CN107819414A - 一种深海环境模拟装置的压控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种深海环境模拟装置的压控系统，包括环境模拟舱、高压水泵、直流电机、转速采集单元、电流采集单元、控制单元、PWM调理单元、电机驱动单元、显示单元和通信单元。本发明采用以ATmega8L单片机为核心的控制单元、以ECN30206为核心的驱动单元和以MAX7219为核心的显示单元，三部分相互独立，可单独选用，满足不同场合的需求，又可组成闭环控制系统整体，可以保证深海环境模拟系统压力精确稳定控制，并可以实现连续可调，同时对直流电机的工作状态实时显示，在上位机端实现曲线记录及回放功能，系统可模拟海底的极端海洋环境，也可模拟一般的海洋环境。

Description

一种深海环境模拟装置的压控系统
技术领域
本发明涉及海洋开发工程装备技术领域，特别涉及一种深海环境模拟压控系统。
背景技术
深海海底有大量的矿产资源和微生物群落，对该环境下进行的生物成矿作用、生命起源等的问题研究，将有助于阐明深海微生物受压力调节的代谢机制，获得宝贵的极端环境基因资源，对地质学、地球化学和生命科学等一系列学科研究具有重大的意义。然而由于其处于深海极端环境这一特殊性，难以身临其境进行观察与研究，需要在实验室建立海底极端环境的模拟系统进行实验来配合相关科学研究。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种深海环境模拟装置的压控系统，可以保证深海环境模拟系统压力精确稳定控制，并可以实现连续可调，可模拟海底的极端海洋环境，也可模拟一般的海洋环境。
(二)技术方案
一种深海环境模拟装置的压控系统，包括环境模拟舱、高压水泵、直流电机、转速采集单元、电流采集单元、控制单元、PWM调理单元、电机驱动单元、显示单元和通信单元；
所述转速采集单元采集所述直流电机的转速信息，输出脉冲信号送入所述控制单元；所述电流采集单元采集所述直流电机的工作电流信息，输出模拟电压信号送入所述控制单元；所述控制单元对采集的所述转速信息和所述工作电流信息进行处理，输出所述直流电机的PWM调速信号；所述PWM调理单元对所述控制单元输出的所述PWM调速信号进行调理得到想要的输出信号，送入所述电机驱动单元；所述电机驱动单元接收所述PWM调速信号控制所述直流单机的转速；所述直流电机带动所述高压水泵提供给所述环境模拟舱连续可调的压力源；所述控制单元还与所述显示单元相连接，将处理得到的所述直流电机的转速和工作电流送入所述显示单元进行实时显示；所述控制单元通过所述通信单元将计算得到的数据上传给上位机，同时所述上位机将设定的转速值和工作电流值发送给所述控制单元进行存储；
所述直流电机选用4对磁极的三相无刷直流电机；所述转速检测单元选用位置传感器检测所述直流电机的位置信号，所述位置传感器的数量为3个，每间隔30°进行放置；
所述控制单元选用8位AVR微处理器ATmega8L。
进一步的，所述转速检测单元包括位置传感器、第一隔离器、第一～第三电阻、第一和第二电容，其中所述位置传感器选用霍尔开关EW632，所述第一隔离器选用光电耦合器P521。
进一步的，所述电流检测单元包括电流传感器、运算放大器、变阻器、第四～第七电阻、第三和第四电容，其中所述电流传感器选用霍尔电流传感器ACS712，所述运算放大器选用四运算放大器LM324。
进一步的，所述PWM调理单元包括第二隔离器、第一二极管、第五～第八电容和第八～第十二电阻，其中所述第二隔离器选用光电耦合器P521，所述第一二极管为肖特基二极管，所述第七电容为电解电容。
进一步的，所述电机驱动单元包括直流电机驱动控制器、第二和第三二极管、第九～第十一电容和第十三～第十七电阻，其中所述直流电机驱动控制器选用集成驱动芯片ECN30206。
进一步的，所述显示单元包括8位8段数字LED显示器、LED数码显示驱动器和第十八电阻，其中所述LED数码显示驱动器选用MAX7219。
