CN110275467A - 基于电路物理参数检测的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电路物理参数检测的控制系统，包括：主控制器、用于采集待检测设备电压数据的电压采集电路、用于采集待检测设备温度数据的温度传感电路及用于出现警情时发出报警的报警单元电路，电压采集电路、温度传感电路及报警单元电路分别与主控制器电连接；电压采集电路中包括：电压衰减电路，用于对采集的电压数据进行衰减；与电压衰减电路电连接的运放及电压合成电路，用于对电压衰减电路输出的衰减信号进行精确的高增益放大；及分别与运放及电压合成电路和主控制器连接的过零及频率侦测电路，用于提取预设频率范围内的电压数据并输送至主控制器中，实现电路工作时的物理参数实时检测、电路出现故障时的自动控制及电路工作状态异常的报警提醒的功能。
Description
技术领域
本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种基于电路物理参数检测的控制系统。
背景技术
随着世界各国电子科学技术的高速发展，各种不同功能的电路层出不穷。电路系统中经常会出现由于电子元器件的损坏、电路模块接线错误或其他外界环境干扰等因素造成电路工作处于非正常状态的情况，如，在面粉厂或矿井的风机控制电路系统中，常常会因为风机轴承温度高或其他环境因素发生风机故障的现象，一旦风机停止工作，极易产生爆炸事故。
在实际应用中，很多时候电路故障难以及时有效地排除，因此，对电路进行实时检测的技术越来越受到人们的重视，依赖于传感器物理参数故障检测的新技术层出不穷，广泛应用于社会发展的各个领域。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于电路物理参数检测的控制系统，实现电路工作时的物理参数实时检测、电路出现故障时的自动控制及电路工作状态异常的报警提醒的功能。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于电路物理参数检测的控制系统，包括：主控制器、用于采集待检测设备电压数据的电压采集电路、用于采集待检测设备温度数据的温度传感电路及用于出现警情时发出报警的报警单元电路，所述电压采集电路、温度传感电路及报警单元电路分别与所述主控制器电连接；
所述电压采集电路中包括：
电压衰减电路，用于对采集的电压数据进行衰减；
与所述电压衰减电路电连接的运放及电压合成电路，用于对电压衰减电路输出的衰减信号进行精确的高增益放大；及
分别与所述运放及电压合成电路和主控制器连接的过零及频率侦测电路，用于提取预设频率范围内的电压数据并输送至主控制器中。
进一步优选地，所述运放及电压合成电路中包括两路并联的互补运放电路，实现电压衰减电路输出的衰减信号进行精确的高增益放大。
进一步优选地，所述温度传感电路中包括型号为DS18B20的温度传感器；所述主控制器为STM32单片机电路，包括与电压采集电路的输出端连接的ADC模块。
进一步优选地，所述报警单元电路中包括：
与所述主控器输出端连接的多级放大电路，用于将主控制器发送的控制信号进行多级放大；
与所述多级放大电路连接的波形变换电路，用于将多级放大电路放大后的控制信号变换为脉冲信号；及
与所述波形变换电路连接的报警提醒电路，用于根据波形变换电路输入的信号驱动蜂鸣器发声。
进一步优选地，主控制器对采集的电压数据进行处理的过程中，针对单个通道采集的N个数据进行冒泡排序后，去除排序中的首位数据，将剩余的数据取平均值得到采样电压参数。
进一步优选地，主控制器对采集的温度数据进行处理的过程中，包括：针对每轮采集的温度数据进行概率分布判断，得到该轮温度数据的集中区间，将该集中区域中的温度数据作为采集的温度参数；及针对多轮采集的温度数据，计算选定的两轮温度数据的自相关函数值，进而根据该自相关判断待检测设备的温度是否出现异常。
进一步优选地，所述待检测设备为步进电机，所述控制系统中还包括与所述主控制器连接的MOSFET电机驱动控制电路，用于根据主控制器发送的控制信号控制MOSFET电机工作。
