摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)自由活塞斯特林制冷機(jī)相關(guān)參數(shù)的測(cè)控，開發(fā)了一套基于ＨＣＳ１２單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)，該測(cè)控系統(tǒng)采用ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)，選取了合適的傳感器測(cè)量壓力、溫度、電壓和電流等參數(shù)；采用ＰＣ機(jī)作為上位機(jī)，使用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)了人機(jī)對(duì)話窗口；為了保證制冷機(jī)安全可靠運(yùn)行，采用反電動(dòng)勢(shì)控制策略實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)直線電機(jī)行程控制，采用快速制冷與溫度ＰＩＤ控制相結(jié)合的控制策略實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)冷端溫度的控制；其經(jīng)驗(yàn)可以用于其它類似的測(cè)控系統(tǒng)的研制工作。

０引言

自由活塞斯特林制冷機(jī)采用直線電機(jī)、純氣動(dòng)膨脹等先金技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、低振動(dòng)噪音、壽命長(zhǎng)、制冷量方便可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)由于臭氧層破壞、溫室效應(yīng)等原因而受到越來(lái)越嚴(yán)格的限制，這為自由活塞斯特林制冷機(jī)的發(fā)展提供了難得的歷史機(jī)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(jī)采用氦氣膨脹制冷，無(wú)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(diǎn)，在環(huán)保和節(jié)能方面具有重要優(yōu)勢(shì)［１］。

由于自由活塞斯特林與直線電機(jī)緊密融合為一體，因此自由活塞式斯特林制冷機(jī)性能調(diào)節(jié)與控制技術(shù)是制冷機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，測(cè)控系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著制冷機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和對(duì)其進(jìn)行控制保護(hù)的重要任務(wù)。測(cè)控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對(duì)制冷功能任務(wù)的完成與否以及設(shè)備運(yùn)行性能表現(xiàn)影響很大，因此，測(cè)控系統(tǒng)的研制開發(fā)工作在制冷機(jī)項(xiàng)目研制過(guò)程中顯得尤為重要。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)自由活塞斯特林制冷機(jī)相關(guān)參數(shù)的測(cè)量與控制，設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)，采用ＨＣＳ１２單片機(jī)作為核心微處理器，以完成制冷機(jī)狀態(tài)檢測(cè)和控制任務(wù)，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)以研究自由活塞斯特林制冷機(jī)的特性。

１測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及硬件組成

根據(jù)自由活塞斯特林制冷機(jī)要求，測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖１所示。本測(cè)控系統(tǒng)基于ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６［２］單片機(jī)，屬于ＨＣＳ１２系列。大多數(shù)單片機(jī)均采用ＪＴＡＧ仿真調(diào)試方式，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)采用ＢＤＭ單線背景調(diào)試模式為開發(fā)者提供了便利，其能在單片機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試，該單片機(jī)一大特色就是單線背景調(diào)試模式和時(shí)鐘監(jiān)視部分用于開發(fā)支持和運(yùn)行安全。大多數(shù)引腳具有復(fù)用功能，即通用Ｉ／Ｏ功能和特殊接口功能，這些具有復(fù)用功能的端口和控制邏輯全部集成在單片機(jī)的內(nèi)部，因此具有體積小、功耗低、可靠性高和應(yīng)用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。該單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器Ｆｌａｓｈ可以用作保存軟件代碼和測(cè)控原始數(shù)據(jù)其容量達(dá)２５６ＫＢ；１２ＫＢ的ＲＡＭ存儲(chǔ)器可以用于堆棧設(shè)置、保存中間零時(shí)變量以及動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，甚至在軟件調(diào)試時(shí)存放程序；ＥＥＰＲＯＭ存儲(chǔ)器容量為４ＫＢ，可以用于設(shè)置運(yùn)行參數(shù)、保存組態(tài)等需要長(zhǎng)期保存信息數(shù)據(jù)；特有的ＢＤＭ調(diào)試方式在沒有仿真器條件下就可以實(shí)現(xiàn)硬件斷點(diǎn)、條件斷點(diǎn)和在線調(diào)試等全部功能；內(nèi)置的看門狗可以保證軟件跑飛后快速恢復(fù)，當(dāng)系統(tǒng)的始終運(yùn)行異常時(shí)，可以用過(guò)時(shí)鐘監(jiān)視系統(tǒng)功能進(jìn)行查看。此外，該單片機(jī)內(nèi)部集成了Ａ／Ｄ、ＰＷＭ、ＳＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＡＮ、Ｗａｔｃｈ－ｄｏｇ等，大幅度簡(jiǎn)化外圍電路，支持在線仿真、調(diào)試和編程，內(nèi)部總線速率高達(dá)２５ＭＨｚ，有工業(yè)控制專用的通信模塊，用作數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和通信可以取得較好的效果。

