CN111025205B - 基于闭环控制的无零漂电子式磁通计 - Google Patents

基于闭环控制的无零漂电子式磁通计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于闭环控制的无零漂电子式磁通计。本发明包括感应线圈、系统测试电路，系统测试电路包括单片机、模拟积分电路和零点控制电路，所述感应线圈将待测磁钢样品在感应线圈中切割磁力线圈所产生的感生电流通过旋钮开关电路输入至模拟积分电路，所述模拟积分电路的输入电压由所述零点控制电路来调整，所述零点控制电路受控于单片机。本发明是在测量前，测量中和测量结束后都实时进行零点漂移的抑制，可提高测量的频率和动态响应，具有更高的稳定性。

Description

基于闭环控制的无零漂电子式磁通计
技术领域
本发明属于磁性材料的磁通测量技术领域，具体涉及一种基于闭环控制的无零漂电子式磁通计。
背景技术
随着我国磁性材料产业的飞速发展，对磁测量仪器的测量精度等指标提出了更高的要求。磁通计是一种利用积分原理测量磁通量的精密测量仪器，应用在磁性材料及器件的生产加工、磁电技术、磁性测试技术以及测控技术等领域。但是模拟电子积分技术存在原理性零点漂移缺陷，明显影响测量精度和效率。虽然对于模拟积分器，有相关技术采用清零电路，在测量完成前或后进行积分器的清零，但是测量中还会产生零漂影响，而且会影响磁通计的测量频率和动态响应。对于数字式积分器，虽然可以解决模拟积分器的零点漂移，但是AD采样过程易受外界干扰影响测量的准确度，而且需要适时采用软件方式对零点进行修正。
发明内容
本发明针对现有磁通计所存在的不足，提供了一种稳定、高效的电子式磁通计，本发明具有较高的集成度，增强了抗干扰性能，简化了仪器的操作难度。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明包括感应线圈、系统测试电路。系统测试电路包括单片机及其周边电路、电源电路、存储电路、旋钮开关电路、显示电路、485通讯电路、脉冲电路、模拟积分电路和零点控制电路。
电源电路用于给磁通计提供工作电压；旋钮开关电路用于切换测量的档位，以便于更精细的测量；显示电路显示单片机最后输出的磁通量值以及当前所选择的档位；485通讯电路用于使磁通计与上位机软件进行连接，便于PC端对磁通计进行参数设置以及后期的升级维护；脉冲电路用于输出电平，实现磁通量的报警功能；模拟积分电路和零点控制电路用于实现闭环控制的功能，达到实现稳定显示数值、无零漂影响的目的，单片机用于处理读取的采样值，根据采样值的变化趋势dv/dt，分离出磁通量分量，得到零点漂移量
Figure BDA0002348122980000021
，然后通过调整零点控制电路中的数字电位器，改变模拟积分器的输入电压U，从而得到新的采样值、变化趋势，分离出磁通量分量后获得新的零漂量
Figure BDA0002348122980000022
，两个零漂量的差值与电位器的变化量就是控制的关系，从而通过零漂量
Figure BDA0002348122980000023
计算出控制值，使模拟积分器的输出电压不含零点漂移量的信息，以此来抑制零点漂移量，依次循环以上操作并通过该方式将实现磁通量的测量；
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种基于闭环控制的无零点漂移磁通计，通过实时采样模拟积分器输出电压的AD结果，判断目前磁通计的零点漂移，然后根据零漂的方向和大小来确定数字电位器滑动的方向和改变模拟积分器输入电压的大小，控制零点的漂移方向，从而在确保测量的准确性和稳定性的基础上抑制零漂。本发明是在测量前，测量中和测量结束后都实时进行零点漂移的抑制，可提高测量的频率和动态响应，具有更高的稳定性。
附图说明
图1是一种基于闭环控制的电子式磁通计电路整体框图；
图2是一种基于闭环控制的电子式磁通计抑制零点流程图；
图3是一种基于闭环控制的电子式磁通计系统模块电路板一具体电路图；
图4是一种基于闭环控制的电子式磁通计系统模块电路板二具体电路图。
具体实施方式
为更清晰地表达本发明，以下结合附图作进一步说明。
图1中通过电源电路将220v高压电转换为电路板工作使用的电压。将待测磁钢样品在感应线圈中进行切割磁力线圈操作，感应线圈产生感生电流。旋钮开关电路选择测量的档位，感生电流通过旋钮开关电路后进入模拟积分电路。模拟积分电路将模拟信号积分后，通过AD转换电路转换为数字信号输出。单片机根据采样值的数字信号变化趋势dv/dt，分离出磁通量分量。同时通过算法调整零点控制电路中数字电位器的输出，控制模拟积分电路输出的电压值保持稳定，达到无零漂影响的目的，最终单片机通过液晶显示电路显示测量值，通过485电路向外传输数据。
图2中主程序开始执行系统初始化，完成后进入while()循环程序。档位选择先确定测试范围，然后开始测试。单片机读取采样值，根据采样值的变化趋势dv/dt，分离出磁通量分量，得到零点漂移量
Figure BDA0002348122980000031
，然后通过调整零点控制电路中的数字电位器，改变模拟积分器的输入电压U，从而得到新的采样值、变化趋势，分离出磁通量分量后获得新的零漂量
Figure BDA0002348122980000032
，两个零漂量的差值与电位器的变化量就是控制的关系，从而通过零漂量
Figure BDA0002348122980000033
计算出控制值，使模拟积分器的输出电压不含零点漂移量的信息，以此来抑制零点漂移量，依次循环以上操作并通过该算法将实现磁通量的测量。