进一步优选地，所述MOSFET电机驱动控制电路中包括：
步进电机控制信号隔离电路；
用于隔离步进电解的第一6N137光耦合器，输入端与所述步进电机控制信号隔离电路第一组输出端连接，接入步进电机转角控制信号；
用于隔离步进电解的TLP521-4可控制的光耦合器件，输入端与所述步进电机控制信号隔离电路第二组输出端连接，接入步进电机速度和方向控制信号；
用于隔离步进电解的第二6N137光耦合器，输入端与所述步进电机控制信号隔离电路第三组输出端连接，接入步进使能信号；
所述第一6N137光耦合器、TLP521-4可控制的光耦合器件及第二6N137光耦合器的输出端分别与步进电机控制信号驱动放大电路的输入端连接，用于驱动步进电机工作。
在本发明提供的基于电路物理参数检测的控制系统中，以STM32单片机电路、电压采集电路为核心，实现待检测设备工作电压的高精度实时采集，采集精度达到10mV；软件部分以电压参数采集时采用的均值滤波算法、温度参数采集时的温度传感器时间比对算法为核心，有效滤除电压干扰，且对于电路系统中温度突变的情况能够实时判断，以此控制报警单元电路工作发出预警。
当待检测设备为步进电机时，STM32单片机电路根据实时采集的电压、温度参数，通过MOSFET电机驱动控制电路实现电机工作的实时控制。本判断电机工作出现异常，实时驱动报警单元电路工作发出预警。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1为本发明中基于电路物理参数检测的控制系统的示意图；
图2为本发明中电压采集电路图；
图3为本发明中待检测设备为步进电机时基于电路物理参数检测的控制系统的示意图；
图4为本发明中MOSFET电机驱动控制电路图；
图5为本发明中控制系统电压参数采集流程图；
图6为本发明中控制系统温度参数采集流程图。
附图标记说明：
10-主控制器，20-电压采集电路，30-温度传感电路，40-报警单元电路，50-MOSFET电机驱动控制电路。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
如图1所示本发明中基于电路物理参数检测的控制系统的示意图，从图中可以看出，在该控制系统中包括：主控制器10、用于采集待检测设备电压数据的电压采集电路20、用于采集待检测设备温度数据的温度传感电路30及用于出现警情时发出报警的报警单元电路40，其中，电压采集电路20、温度传感电路30及报警单元电路40分别与主控制器10电连接。
在该控制系统中，主控制器10实时接收电压采集电路20采集的电压数据和温度传感电路30采集的温度数据之后，根据处理得到电压参数和温度参数同步判断待检测设备的工作状态，若出现故障，控制报警单元电路40进行报警，并生成控制信号控制待检测设备工作。
具体，主控制器10为STM32单片机电路，包括：ADC(模数转换)模块，通过内部集成的A/D转换器对电压采集电路20的输出信号进行电压采集得到电压数据；温度采集模块，用于对温度传感器的状态实时检测，获取温度数据；报警模块，用于根据采集后处理得到的温度参数和电压参数实时控制报警单元电路40工作。在一实例中，采用型号为STM32F103的单片机实现发明目的。温度传感电路30中采用型号为DS18B20的温度传感器实现温度数据的采集。
如图2所示，电压采集电路20中包括：电压衰减电路(对应左边虚线框内电路)、运放及电压合成电路(对应中间虚线框内电路)、及过零及频率侦测电路(对应右边虚线框内电路)，其中，运放及电压合成电路与电压衰减电路电连接的运放及电压合成电路，过零及频率侦测电路分别与运放及电压合成电路和主控制器10连接的过零及频率侦测电路，且电压衰减电路与运放及电压合成电路级联构成隔离保护模块。
在工作过程中，为了避免待检测设备输出的电压值过大，对后续电路和主控芯片(主控制器10)造成损坏，因此先采用电压衰减电路对采集的电压数据进行衰减。如图示，在电压衰减电路中，直流偏置电压源VDD保证电路静态工作正常，通过电阻R1、电阻R3、电阻R5和电阻R6实现对输入信号的分压，因此可以在A、B处获得可供下一级电路处理的微弱信号。在实例中，电压衰减电路中，电阻R1和电阻R3的取值取2.7K(千欧)，电阻R5和电阻R6的取值取68K，电源VDD接入+12V电压。
