，直至ａｂｓ（Ｔ＿ｄ－Ｔ＿ｃ）＜Ｔ＿０；
２）溫度保持階段。該階段要求冷端溫度（Ｔ＿ｃ）在Ｔ＿ｄ小范圍內(nèi)波動（＜０．５℃）。在本系統(tǒng)中采用ＰＩＤ控溫法。以Ｔ＿ｄ與Ｔ＿ｃ之間的偏差＆Ｔ及其變化趨勢來調(diào)節(jié)ＰＷＭ波的占空比（ＤｕｔｙＣｙｃｌｅ），從而控制直線電機的輸出功率，進而控制系統(tǒng)的制冷量。
基于 ＰＩＤ 的溫度控制策略原理圖
３軟件設(shè)計
自由活塞斯特林制冷機測控系統(tǒng)需要處理的任務(wù)較多，要求實時響應(yīng)的速度較快，因此，傳統(tǒng)的前后臺處理方式不能滿足測控系統(tǒng)的實時性和可靠性要求。所以本測控系統(tǒng)引入了嵌入式實時操作系統(tǒng)。μＣＯＳ－ＩＩ是專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的且內(nèi)核源代碼公開的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，具有占用存儲空間小、代碼執(zhí)行效率高、可移植性好、可擴展性強和優(yōu)良的實時性能等特點。所以本系統(tǒng)選擇ｕＣ／ＯＳ－Ⅱ作為系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度內(nèi)核［５］。因此，軟件設(shè)計主要包括嵌入式操作系統(tǒng)軟件設(shè)計、基于ｕＣ／ＯＳ－Ⅱ的ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機應(yīng)用軟件設(shè)計以及上位機ＰＣ軟件設(shè)計。
３．１嵌入式操作系統(tǒng)軟件設(shè)計
在特定ＭＣＵ上使用μＣ／ＯＳ－Ⅱ進行軟件開發(fā)前，需要進行操作系統(tǒng)移植，使他能在該ＭＣＵ上遠行。所以首先必須進行μＣ／ＯＳ－Ⅱ在ＭＣＵ上的移植。ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６的軟件開發(fā)基于ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ４．７集成Ｃ編譯平臺，該編譯器支持匯編語言程序，允許用戶在Ｃ源代碼中嵌入?yún)R編語言。
將μＣＯＳ－ＩＩ嵌入式操作系統(tǒng)移植到ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５單片機上就是使μＣ／ＯＳ－Ⅱ?qū)崟r內(nèi)核能在ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ４．７集成Ｃ編譯平臺上運行。移植工作主要主要分為三大步驟：μＣ／ＯＳ－Ⅱ中與文處理器相關(guān)代碼的修改、與編譯器相關(guān)代碼的修改和應(yīng)用軟件的添加［６］；移植工作主要包括以下５個方面內(nèi)容：
１）用Ｔｙｐｅｄｅｆ聲明與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型（在ＯＳ－ＣＰＵ．Ｈ文件中），由于不同的微處理器有不同的字長，在μＣ／ＯＳ－Ⅱ代碼中不能使用ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ４．７集成Ｃ編譯平臺Ｃ語言的ｓｈｏｒｔ、ｉｎｔ、ｌｏｎｇ等數(shù)據(jù)類型，而采用ＩＮＴ８Ｕ、ＩＮＴ１６Ｕ、ＩＮＴ３２Ｕ等直觀又可移植的數(shù)據(jù)類型來代換相應(yīng)數(shù)據(jù)類型。
２）采用＃ｄｅｆｉｎｅ定義一個常量ＯＳ－ＳＴＫ－ＧＲＯＷＴＨ的值（ＯＳ－ＣＰＵ．Ｈ），決定堆棧的填充排列方向，如果是１位則表示堆棧由上向下填充；如果是０位則表示堆棧由下向上填充；
３）采用＃ｄｅｆｉｎｅ定義說明３個宏函數(shù)（ＯＳ－ＣＰＵ．Ｈ）。
４）用Ｃ語言編寫１０個與ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５單片機相關(guān)的函數(shù)（ＯＳ－ＣＰＵ－Ｃ．Ｃ）。
５）定義說明４個ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ４．７集成Ｃ編譯平臺匯編語言函數(shù)（ＯＳ－ＣＰＵ－Ａ．Ｓ）。
３．２單片機應(yīng)用軟件設(shè)計