进一步的，所述通信单元为RS485接口通信，所述通信单元选用RS485驱动器MAX487。
(三)有益效果
本发明提供了一种深海环境模拟装置的压控系统，采用以ATmega8L单片机为核心的控制单元、以ECN30206为核心的驱动单元和以MAX7219为核心的显示单元，三部分相互独立，可单独选用，满足不同场合的需求，又可组成闭环控制系统整体，可以保证深海环境模拟系统压力精确稳定控制，并可以实现连续可调，同时对直流电机的工作状态实时显示，在上位机端实现曲线记录及回放功能，系统可模拟海底的极端海洋环境，也可模拟一般的海洋环境，其结构简单，性价比高，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，使用灵活，可扩展性强，适用范围广，可为其它压控系统提供有益的参考。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种深海环境模拟装置的压控系统的结构框图。
图2为本发明所涉及的一种深海环境模拟装置的压控系统的转速采集单元电路原理图。
图3为本发明所涉及的一种深海环境模拟装置的压控系统的电流采集单元电路原理图。
图4为本发明所涉及的一种深海环境模拟装置的压控系统的PWM调理单元电路原理图。
图5为本发明所涉及的一种深海环境模拟装置的压控系统的电机驱动单元电路原理图。
图6为本发明所涉及的一种深海环境模拟装置的压控系统的显示单元电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
如图1所示，一种深海环境模拟装置的压控系统，包括环境模拟舱、高压水泵、直流电机、转速采集单元、电流采集单元、控制单元、PWM调理单元、电机驱动单元、显示单元和通信单元；转速采集单元采集直流电机的转速信息，输出脉冲信号送入控制单元；电流采集单元采集直流电机的工作电流信息，输出模拟电压信号送入控制单元；控制单元对采集的转速信息和工作电流信息进行处理，输出直流电机的PWM调速信号；PWM调理单元对控制单元输出的PWM调速信号进行调理得到想要的输出信号，送入电机驱动单元；电机驱动单元接收PWM调速信号控制直流单机的转速；直流电机带动高压水泵提供给环境模拟舱连续可调的压力源；控制单元还与显示单元相连接，将处理得到的直流电机的转速和工作电流送入显示单元进行实时显示；控制单元通过通信单元将计算得到的数据上传给上位机，同时上位机将设定的转速值和工作电流值发送给控制单元进行存储。
因为单片机价格低、片内资源丰富、且可以灵活编制程序，所以系统采用单片机作为控制核心。控制单元选用8位AVR微处理器ATmega8L，其高性能、低功耗，具有先进的RISC结构，内部8K字节可编程Flash、512字节EEPROM和1K字节的SRAM。两个具有独立预分频器8位定时器/计数器，其中之一有比较功能；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；三通道PWM；8路10位ADC；两个可编程的串行USART；可工作于主机/从机模式的SPI串行接口和片内模拟比较器等。工作电压为2.7～5.5V，工作频率可达8MHz，系统功耗极低：工作模式3.6mA；空闲模式1.0mA；掉电模式仅为0.5uA。
转速检测对于压控系统非常重要，由于压控系统主要是由转速构成的闭环控制系统，所以获得直流电机转速是压控系统的关键。如图2所示，转速检测单元包括位置传感器U1、隔离器U2、电阻R1～R3、电容C1和C2，其中位置传感器U1选用霍尔开关EW632，隔离器U2选用光电耦合器P521。系统选用的直流电机是4对磁极的三相无刷直流电机，所以一个机械角为90°，电导通角为30°，因而霍尔开关EW632的数量为3个，每间隔30°放一个，以检测直流电机转子的位置。由霍尔开关EW632输出直流电机的位置信号，直流电机输出脉冲信号，但脉冲信号干扰比较大，不能直接被ATmega8L处理，所以必须对脉冲信号进行滤波提取。脉冲信号谐波比较多，电容C1起到滤波的作用。ATmega8L内部的定时器1具有16位输入捕捉单元，通过外部引脚ICP1来捕捉脉冲信号，根据两次捕捉的差值就可以算出直流电机的转速。光电耦合器P521是为了避免驱动单元及其接口电路受强电压的影响，避免串入干扰，以保证电路正常运行。
