CN103900754B - 一种液压拉紧装置张力检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液压拉紧装置张力检测系统，包括STC单片机接口电路，以及分别与所述STC单片机接口电路连接的开关量输入接口电路、模拟量输入接口电路、单片机模拟量输出接口电路、单片机开关量输出接口电路、单片机供电开关电源和小键盘接口电路，单片机供电开关电源连接系统供电开关电源。本液压拉紧装置张力检测系统可以很好的解决因个别传感器失效或损坏而造成的数据误差的问题，使整个液压系统压力测试数据处在线性无偏最小方差性，提高了系统的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种张力检测系统，具体是一种液压拉紧装置张力检测系统。
背景技术
液压拉紧装置系统张力检测的传统方式为单传感器检测泵站内部实时油压，此种方式虽然在一定程度上节省了成本，但是同时也存在以下一些问题：
1、泵站内部的实时油压不足以全面反映整个拉紧装置动态张力，造成测量值与实际准确值之间有一定误差；
2、单传感器检测时，若传感器自身发生漂移，而无其它传感器对此进行纠正，则进一步增加了测量误差；
3、当单传感器发生故障时，而无其它传感器进行判断，则有可能使系统误动作而造成损失，或者系统停止工作而影响生产效率。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种液压拉紧装置张力检测系统，可以很好的解决因个别传感器失效或损坏而造成的数据误差的问题，使整个液压系统压力测试数据处在线性无偏最小方差性，提高系统的稳定性和可靠性。
为了实现上述目的，本液压拉紧装置张力检测系统包括STC单片机接口电路，以及分别与所述STC单片机接口电路连接的开关量输入接口电路、模拟量输入接口电路、单片机模拟量输出接口电路、单片机开关量输出接口电路、单片机供电开关电源和小键盘接口电路，单片机供电开关电源连接系统供电开关电源；
开关量输入光耦隔离电路的输入端IN1—IN8连接按钮或行程开关，输出端DI1—DI8连接STC单片机接口电路的DI1—DI8；
传感器输入光耦隔离电路的输入端连接各传感器输出的4-20mA或0—5V，输出端连接STC单片机接口电路的模拟量输入端AD1—AD8；
模拟量输出光耦隔离电路的PWM0端口连接STC单片机接口电路的脉宽输出脚的PWM0或PWM1端口，输出为0—5V，通过变送器转换输出4-20mA或0—5V，控制变频控制器；
开关量输出光耦隔离电路的端口DI9—DI16连接STC单片机接口电路的DI9—DI16端口，输出端控制24V的中间继电器；
单片机供电开关电源的＋24V连接系统供电开关电源的＋24V输出端，＋5V电源提供给STC单片机接口电路及周围电路供电；
小键盘接口电路IC芯片的KSCLK，KDA，CSKEY，KOUT脚连接STC单片机接口电路相应的端口，LI0、LI1、LI2、LI3和HI2、HI3、HI4、HI5组成矩阵按键电路。
与现有技术相比，本液压拉紧装置张力检测系统应用在液压同一系统内实时测量压力，可以很好的解决因个别传感器失效或损坏而造成的数据误差的问题，用多传感器数据自适应加权融合估计算法，根据各传感器的方差变化，及时调整参与融合的各传感器的加权系数，使融合系统的均方误差始终最小，“屏蔽” 失效或损坏的传感器，使整个液压系统压力测试数据处在线性无偏最小方差性，提高了系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的开关量输入接口电路；
图3是本发明的模拟量输入接口电路；
图4是本发明的STC单片机接口电路；
图5是本发明的单片机模拟量输出接口电路；
图6是本发明的单片机开关量输出接口电路；
图7是本发明的单片机供电开关电源；
图8是本发明的系统供电开关电源；
图9是本发明的小键盘接口电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本液压拉紧装置张力检测系统包括STC单片机接口电路，以及分别与所述STC单片机接口电路连接的开关量输入接口电路、模拟量输入接口电路、单片机模拟量输出接口电路、单片机开关量输出接口电路、单片机供电开关电源和小键盘接口电路，单片机供电开关电源连接系统供电开关电源；
图2为开关量输入接口电路，输入IN1—IN8接按钮或行程开关，经过IC1－IC8开关量光偶隔离后，输出端DI1—DI8接到单片机接口电路的DI1—DI8。