測(cè)控系統(tǒng)硬件組成有：以ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)為核心的控制器、壓力測(cè)量變送器、溫度測(cè)量傳感器Ｐｔ１００、角度測(cè)量變送器、直線電機(jī)電壓電流測(cè)量變送器、散熱風(fēng)扇、聲光報(bào)警和上位機(jī)ＰＣ等。

測(cè)控系統(tǒng)工作原理：圖１中上位機(jī)ＰＣ主要用于顯示自由活塞斯特林制冷機(jī)的參數(shù)數(shù)據(jù)狀態(tài)，是人機(jī)對(duì)話窗口，通過(guò)點(diǎn)擊上位機(jī)ＰＣ的操作按鈕，向單片機(jī)控制器下發(fā)例如“開機(jī)”、“停機(jī)”和“復(fù)位”等控制操作，在上位機(jī)ＰＣ也可設(shè)置制冷機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。單片機(jī)控制器用作下位機(jī)，主要用于采集和處理各個(gè)傳感器信號(hào)，當(dāng)傳感器信號(hào)出現(xiàn)異常之時(shí)能夠提供報(bào)警信息；為了保證制冷機(jī)安全可靠運(yùn)行，采用反電動(dòng)勢(shì)控制策略實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)直線電機(jī)行程控制，采用快速制冷與溫度ＰＩＤ控制相結(jié)合的控制策略實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)冷端溫度的控制；調(diào)節(jié)和控制直線電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)直線電機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)能夠提供報(bào)警信息或者直接發(fā)送停機(jī)指令；控制風(fēng)扇進(jìn)行散熱或驅(qū)動(dòng)報(bào)警器進(jìn)行聲光報(bào)警；單片機(jī)控制器將制冷機(jī)的各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)信息或報(bào)警信息通過(guò)串口通訊傳送給上位機(jī)ＰＣ，并根據(jù)上位機(jī)ＰＣ的控制指令執(zhí)行相應(yīng)的控制指令。

１．１壓力測(cè)量

壓力測(cè)量用于測(cè)量自由活塞斯特林內(nèi)部的工質(zhì)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(hào)為：ＣＳ２０ＦＵＦ－５ＭＰａ，該傳感器工作電壓為２４ＶＤＣ，測(cè)量精度為全量程±０．２％，輸出信號(hào)為４～２０ｍＡ。該電流信號(hào)通過(guò)２４９歐姆精密電阻對(duì)地產(chǎn)生#高４．９８Ｖ的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后進(jìn)入ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)的內(nèi)部ＡＤ模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

１．２溫度測(cè)量

需要對(duì)制冷機(jī)的冷端、熱端溫度以及直線電機(jī)溫度的實(shí)時(shí)采集，這里采用熱電阻Ｐｔ１００完成。為了保證測(cè)量精度，Ｐｔ１００測(cè)溫使用三線制接法，如圖２所示，Ｐｔ１００信號(hào)采集采用電橋測(cè)量方式完成，Ｐｔ１００和精密電阻Ｒ１、Ｒ２、Ｒ組成測(cè)量電橋電路，其中Ｒ１＝Ｒ２且Ｒ３為可調(diào)電阻，連接Ｐｔ１００的三根導(dǎo)線ａ、ｂ和ｃ等長(zhǎng)，則其導(dǎo)線電阻也基本一致，可以互為抵消導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差，進(jìn)而提高了Ｐｔ１００信號(hào)測(cè)量準(zhǔn)確度。Ｐｔ１００在溫度變化時(shí)其電阻值變化是線性的，因此圖２所示的測(cè)量電路的輸出Ｖ＝Ｖ＋－Ｖ－也是線性的，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)的內(nèi)部ＡＤ采集這個(gè)電壓就能獲得當(dāng)前制冷機(jī)相關(guān)測(cè)點(diǎn)的溫度。