运放及电压合成电路用于对经过电压衰减电路的小信号适当放大，将电压控制在一定的区间，保证电压测量的精度。从图中肯出，在该运放及电压合成电路中包括两路并联的互补运放电路，实现电压衰减电路输出的衰减信号进行精确的高增益放大，其中，电阻R2、电阻R4、电阻R7、电阻R8、电阻R13、电阻R15及运算放大器P1形成一路，电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R14、电阻R16及运算放大器P2形成另一路，电阻R2、电阻R7、电阻R9及电阻R11分别用于对两路电压衰减电路的输出进行限流，电阻R4、电阻R8、电阻R10及电阻R12分别用于控制运放的增益大小。在实例中，电阻R2、电阻R4、电阻R9和电阻R10的阻值取24.9K，电阻R7和电阻R11的阻值取120K，电阻R8和电阻R12的阻值取72K，电阻R13和电阻R14的阻值取68K，电阻R15和电阻R16的阻值取5.6K，运算放大器P1和运算放大器P2的型号为LM358，电源VCC接入+12V电压。
过零及频率侦测电路用于提取预设频率范围内的电压数据、滤除其他频率干扰的信号并输送至主控制器10中，以此进一步提高电压测量的精度。具体，该过零及频率侦测电路检测电压数据的频率并通过过零的方式(通过如实中的电阻R17、电阻R18及电容C1实现，其中，电阻R18和电容C1并联后与电阻R17串联)得到与电源同频率的方波信号，之后通过三极管Q1进一步放大通过集电极(对应电压采集电路的输出端VOUT)将检测到的电压数据发送至STM32单片机电路，以此STM32单片机电路的ADC模块完成一次采样过程。对于型号为STM32F103的STM32单片机电路，通过ADC模块实现4路通道0～5V(伏)电压数据的检测，且在采用之后通过均值滤波算法得到实时电压参数，精度达10mV(毫伏)。在实例中，三极管Q1的型号为9018，电阻R17和电阻R18取值20K，电阻R19(电源VDD通过该电阻接入三极管Q1的集电极)取值3.6K，电容C1的容量为0.01μ，电源VDD接入+12V电压。
要说明的是，以上给出的电压采集电路中各器件的选型、电阻/电容的取值均可以根据实际情况进行调整，这里不做具体限定，仅给出一种可实施的应用实例。
报警单元电路40中包括：与主控器输出端连接的多级放大电路，用于将主控制器10发送的控制信号进行多级放大；与多级放大电路连接的波形变换电路，用于将多级放大电路放大后的控制信号变换为脉冲信号；及与波形变换电路连接的报警提醒电路，用于根据波形变换电路输入的信号驱动蜂鸣器发声。具体，多级放大电路采用两级放大，第一级采用型号为2N2222的三极管构成共射极放大电路，放大微弱的控制信号；第二级使用单电源供电的LM358AN低速运放，进一步将电信号放大到所需要的准确值。波形变换电路直接采用7400N门电路，将放大后的控制信号(正弦信号)变换成脉冲信号，将模拟信号转换为数字信号。报警提醒电路用于在电路异常时驱动蜂鸣器发声，达到报警提醒的功能，主要由时基电路555构成。当报警单元电路40中有控制信号输入时，先通过多级放大电路放大，再通过波形变换电路变换数字信号，驱动555时基电路触发蜂鸣器报警。
在一实例中，待检测设备为步进电机，此时，如图3所示，控制系统中还包括与主控制器10连接的MOSFET电机驱动控制电路50，用于根据主控制器10发送的控制信号控制MOSFET电机工作。在工作过程中，主控制器10采集了电机的工作电压参数和电机轴承的温度参数之后，根据采集到的参数控制MOSFET电机驱动控制电路50工作，进而控制电机工作；若判断采集到的电压参数和温度参数不在正常范围内，启动报警提醒电路进行预警。