图3为模拟量输入接口电路，压力传感器采用二线制电气连接方式，输入端连接传感器的电源线、输出线和屏蔽线。模拟量输入端为4路，其余三路说明同理。
传感器输入光耦隔离电路的输入端连接各传感器输出的4-20mA或0—5V，输出端连接STC单片机接口电路的模拟量输入端AD1—AD8。
模拟量输出光耦隔离电路的PWM0端口连接STC单片机接口电路的脉宽输出脚的PWM0或PWM1端口，输出为0—5V，通过变送器转换输出4-20mA或0—5V，控制变频控制器。
开关量输出光耦隔离电路的端口DI9—DI16连接STC单片机接口电路的DI9—DI16端口，输出端控制24V的中间继电器。
运算放大器IC1-1为电压串联负反馈放大电路，该电路输入电阻高，输出电阻小，带载能力强。电阻Rx将压力传感器的电流量转换成电压量送到运算放大器IC1-1的正相输入端，输出端为：。
由R4、W1、R5组成的调零电路，调整输出端在传感器输出为4mA时，运算放大器IC1-2输出端为零。
运算放大器IC1-2为积分放大电路，该电路可以去除高频干扰，在此电路应用中可以将压力传感器的电压量变为时间量。
输出为：。
由IC3、IC4线性光偶组成的电气隔离电路，可以完全隔离外部电路与单片机电路的干扰。线性光偶IC3为运算放大器IC5提供输入电压，线性光偶IC4为运算放大器IC1-2的负反馈电路。
运算放大器IC5为电压跟随器电路，该电路输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号传送给单片机A/D输入端。
图4为STC单片机接口电路，该系列单片机为单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051系列的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，但速度快8－12倍，内部集成MAX810专用复位电路，有PWM输出的D/A转换电路和高速10位A/D转换电路，是针对电机控制强干扰场合。
该芯片在本装置中为开关量输入和模拟量输入进行一系列的数据处理，经过严密的运算和逻辑判断后，输出端输出液压系统压需要的开关量和模拟量。
在压力传感器模拟量数据处理上，采用同类多传感器自适应加权估计的数据融合算法进行计算，本装置为4路压力传感器输入，根据同类多传感器自适应加权估计的数据融合算法的公式，对4个压力传感器进行采样, 每一个传感器一次采集4个数据，用防脉冲干扰平均值法程序得到一个数据，循环采集各传感器的数据。
再用滑动平均值法程序处理各传感器数据，先计算出每个数据的方差及均方差，再计算每个传感器的加权因子，最后计算每个传感器的融合值。然后根据均方差数据和加权因子数据与正常平均数据的离散程度判定传感器的好坏，及时发现和“屏蔽”有故障传感器，提高了融合值数据的稳定性和可靠性。
多传感器自适应加权估计的数据计算简化公式：
1、采集一组数据的方差计算公式：
；
2、加权因子计算公式：
（p＝1、2、3、4）；
3、融合值计算公式：
。
图5为单片机模拟量输出接口电路，IC1为积分放大电路，IC4-1和IC4-2与三极管组成4-20mA转换电路。从STC单片机PWM0端口输出的是0－5V电压，既可以作为0－5V的电压控制信号，也可以经过图4模拟量输出电路输出4－20mA控制信号。
图6为单片机开关量输出接口电路，把STC单片机端口输出的开关量信号经过光偶隔离后，给控制电路提供一个开关量控制信号源电路。
图7为单片机供电开关电源，单片机供电开关电源的＋24V连接系统供电开关电源的＋24V输出端，主要用于STC单片机供电，是典型的自激振荡开关电源电路。
图8为系统供电开关电源，是典型的集成电源开关电路，＋5V电源提供给STC单片机接口电路及周围电路供电，主要用于给传感器、运算放大器供电。
图9为小键盘接口电路，是4×4小键盘控制电路，小键盘接口电路IC芯片的KSCLK，KDA，CSKEY，KOUT脚连接STC单片机接口电路相应的端口，LI0、LI1、LI2、LI3和HI2、HI3、HI4、HI5组成矩阵按键电路，可以设定本系统要控制的压力大小和要提供模拟量控制的信号大小及开关量控制所需要的时间范围。