图3中①为电源电路，J1(220v交流电插座)的L口、FG口、N口分别接U1(隔离变压器)的1脚、6脚、7脚；U1的8脚、9脚接D1(桥式整流器)的1脚、3脚，10脚、11脚接D2(桥式整流器)的1脚、3脚，13脚、14脚接D3(桥式整流器)的1脚、3脚；D1的2脚、4脚接U2(LM7812)的Vin口、GND口；D2的2脚、4脚接U3(LM7812)的Vin口、GND口；D3的2脚、4脚接U4(LM7805)的Vin口、GND口；U3的+12v口接地，则GND口输出-12v；U4的GND口接地，+5v口接U5(LM317)的Vin口；U5的Vout口输出VDD；GND口接R1，ADJ口接R2；R2一端接R1，另一端接地。隔离变压器U1将220v交流电稳定转为18V、9V输出，并使220v与电路板电源完全隔离，对变压器的输入端(电网供给的电源电压)起到了一个良好的过滤作用，从而抑制高频杂波传入电路板。隔离变压器U1输出的电压通过桥式整流器将交流电转化为直流电，进入线性稳压芯片，输出稳定的电压提供给其它电路。
②为模拟积分电路，J2(座子)的1、2、3、4、5、6管脚分别接R3、R4、R5、R6、R7、R8后接U7(LTC1151)的2管脚；U7的3管脚接地，4管脚接-12V，8管脚接+12V，C1左端接8管脚，右端接地，1管脚接U8(OP07)的管脚2；U8的管脚1接RP1(滑动变阻器)的左端，管脚3接地，管脚4接-12V，管脚6接RP2(滑动变阻器)的滑片端，管脚7接+12V，管脚8接RP1的右端；RP1的滑片端接+12V；RP2的左端接U8的管脚2，右端接U9(AD7799)的A1+口；C2一端接RP2的右端，一端接地；U9(AD7799)的A2-口、A1-口接地，A1+、A2+口接A1N1+、A1N2+，SCLK、CS、DIN、DOUT口分别接单片机的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4口，DVDD、AVDD口接VDD，GND口接地，PSW、REF-口相接，REF+口接R10、R9；R9接VDD；R10接地；C3、D4两端分别接地。测试时由感应线圈产生电流，旋钮开关电路选择测试档位。电流经过积分电路和放大电路后经数模转换电路由模拟量转换为数字量，最后被单片机读取。
③为零点控制电路。单片机的P2.2、P2.1、P2.0口分别接U11(MCP41010)的SI、SCK、/CS口；U11的VCC口接VDD，GND口接地，PA0、PB0口接R14两端，PW0口接R12；R12另一端接R11。R11一端接C4，一端接S1(开关)；S1另一端接C4；C4的两端分别接U7的管脚2和管脚1。R15、R13分别接R14两端，R15接+12V，R13接-12V；D5、D6的负端相连，并接地，正端分别接+12V、-12V。J3(座子)的管脚1接U6(H11F1M)的A管脚，管脚2接U6的C管脚。U6的OUT1口接C4(大电容)后，接U7(LTC1151)的1管脚，OUT2口接U7(LTC1151)的管脚1；单片机通过读取采样值确定零点漂移量的方向和大小，通过程序控制数字电位器(U11)滑动PW0，改变R12上的电压值大小，从而控制大电容C4进行充放电，影响积分电路的输入电压大小，改变输出的值。例如零漂量往大方向偏，则控制数字电位器PW0管脚往PB0方向偏移，减小R12的电压值，使C4进行放电，减小积分电路的输入电压。输入电压改变的范围取决于零漂量的大小。
图4中①为单片机及其周边电路，U10(MSP430F435)的RST/NMI口接C13、R20，AVcc、DVcc口接VDD，XIN、XOUT口分别接C11、C10；C11、C10另一端接地；Y1(32.768k晶振)两端分别接XIN、XOUT口；
②为旋钮开关电路，J4(座子--外接旋钮开关)的1、2、3、4、5脚分别接U10的P6.3、P6.4、P6.5、P6.6、P6.7口；R20、R19、R18、R17、R16分别接P6.3、P6.4、P6.5、P6.6、P6.7口，另一端同时接VDD；C9、C8、C7、C6、C5分别接P6.3、P6.4、P6.5、P6.6、P6.7口，另一端同时接地；电路根据所接不同的电阻和单片机的I/O口确定不同的测量档位。
③为485通讯电路，U10的P2.5、P2.4、P2.3分别接U12(SP3485E)的RO、DI、DO口，/RE口接DI口；U12的VCC口接VDD，B、A口分别接J6(座子)的1、2脚，GND口接地。
④为脉冲电路，U10的P1.5口接U13(TLP521-1)的K口；U13的A口接R21后接VDD，C、E口分别接J5(座子)的1、2脚,J5与零点控制电路中的J3相连，U6作为光电FET耦合器(H11F1M)，起到开关的作用。当测试磁通量超出设定阈值，单片机控制脉冲电路输出信号，导通U6，使零点控制电路中的大电容C4放电，达到“清零”的目的。
⑤为存储电路，U10的P6.0、P6.1分别接U14(FM24CL04)的SDA、SCL口；U14的SDA、SCL口接R23、R22后接VDD，VDD口接VDD，WP、VSS、A2、A1口接地。
⑥为显示电路，U10的P6.0、P6.1、P6.2分别接U15(液晶模块)的SDA、SCL、RST口；U15的VCC口接VDD，GND口接地。
综上，本发明能够快速检测所测样品的磁通量值，并且通过硬件电路和软件算法稳定输出用户所需的测试数值，便于操作者记录数据。在进行第二次测量时，直接将待测样品放回感应线圈中，电路会自动进行清零操作，无需手动对磁通计进行调零操作，大大简化了操作的繁琐程度，提高了效率。磁通计还通过485通讯电路与上位机软件进行数据交互，便于PC端对磁通计进行参数设置以及后期的升级维护；磁通计通过脉冲输出电平，可以实现磁通量的报警功能。