如图3所示，电流检测单元包括电流传感器U3、运算放大器U4、变阻器Rw1、电阻R4～R7、电容C3和C4，其中电流传感器U3选用霍尔电流传感器ACS712，运算放大器U4选用四运算放大器LM324。霍尔电流传感器ACS712由霍尔元件、驱动元件、偏差调整电路、信号恢复电路和信号放大电路组成，具有价格低、精度高、绝缘性能好等特点。ACS712在输入电流为零时VO脚输出2.5V，通过变阻器Rw1分压产生2.5V电压，使运算放大器U4b输出端的电压从0V开始线性变化。为提高电阻分压带负载能力，既使2.5V电压不随后级电路影响，采用一级电压跟随器使运算放大器U4a输出端的电压为2.5V。运算放大器U4b输出端的电压与ACS712的IP1+脚、IP2+脚和IP1-脚、IP2-脚之间电流成正比。将此电压送入ATmega8L的A/D转换器处理即可得到直流电机的工作电流。应用此电流可以对直流电机进行转矩闭环控制及过流保护。
ATmega8L对直流电机的当前转速和工作电流进行处理，并与设定的转速值和工作电流值进行比较分析，利用内部定时器2工作在快速PWM模式下，产生高频PWM控制信号，来调节直流电机的转速。控制信号产生后需要进行调理才能得到所想要的输出信号，如图4所示，PWM调理单元包括隔离器U5、二极管D1、电容C5～C8和电阻R8～R12，其中隔离器U5选用光电耦合器P521，二极管D1为肖特基二极管，电容C7为电解电容。同时ATmega8L还监控直流电机的运行状态，当出现短路、过流、过压等故障时，ATmega8L将封锁PWM输出信号，使直流电机停机。
电机驱动单元是ATmega8L和直流电机之间的桥梁，ATmega8L的PWM输出信号通过电机驱动单元作用于直流电机进行调速。如图5所示，电机驱动单元包括直流电机驱动控制器U6、二极管D2和D3、电容C9～C11和电阻R13～R17，其中直流电机驱动控制器U6选用集成驱动芯片ECN30206。M1为直流电机。ECN30206适用于直流电压500V、1A以下，功率在20～300W的三相有位置传感器的无刷直流电机。ECN30206内部自带6个全桥IGBT开关管(上桥臂和下桥臂)及每个IGBT都带保护的续流二极管，用于3个上桥臂电压提升的电荷泵电路、无刷直流电机方向控制电路，为ECN30206产生时钟的声表面波产生电路、PWM产生电路、三相分配器、过流及欠压保护电路和转子位置检测电路组成。三相分配器内部具有换相控制表，依据表格中相对照的值来合理分配各个桥臂的通断状态。为使ECN30206稳定及提高抗干扰性，必须对各引脚进行处理，在引脚上适当的加上拉电阻或下拉电阻，在高输入阻抗的引脚处加上高频旁路电容以消除高输入阻抗引脚对高频噪音的敏感性。
显示单元实时显示直流电机的转速和工作电流，如图6所示，显示单元包括8位8段数字LED显示器DP1、LED数码显示驱动器U7和电阻R18，其中LED数码显示驱动器U7选用MAX7219。MAX7219作为LED数码显示驱动芯片，驱动8位8段数字LED显示器DP1，显示直流电机的转速和工作电流。
ATmega8L还通过通信单元与上位机进行数据交换，通信单元为RS485接口通信。ATmega8L内部集成了一串通信模块，因此只需在外围扩展一RS485接口驱动芯片即可与上位机进行通信，选用MAX487作为驱动芯片。将MAX487的RE和DE两个使能端接在一起，使MAX487处于某一确定的状态即可工作，也节约了ATmega8L的I/O口。上位机通过MAX487将设定的直流电机转速值和工作电流值发送给ATmega8L，同时ATmega8L将处理好的直流电机当前转速值和工作电流值上传给上位机进行曲线拟合、数据存储和回放功能。