本液压拉紧装置张力检测系统中的STC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的单片机，高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8—12倍。内部集成了MAX810专用复位电路和看门狗，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒）。有1024个字节的EEPROM，有两路可编程计数器阵列(PCA)模块，可用于软件定时器、外部脉冲的捕捉、高速输出以及脉宽调制（PWM）输出。单片机的工作温度范围宽，-40℃—85℃。
本液压拉紧装置张力检测系统采用单独的隔离开关电源供电，输入和输出全部采用光电耦合器隔离，光耦的冲击隔离电压可高达3000V以上，大大提高了本系统的稳定性和可靠性。传感器的输入采用线性光耦，输入信号可以是4mA—20mA或0V—5V。
经过处理的各传感器融合值利用STC单片机脉宽调制（PWM）输出，把传感器最终运算的融合值转化成0V—5V输出，或利用外围电路转化成4mA—20mA输出。
本系统的应用程序采用内部看门狗可以时时对系统程序监控，提高可靠性。
传感器采集数据处理方式为：每一个传感器一次采集4个数据，用防脉冲干扰平均值法程序得到一个数据，循环采集各传感器的数据。
再利用滑动平均值法程序处理各传感器数据，先计算出每个数据的方差及均方差，再计算每个传感器的加权因子，最后计算每个传感器的融合值。然后根据均方差数据和加权因子数据与正常平均数据的离散程度判定传感器的好坏，及时发现和“屏蔽”有故障传感器，提高了融合值数据的稳定性和可靠性。
通过配套的小键盘可以及时地在线更改液压系统的压力设置数据，大大提高了本装置的灵活性。新的设置数据因单片机内部有EEPROM可以长期保存，即使是掉电或重新启动，数据也不会丢失。
本液压拉紧装置张力检测系统应用在液压同一系统内实时测量压力，可以很好的解决因个别传感器失效或损坏而造成的数据误差的问题，用多传感器数据自适应加权融合估计算法，根据各传感器的方差变化，及时调整参与融合的各传感器的加权系数，使融合系统的均方误差始终最小，“屏蔽” 失效或损坏的传感器，使整个液压系统压力测试数据处在线性无偏最小方差性，提高了系统的稳定性和可靠性。
Claims (1)
1.一种液压拉紧装置张力检测系统，其特征在于，包括STC单片机接口电路，以及分别与所述STC单片机接口电路连接的开关量输入接口电路、模拟量输入接口电路、单片机模拟量输出接口电路、单片机开关量输出接口电路、单片机供电开关电源和小键盘接口电路，单片机供电开关电源连接系统供电开关电源；
开关量输入接口电路的输入端IN1—IN8连接按钮或行程开关，经过IC1－IC8开关量光耦隔离后，输出端DI1—DI8连接STC单片机接口电路的输入端DI1—DI8；
模拟量输入接口电路输入端连接压力传感器的电源线、输出线和屏蔽线；
模拟量输入接口电路的输入端连接各压力传感器输出的4-20mA或0—5V信号，输出端连接STC单片机接口电路的模拟量输入端AD1—AD8；
单片机模拟量输出接口电路的PWM0端口连接STC单片机接口电路的脉宽输出脚的PWM0或PWM1端口输出的0—5V电压，通过变送器转换输出4-20mA或0—5V信号，控制变频控制器；
单片机开关量输出接口电路的输入端口DI9—DI16连接STC单片机接口电路的输出端口DI9—DI16，单片机开关量输出接口电路的输出端控制24V的中间继电器；
通过STC单片机接口电路为开关量输入和模拟量输入进行数据处理，输出端输出液压系统需要的开关量和模拟量；
在压力传感器模拟量数据处理上，采用同类多压力传感器自适应加权估计的数据融合算法进行计算，本张力检测系统为4路压力传感器输入，根据同类多压力传感器自适应加权估计的数据融合算法，对4个压力传感器进行采样, 每一个压力传感器一次采集4个数据，用防脉冲干扰平均值法程序得到一个数据，循环采集各压力传感器的数据；
再用滑动平均值法程序处理各压力传感器数据，先计算出每个数据的方差及均方差，再计算每个压力传感器的加权因子，最后计算每个压力传感器的融合值；然后根据均方差数据和加权因子数据与正常平均数据的离散程度对压力传感器进行判定；
单片机供电开关电源的＋24V连接系统供电开关电源的＋24V输出端，＋5V电源提供给STC单片机接口电路及周围电路供电；
小键盘接口电路IC芯片的KSCLK，KDA，CSKEY，KOUT脚连接STC单片机接口电路相应的端口，LI0、LI1、LI2、LI3和HI2、HI3、HI4、HI5组成矩阵按键电路。
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