如图4所示，MOSFET电机驱动控制电路50中包括：步进电机控制信号隔离电路；用于隔离步进电解的第一6N137光耦合器，输入端与步进电机控制信号隔离电路第一组输出端(对应图示中引脚1和2)连接，接入步进电机转角控制信号；用于隔离步进电解的TLP521-4可控制的光耦合器件，输入端与步进电机控制信号隔离电路第二组输出端(对应图示中引脚3和4)连接，接入步进电机速度和方向控制信号；用于隔离步进电解的第二6N137光耦合器，输入端与步进电机控制信号隔离电路第三组输出端(对应图示中引脚5和6)连接，接入步进使能信号；第一6N137光耦合器、TLP521-4可控制的光耦合器件及第二6N137光耦合器的输出端分别与步进电机控制信号驱动放大电路的输入端连接，用于驱动步进电机工作。如图示，CLK、CW和ENABLE分别为控制电机的转角、速度和电机正反方向以及使能控制信号，均通过光耦隔离后与主控制器10连接。在该电路中，光耦合器用于防止电机干扰和损坏接口板电路及用于对控制信号进行整形，使用两个型号为6N137的高速光耦隔离电机转角控制信号CLK及电机速度和方向控制信号CW，其信号传输速率可达到10MHz(兆赫兹)；使用型号为TLP521的普通光耦隔离使能信号ENABLE。
在上述实施方式中，图5为控制系统电压参数采集流程图，具体流程为：
将STM32单片机IO(Input/Output)配置为准双向输入(默认为高阻态输入)模式之后，STM32单片机对单个通道的ADC模块连续采样电压N次，每次采集时间为50ms(其他实例中，可以根据实际情况进行设定，如设定为60ms、70ms等)。在定时器中，当50ms时间到了，重新定时50ms，进入下一次采样。
由于在电压传感器采集电压数据时，外界干扰或电压源不稳定等因素会导致数据不停的跳变，非常不稳定。为了改善这种情况，有效地去除干扰，在STM32单片机中采用改进的均值滤波算法对采集到的电压数据进行处理，得到该次采样到的电压参数，即将采样到的数据传送到内存的数组中后，对单个通道的N个数据进行冒泡排序，去除排序中首位各2个数据(根据实际情况选定，可以为首位各1个，甚至可以不去除)，用剩余的数据取平均值。如图示，设定N＝10，在其实例中，可以根据实际情况选定为5、15、20等，这里不做限定。
完成一次电压参数采集后，将采集到的电压参数与电压阈值进行比较，如果采集的电压参数偏离电压阈值小于5％(其他实例中，可以根据实际情况进行设定，如设定为10％等)，则采样的电压参数处于正常状态；如果采集的电压参数偏离电压阈值大于5％，则采样的的电压参数处于非正常状态，触发报警单元电路40工作。测试结果表明：这种改进的均值滤波算法，能够有效的去除跳变的干扰数据，使得处理后的数据变得稳定、可靠，提高了精度和稳定性。
以待检测设备为电机、使用型号为DS18B20的温度传感器实现温度采集为例，对控制系统温度参数采集流程进行说明，图6所示，包括：
初始化相关外设和IO口、设置最高采集的轮数TH后，STM32单片机每隔200ms(其他实例中，可以根据实际情况进行设定，如设定为100ms、150ms、250ms、300ms等)控制DS18B20温度传感器采集一次电机轴承周围温度。采集了预先设定的N次后，完成一轮温度数据的采集。之后，STM32单片机对这一轮N次采集的温度数据进行概率分布判断，得到本次温度数据的主要集中区间，且采集轮数加1。这里进行概率分布判断得到主要集中区域的目的是为了避免温度传感器某一次数据读取错误影响判断结果，主要集中区间阈值可以根据实际情况进行设定，如，将主要集中区间的取值阈值设置为集中数据为所有采集温度数据90％以上的区域；又如，将主要集中区间的取值阈值设置为集中数据为所有采集温度数据95％以上的区域等。
以此循环，完成TH轮的数据采集(每次采集时，将当前采集的轮数R与轮数TH进行比较，若采集轮数R大于最高采集的轮数TH，采集轮数R清零；若采集轮数R小于最高采集的轮数TH，进入下一轮采集)，且每轮采集之后，STM32单片机均会对该轮N次采集的温度数据进行概率分布判断，温度数据的主要集中区间。
之后，通过对不同轮次采集的温度数据计算自相关函数值的方法对TH轮采集的温度数据进行比对，如果某两轮采集的温度数据的自相关函数值小于某一设定的阈值，则轴承周围温度在采集的这段时间内(两轮采集的时间区间)处一平稳状态，电机处于正常工作的温度；如果自相关函数值大于某一设定的阈值，则判断此时出现温度突变，系统存在异常，触发报警单元。