Claims (2)

1.基于闭环控制的无零漂电子式磁通计，包括感应线圈、系统测试电路，系统测试电路包括单片机、模拟积分电路和零点控制电路；
所述感应线圈将待测磁钢样品在感应线圈中切割磁力线圈所产生的感生电流通过旋钮开关电路输入至模拟积分电路，所述模拟积分电路的输入电压由所述零点控制电路来调整，所述零点控制电路受控于单片机，其特征在于：
单片机对模拟积分电路的输出进行采样，根据采样值的变化趋势dv/dt，分离出磁通量分量，得到零点漂移量
Figure FDA0002348122970000011
通过调整零点控制电路中的数字电位器，改变模拟积分器的输入电压，从而得到新的采样值和变化趋势，分离出磁通量分量后获得新的零漂量
Figure FDA0002348122970000012
两个零漂量的差值与数字电位器的变化量构成反馈控制的关系，实时调整数字电位器，使模拟积分器的输出电压不含零点漂移量的信息，以此来抑制零点漂移。
2.根据权利要求1所述的基于闭环控制的无零漂电子式磁通计，其特征在于：还包括485通讯电路和脉冲电路，485通讯电路用于使磁通计与上位机软件进行连接，便于PC端对磁通计进行参数设置以及后期的升级维护；脉冲电路用于输出电平，实现磁通量的报警功能。
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