１．３傾角測(cè)量

自由活塞斯特林制冷機(jī)整體結(jié)構(gòu)較為精密，運(yùn)行中如果發(fā)生移位而形成一定傾角則可能給制冷機(jī)帶來(lái)?yè)p壞，因此設(shè)置了傾角傳感器，當(dāng)制冷機(jī)達(dá)到一定的傾角數(shù)值，則報(bào)警并停止運(yùn)行。傾角傳感器型號(hào)為：ＨＣＡ５２６Ｔ，信號(hào)輸出為４～２０ｍＡ，同樣采用２４９歐姆精密電阻對(duì)地產(chǎn)生#高４．９８Ｖ的電壓信號(hào)后再經(jīng)過(guò)調(diào)理后送給ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)處理。

１．４直線電機(jī)電壓電流測(cè)量

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)斯特林活塞工作，形成穩(wěn)定的工作循環(huán)，達(dá)到制冷目的。為了控制斯特林活塞的行程和計(jì)算系統(tǒng)的效率需要測(cè)量直線電機(jī)的電壓和電流，使用的變送器型號(hào)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(hào)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(jī)工作過(guò)程中，需要用散熱風(fēng)扇及時(shí)把熱端產(chǎn)生的熱量帶走；當(dāng)有異常產(chǎn)生時(shí)需要進(jìn)行聲光報(bào)警，在本系統(tǒng)中，散熱風(fēng)扇和報(bào)警器屬于執(zhí)行器，其控制相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)合散熱風(fēng)扇和報(bào)警器的自身特性和成本考慮，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)輸出指令經(jīng)過(guò)三極管放大后對(duì)二者進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，可靠性較高且降低了系統(tǒng)成本。

１．６直線電機(jī)控制

自由活塞斯特林制冷機(jī)依靠直線電機(jī)的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)斯特林機(jī)的自由活塞壓縮工質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)熱量從冷端向熱端的傳輸，達(dá)到制冷的目的。因直線電機(jī)的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)則驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)［３］，ＩＲ２１８１Ｓ芯片電路內(nèi)部集成了ＣＭＯＳ控制電路和由ＭＯＳ管組成的驅(qū)動(dòng)橋，它能為負(fù)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(nèi)安全工作，用戶只需提供與ＴＴＬ電平兼容的ＰＷＭ信號(hào)就可進(jìn)行４象限模式的幅值和方向同時(shí)控制，而且與數(shù)字控制器的接口非常簡(jiǎn)單。直線電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制原理如圖３所示，４個(gè)ＭＯＳ管（Ｍ１～Ｍ４）和一個(gè)直線電機(jī)（Ｍ）組成的Ｈ全橋。在圖３（ａ）中，當(dāng)Ｍ１和Ｍ４導(dǎo)通時(shí)，電流從電源正極經(jīng)Ｍ１從左至右穿過(guò)直線電機(jī)，然后再經(jīng)Ｍ４回到電源負(fù)極，電機(jī)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖３（ｂ）中，當(dāng)Ｍ３和Ｍ２導(dǎo)通時(shí)，電流從右至左流過(guò)直線電機(jī)，直線電機(jī)沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，通過(guò)調(diào)整ＭＯＳ管的導(dǎo)通與截止時(shí)序可以控制直線電機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過(guò)調(diào)整流經(jīng)電機(jī)電流的大小可以控制直線電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)的ＰＷＭ通道輸出方波激勵(lì)，驅(qū)動(dòng)ＩＲ２１８１Ｓ工作，周期性地開啟與關(guān)閉Ｍ１－Ｍ４、Ｍ２－Ｍ４可以達(dá)到直線發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率可控且可靠的要求。

１．７上位機(jī)ＰＣ

上位機(jī)ＰＣ是人機(jī)對(duì)話的窗口，采用國(guó)產(chǎn)組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)完成。由參數(shù)數(shù)據(jù)、控制操作、歷史曲線和報(bào)警信息等４個(gè)部分組成，如在參數(shù)數(shù)據(jù)窗口顯示制冷機(jī)的溫度、功率，電流和壓力；報(bào)警信息記錄主要記錄制冷機(jī)警報(bào)類型，方便分析故障；歷史曲線趨勢(shì)可以查看制冷機(jī)各個(gè)參數(shù)的運(yùn)行趨勢(shì)，也可用作壽命統(tǒng)計(jì)分析。