自由活塞制冷機的主要任務(wù)是根據(jù)設(shè)置的冷端溫度，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機輸出一定的ＰＷＭ信號，驅(qū)動直線電機周期運動，帶動斯特林活塞運動，使冷端溫度快速達到設(shè)定值。本測控系統(tǒng)采用的控制流程見圖６，系統(tǒng)上電后，立即檢測系統(tǒng)的各個狀態(tài)參數(shù)，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機讀入設(shè)定的運行參數(shù)，依據(jù)這些參數(shù)，判斷系統(tǒng)是否處于可運行狀態(tài)，若系統(tǒng)通過自檢，則立即進入啟動過程，此時，計算設(shè)定溫度與冷端當前溫度的差值，如果其差值大于設(shè)定的偏差值，則單片機輸出兩對相位相差１８０°的ＰＷＭ波，每對ＰＷＭ波的幅值相同、極性相反，驅(qū)動直線電機運行，為了避免初始啟動電流過大而燒壞直線電機，系統(tǒng)采用分步升壓的方法來起動直線電機，即驅(qū)動電壓以一定的速率上升，上升速率根據(jù)設(shè)定溫度溫度與冷端當前溫度的差值由單片機決定，期間，監(jiān)測直線電機的行程，如果直線電機的行程達到設(shè)定值，單片機維持當前直線電機運行狀態(tài)，直至設(shè)定溫度與冷端當前溫度的偏差小于０．５℃。表明制冷機已經(jīng)完成目標工作，此時，單片機以設(shè)定溫度與冷端當前溫度的偏差變化趨勢確定ＰＷＭ波的占空比來調(diào)節(jié)控制直線電機的工作狀態(tài)，進而控制系統(tǒng)的制冷量，維持當前的溫度。
３．３上位機軟件設(shè)計
上位機采用工控ＰＣ機，使用組態(tài)王軟件進行設(shè)計。上位機主要用于實時收集自由活塞斯特林制冷機的各運行參數(shù)，為后續(xù)對整個系統(tǒng)的優(yōu)化提供分析基礎(chǔ)及目標對象。制冷機控制流程圖因此制冷機運行完全好立于上位機程序，僅用作數(shù)據(jù)采集、記錄、分析與匯總等功能。
設(shè)計完成的上位機監(jiān)控界面如圖７所示，上位機ＰＣ顯示自由活塞制冷機的工質(zhì)壓力和傾斜角度，直線電機輸入端的電壓、電流、功率以及直線電機內(nèi)部溫度，冷端和熱端的溫度信息；點擊控制操作可以手動調(diào)試直線電機、散熱風扇以及蜂鳴器；在參數(shù)設(shè)置則可以設(shè)置制冷機的報警項，如溫度、工質(zhì)壓力、電壓和電流等上下限；歷史曲線運行記錄保存了自由活塞制冷機的參數(shù)運行信息。運行記錄的文件按年月日的格式生成，可以調(diào)查查看；報警信息部分主要顯示系統(tǒng)警報及錯誤信息，如超溫、超壓等，故障記錄主要有：故障代號、故障發(fā)生時間以及故障清除時間等；溫度參數(shù)設(shè)置可以設(shè)定制冷機目標運行溫度，點擊“寫入ＥＥＰＲＯＯＭ”，則把設(shè)定的溫度數(shù)值寫入ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機存儲空間且掉電仍然能保存，控制面板中“開機”“停機”鈕實現(xiàn)對制冷機的簡單開關(guān)機控制，“復(fù)位”按鈕用于清除當前發(fā)生的故障報警。
４實驗結(jié)果與分析
研制的基于ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機的制冷機測控系統(tǒng)在某型自由活塞斯特林制冷機上獲得了應(yīng)用，在上位機ＰＣ上設(shè)置制冷機的目標冷端溫度，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機驅(qū)動直線電機做周期運動，進而帶動斯特林活塞做功，完成了一系列制冷機的性能是試驗，獲得了大量應(yīng)用數(shù)據(jù)，圖８是制冷機在不同環(huán)境溫度／制冷溫度下的制冷量與制冷系數(shù)（ＣＯＰ）曲線圖，證明本測控系統(tǒng)達到了預(yù)期目標。
５結(jié)束語
為實現(xiàn)對自由活塞斯特林制冷機的測控，設(shè)計了一款基于ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機的測控系統(tǒng)。采用組態(tài)王軟件設(shè)計了人機對話窗口，編寫了單片機的嵌入式μＣ／ＯＳ－Ⅱ操作系統(tǒng)移植軟件，設(shè)計了直線電機行程和制冷機的溫度控制策略，講述了制冷機的控制流程。運行結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)操作簡單，界面人機對話方便，能夠?qū)崟r顯示制冷機運行參數(shù)數(shù)據(jù)，能夠自動記錄壓力、溫度、電流和電壓等參數(shù)，并能夠通過反電動勢實現(xiàn)制冷機直線電機行程控制，采用快速制冷與溫度ＰＩＤ控制相結(jié)合的控制策略實現(xiàn)制冷機冷端溫度的控制。該測控系統(tǒng)滿足了自由活塞斯特林制冷機高性價比要求，其經(jīng)驗可以用于其它類似的測控系統(tǒng)的研制工作。