基于單片機的自由活塞制冷機測控系統(tǒng)設計

基于單片機的自由活塞制冷機測控系統(tǒng)設計
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，具有結構緊湊、低振動噪音、壽命長、制冷量方便可調等優(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仿真調試方式，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機采用ＢＤＭ單線背景調試模式為開發(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)調試，該單片機一大特色就是單線背景調試模式和時鐘監(jiān)視部分用于開發(fā)支持和運行安全。大多數(shù)引腳具有復用功能，即通用Ｉ／Ｏ功能和特殊接口功能，這些具有復用功能的端口和控制邏輯全部集成在單片機的內部，因此具有體積小、功耗低、可靠性高和應用簡單的特點。該單片機內部程序存儲器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，甚至在軟件調試時存放程序；ＥＥＰＲＯＭ存儲器容量為４ＫＢ，可以用于設置運行參數(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、條件斷點和在線調試等全部功能；內置的看門狗可以保證軟件跑飛后快速恢復，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、調試和編程，內部總線速率高達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“復位”等控制操作，在上位機ＰＣ也可設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控制相結合的控制策略實現(xiàn)制冷機冷端溫度的控制；調節(jié)和控制直線電機的正常運轉，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部的工質壓力，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生非常高４．９８Ｖ的電壓信號，再經過信號調理后進入ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機的內部ＡＤ模塊進行模數(shù)轉換。
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為可調電阻，連接Ｐｔ１００的三根導線ａ、ｂ和ｃ等長，則其導線電阻也基本一致，可以互為抵消導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單片機的內部ＡＤ采集這個電壓就能獲得當前制冷機相關測點的溫度。
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構較為精密，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生非常高４．９８Ｖ的電壓信號后再經過調理后送給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生的熱量帶走；當有異常產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單片機輸出指令經過三極管放大后對二者進行驅動控制，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運動驅動斯特林機的自由活塞壓縮工質，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運動則驅動電源必須以周期性方波形式。本系統(tǒng)采用基于ＩＲ２１８１Ｓ的ＭＯＳＦＥＴ全橋結構［３］，ＩＲ２１８１Ｓ芯片電路內部集成了ＣＭＯＳ控制電路和由ＭＯＳ管組成的驅動橋，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導通時，電流從電源正極經Ｍ１從左至右穿過直線電機，然后再經Ｍ４回到電源負極，電機沿順時針轉動。在圖３（ｂ）中，當Ｍ３和Ｍ２導通時，電流從右至左流過直線電機，直線電機沿逆時針轉動。因此，通過調整ＭＯＳ管的導通與截止時序可以控制直線電機的轉向，通過調整流經電機電流的大小可以控制直線電機的轉速。本測控系統(tǒng)通過ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機的ＰＷＭ通道輸出方波激勵，驅動ＩＲ２１８１Ｓ工作，周期性地開啟與關閉Ｍ１－Ｍ４、Ｍ２－Ｍ４可以達到直線發(fā)電機驅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，采用國產組態(tài)王軟件設計完成。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)制冷機的質量。
２．１直線電機行程控制策略
自由活塞斯特林制冷機結構非常緊湊，導致無法直接測量直線電機的行程，根據(jù)有關資料［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系。反電動勢的本質是通電線圈在磁場中的運動，即：
基于閉環(huán)反饋電機驅動電壓調節(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，增加直線電機驅動電壓以使電機驅動斯特林發(fā)動機活塞盡可能地壓縮工質做功，但是過大的驅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)反饋式驅動電壓調節(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?？焖俣冗_到用戶設定的需求溫度（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軟件設計
自由活塞斯特林制冷機測控系統(tǒng)需要處理的任務較多，要求實時響應的速度較快，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是專門為嵌入式應用設計的且內核源代碼公開的多任務嵌入式操作系統(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)任務調度內核［５］。因此，軟件設計主要包括嵌入式操作系統(tǒng)軟件設計、基于ｕＣ／ＯＳ－Ⅱ的ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機應用軟件設計以及上位機ＰＣ軟件設計。
３．１嵌入式操作系統(tǒng)軟件設計
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實時內核能在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中與文處理器相關代碼的修改、與編譯器相關代碼的修改和應用軟件的添加［６］；移植工作主要包括以下５個方面內容：
１）用Ｔｙｐｅｄｅｆ聲明與編譯器相關的數(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單片機應用軟件設計
自由活塞制冷機的主要任務是根據(jù)設置的冷端溫度，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機輸出一定的ＰＷＭ信號，驅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，計算設定溫度與冷端當前溫度的差值，如果其差值大于設定的偏差值，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，即驅動電壓以一定的速率上升，上升速率根據(jù)設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定值，單片機維持當前直線電機運行狀態(tài)，直至設定溫度與冷端當前溫度的偏差小于０．５℃。表明制冷機已經完成目標工作，此時，單片機以設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上位機軟件設計
上位機采用工控ＰＣ機，使用組態(tài)王軟件進行設計。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部溫度，冷端和熱端的溫度信息；點擊控制操作可以手動調試直線電機、散熱風扇以及蜂鳴器；在參數(shù)設置則可以設置制冷機的報警項，如溫度、工質壓力、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)設置可以設定制冷機目標運行溫度，點擊“寫入ＥＥＰＲＯＯＭ”，則把設定的溫度數(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機控制，“復位”按鈕用于清除當前發(fā)生的故障報警。
４實驗結果與分析
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用，在上位機ＰＣ上設置制冷機的目標冷端溫度，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機驅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)達到了預期目標。
５結束語
為實現(xiàn)對自由活塞斯特林制冷機的測控，設計了一款基于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。運行結果表明，該測控系統(tǒng)操作簡單，界面人機對話方便，能夠實時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，其經驗可以用于其它類似的測控系統(tǒng)的研制工作。