２測(cè)控策略

自由活塞斯特林制冷機(jī)測(cè)控策略核心之一是直線電機(jī)的行程控制，要保證行程#大化而避免撞缸并使斯特林機(jī)達(dá)到#佳效率；另一個(gè)核心策略是溫度控制，是自由活塞斯特林制冷機(jī)的核心需求，其控制精度直接體現(xiàn)制冷機(jī)的質(zhì)量。

２．１直線電機(jī)行程控制策略

自由活塞斯特林制冷機(jī)結(jié)構(gòu)非常緊湊，導(dǎo)致無(wú)法直接測(cè)量直線電機(jī)的行程，根據(jù)有關(guān)資料［４－５］，直線電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（ＢＥＭＦ）與直線電機(jī)的有效行程存在確定的近似線性關(guān)系。反電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)是通電線圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，即：

其中：Ｉ為線圈中的電流，Ｒ為直線電機(jī)線圈的有效電阻。

由式（１）、（２）分析可知，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量直線電機(jī)輸入端電流和電壓，則可以推導(dǎo)出在給定負(fù)載條件下的反電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而得到直線電機(jī)的#大行程。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓決定了制冷機(jī)的效率同時(shí)也決定了制冷機(jī)的安全，增加直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓以使電機(jī)驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞盡可能地壓縮工謘hou齬Γ�但蕵岧大的驱动悼妷蜥蕢蜥擕兄C坦�大而发生撞纲Y鹿�，因此，需要避免撞纲Y鹿什⑹顧固亓只�达�?佳效率。本系統(tǒng)采用基于直線電機(jī)#大行程的閉環(huán)反饋式驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)方法：實(shí)時(shí)檢測(cè)直線電機(jī)的#大行程，對(duì)比希望達(dá)到的#大行程Ｓｍａｘ，確定ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)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(jī)的關(guān)鍵控制邏輯，其溫度控制原理如圖５所示。總體上來(lái)說(shuō)，溫度控制需要實(shí)現(xiàn)兩大基本功能：

１）快速制冷。即制冷機(jī)冷端溫度以#快速度達(dá)到用戶設(shè)定的需求溫度（Ｔ＿ｄ）。該過(guò)程一般體現(xiàn)在啟動(dòng)階段。在該階段，需求溫度（Ｔ＿ｄ）與實(shí)際溫度（Ｔ＿ｃ）偏差較大，當(dāng)以直線電機(jī)的額定#大功率運(yùn)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(nèi)波動(dòng)（＜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(shì)來(lái)調(diào)節(jié)ＰＷＭ波的占空比（ＤｕｔｙＣｙｃｌｅ），從而控制直線電機(jī)的輸出功率，進(jìn)而控制系統(tǒng)的制冷量。

３軟件設(shè)計(jì)

自由活塞斯特林制冷機(jī)測(cè)控系統(tǒng)需要處理的任務(wù)較多，要求實(shí)時(shí)響應(yīng)的速度較快，因此，傳統(tǒng)的前后臺(tái)處理方式不能滿足測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。所以本測(cè)控系統(tǒng)引入了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μＣＯＳ－ＩＩ是專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的且內(nèi)核源代碼公開的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，具有占用存儲(chǔ)空間小、代碼執(zhí)行效率高、可移植性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)和優(yōu)良的實(shí)時(shí)性能等特點(diǎn)。所以本系統(tǒng)選擇ｕＣ／ＯＳ－Ⅱ作為系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度內(nèi)核［５］。因此，軟件設(shè)計(jì)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、基于ｕＣ／ＯＳ－Ⅱ的ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)以及上位機(jī)ＰＣ軟件設(shè)計(jì)。

３．１嵌入式操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在特定ＭＣＵ上使用μＣ／ＯＳ－Ⅱ進(jìn)行軟件開發(fā)前，需要進(jìn)行操作系統(tǒng)移植，使他能在該ＭＣＵ上遠(yuǎn)行。所以shou先必須進(jìn)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(tái)，該編譯器支持匯編語(yǔ)言程序，允許用戶在Ｃ源代碼中嵌入?yún)R編語(yǔ)言。