结果表明：这种改进的温度传感器时间比对算法，通过对温度多次采集，并且进行概率分布判断的方法，能够有效的测量电机轴承准确温度；另外通过前后两轮不同时刻自相关函数值的对比，能够准确判断电机轴承温度是处于平稳状态，还是处于突变状态，由此决定是否触发报警单元电路40工作。
Claims (8)
1.一种基于电路物理参数检测的控制系统，其特征在于，包括：用于控制参数采集、对采集数据进行处理并根据处理结果发出控制信号的主控制器、用于采集待检测设备电压数据的电压采集电路、用于采集待检测设备温度数据的温度传感电路及用于出现警情时发出报警的报警单元电路，所述电压采集电路、温度传感电路及报警单元电路分别与所述主控制器电连接；
所述电压采集电路中包括：
电压衰减电路，用于对采集的电压数据进行衰减；
与所述电压衰减电路电连接的运放及电压合成电路，用于对电压衰减电路输出的衰减信号进行精确的高增益放大；及
分别与所述运放及电压合成电路和主控制器连接的过零及频率侦测电路，用于提取预设频率范围内的电压数据并输送至主控制器中。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述运放及电压合成电路中包括两路并联的互补运放电路，实现电压衰减电路输出的衰减信号进行精确的高增益放大。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述温度传感电路中包括型号为DS18B20的温度传感器；所述主控制器为STM32单片机电路，包括与电压采集电路的输出端连接的ADC模块。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述报警单元电路中包括：
与所述主控器输出端连接的多级放大电路，用于将主控制器发送的控制信号进行多级放大；
与所述多级放大电路连接的波形变换电路，用于将多级放大电路放大后的控制信号变换为脉冲信号；及
与所述波形变换电路连接的报警提醒电路，用于根据波形变换电路输入的信号驱动蜂鸣器发声。
5.如权利要求1-4任意一项所述的控制系统，其特征在于，主控制器对采集的电压数据进行处理的过程中，针对单个通道采集的N个数据进行冒泡排序后，去除排序中的首位数据，将剩余的数据取平均值得到采样电压参数。
6.如权利要求1-4任意一项所述的控制系统，其特征在于，主控制器对采集的温度数据进行处理的过程中，包括：针对每轮采集的温度数据进行概率分布判断，得到该轮温度数据的集中区间，将该集中区域中的温度数据作为采集的温度参数；及针对多轮采集的温度数据，计算选定的两轮温度数据的自相关函数值，进而根据该自相关判断待检测设备的温度是否出现异常。
7.如权利要求1-4任意一项所述的控制系统，其特征在于，所述待检测设备为步进电机，所述控制系统中还包括与所述主控制器连接的MOSFET电机驱动控制电路，用于根据主控制器发送的控制信号控制MOSFET电机工作。
8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述MOSFET电机驱动控制电路中包括：
步进电机控制信号隔离电路；
用于隔离步进电解的第一6N137光耦合器，输入端与所述步进电机控制信号隔离电路第一组输出端连接，接入步进电机转角控制信号；
用于隔离步进电解的TLP521-4可控制的光耦合器件，输入端与所述步进电机控制信号隔离电路第二组输出端连接，接入步进电机速度和方向控制信号；
用于隔离步进电解的第二6N137光耦合器，输入端与所述步进电机控制信号隔离电路第三组输出端连接，接入步进使能信号；
所述第一6N137光耦合器、TLP521-4可控制的光耦合器件及第二6N137光耦合器的输出端分别与步进电机控制信号驱动放大电路的输入端连接，用于驱动步进电机工作。
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