本发明提供了一种深海环境模拟装置的压控系统，采用以ATmega8L单片机为核心的控制单元、以ECN30206为核心的驱动单元和以MAX7219为核心的显示单元，三部分相互独立，可单独选用，满足不同场合的需求，又可组成闭环控制系统整体，可以保证深海环境模拟系统压力精确稳定控制，并可以实现连续可调，同时对直流电机的工作状态实时显示，在上位机端实现曲线记录及回放功能，系统可模拟海底的极端海洋环境，也可模拟一般的海洋环境，其结构简单，性价比高，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，使用灵活，可扩展性强，适用范围广，可为其它压控系统提供有益的参考。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (7)

1.一种深海环境模拟装置的压控系统，其特征在于：包括环境模拟舱、高压水泵、直流电机、转速采集单元、电流采集单元、控制单元、PWM调理单元、电机驱动单元、显示单元和通信单元；
所述转速采集单元采集所述直流电机的转速信息，输出脉冲信号送入所述控制单元；所述电流采集单元采集所述直流电机的工作电流信息，输出模拟电压信号送入所述控制单元；所述控制单元对采集的所述转速信息和所述工作电流信息进行处理，输出所述直流电机的PWM调速信号；所述PWM调理单元对所述控制单元输出的所述PWM调速信号进行调理得到想要的输出信号，送入所述电机驱动单元；所述电机驱动单元接收所述PWM调速信号控制所述直流单机的转速；所述直流电机带动所述高压水泵提供给所述环境模拟舱连续可调的压力源；所述控制单元还与所述显示单元相连接，将处理得到的所述直流电机的转速和工作电流送入所述显示单元进行实时显示；所述控制单元通过所述通信单元将计算得到的数据上传给上位机，同时所述上位机将设定的转速值和工作电流值发送给所述控制单元进行存储；
所述直流电机选用4对磁极的三相无刷直流电机；所述转速检测单元选用位置传感器检测所述直流电机的位置信号，所述位置传感器的数量为3个，每间隔30°进行放置；
所述控制单元选用8位AVR微处理器ATmega8L。
2.根据权利要求1所述的一种深海环境模拟装置的压控系统，其特征在于：所述转速检测单元包括位置传感器、第一隔离器、第一～第三电阻、第一和第二电容，其中所述位置传感器选用霍尔开关EW632，所述第一隔离器选用光电耦合器P521。
3.根据权利要求1所述的一种深海环境模拟装置的压控系统，其特征在于：所述电流检测单元包括电流传感器、运算放大器、变阻器、第四～第七电阻、第三和第四电容，其中所述电流传感器选用霍尔电流传感器ACS712，所述运算放大器选用四运算放大器LM324。
4.根据权利要求1所述的一种深海环境模拟装置的压控系统，其特征在于：所述PWM调理单元包括第二隔离器、第一二极管、第五～第八电容和第八～第十二电阻，其中所述第二隔离器选用光电耦合器P521，所述第一二极管为肖特基二极管，所述第七电容为电解电容。
5.根据权利要求1所述的一种深海环境模拟装置的压控系统，其特征在于：所述电机驱动单元包括直流电机驱动控制器、第二和第三二极管、第九～第十一电容和第十三～第十七电阻，其中所述直流电机驱动控制器选用集成驱动芯片ECN30206。
6.根据权利要求1所述的一种深海环境模拟装置的压控系统，其特征在于：所述显示单元包括8位8段数字LED显示器、LED数码显示驱动器和第十八电阻，其中所述LED数码显示驱动器选用MAX7219。
7.根据权利要求1所述的一种深海环境模拟装置的压控系统，其特征在于：所述通信单元为RS485接口通信，所述通信单元选用RS485驱动器MAX487。
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