將μＣＯＳ－ＩＩ嵌入式操作系統(tǒng)移植到ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５單片機(jī)上就是使μＣ／ＯＳ－Ⅱ?qū)崟r(shí)內(nèi)核能在ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ４．７集成Ｃ編譯平臺(tái)上運(yùn)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(guān)代碼的修改、與編譯器相關(guān)代碼的修改和應(yīng)用軟件的添加［６］；移植工作主要包括以下５個(gè)方面內(nèi)容：

１）用Ｔｙｐｅｄｅｆ聲明與編譯器相關(guān)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(zhǎng)，在μＣ／ＯＳ－Ⅱ代碼中不能使用ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ４．７集成Ｃ編譯平臺(tái)Ｃ語(yǔ)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(lái)代換相應(yīng)數(shù)據(jù)類型。

２）采用＃ｄｅｆｉｎｅ定義一個(gè)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(shuō)明３個(gè)宏函數(shù)（ＯＳ－ＣＰＵ．Ｈ）。

４）用Ｃ語(yǔ)言編寫１０個(gè)與ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５單片機(jī)相關(guān)的函數(shù)（ＯＳ－ＣＰＵ－Ｃ．Ｃ）。

５）定義說(shuō)明４個(gè)ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ４．７集成Ｃ編譯平臺(tái)匯編語(yǔ)言函數(shù)（ＯＳ－ＣＰＵ－Ａ．Ｓ）。

３．２單片機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

自由活塞制冷機(jī)的主要任務(wù)是根據(jù)設(shè)置的冷端溫度，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)輸出一定的ＰＷＭ信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)周期運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)斯特林活塞運(yùn)動(dòng)，使冷端溫度快速達(dá)到設(shè)定值。本測(cè)控系統(tǒng)采用的控制流程見圖６，系統(tǒng)上電后，立即檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)參數(shù)，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)讀入設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)，依據(jù)這些參數(shù)，判斷系統(tǒng)是否處于可運(yùn)行狀態(tài)，若系統(tǒng)通過(guò)自檢，則立即進(jìn)入啟動(dòng)過(guò)程，此時(shí)，計(jì)算設(shè)定溫度與冷端當(dāng)前溫度的差值，如果其差值大于設(shè)定的偏差值，則單片機(jī)輸出兩對(duì)相位相差１８０°的ＰＷＭ波，每對(duì)ＰＷＭ波的幅值相同、極性相反，驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)行，為了避免初始啟動(dòng)電流過(guò)大而燒壞直線電機(jī)，系統(tǒng)采用分步升壓的方法來(lái)起動(dòng)直線電機(jī)，即驅(qū)動(dòng)電壓以一定的速率上升，上升速率根據(jù)設(shè)定溫度溫度與冷端當(dāng)前溫度的差值由單片機(jī)決定，期間，監(jiān)測(cè)直線電機(jī)的行程，如果直線電機(jī)的行程達(dá)到設(shè)定值，單片機(jī)維持當(dāng)前直線電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，直至設(shè)定溫度與冷端當(dāng)前溫度的偏差小于０．５℃。表明制冷機(jī)已經(jīng)完成目標(biāo)工作，此時(shí)，單片機(jī)以設(shè)定溫度與冷端當(dāng)前溫度的偏差變化趨勢(shì)確定ＰＷＭ波的占空比來(lái)調(diào)節(jié)控制直線電機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而控制系統(tǒng)的制冷量，維持當(dāng)前的溫度。

３．３上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用工控ＰＣ機(jī)，使用組態(tài)王軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。上位機(jī)主要用于實(shí)時(shí)收集自由活塞斯特林制冷機(jī)的各運(yùn)行參數(shù)，為后續(xù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化提供分析基礎(chǔ)及目標(biāo)對(duì)象。因此制冷機(jī)運(yùn)行完全好立于上位機(jī)程序，僅用作數(shù)據(jù)采集、記錄、分析與匯總等功能。

設(shè)計(jì)完成的上位機(jī)監(jiān)控界面如圖７所示，上位機(jī)ＰＣ顯示自由活塞制冷機(jī)的工質(zhì)壓力和傾斜角度，直線電機(jī)輸入端的電壓、電流、功率以及直線電機(jī)內(nèi)部溫度，冷端和熱端的溫度信息；點(diǎn)擊控制操作可以手動(dòng)調(diào)試直線電機(jī)、散熱風(fēng)扇以及蜂鳴器；在參數(shù)設(shè)置則可以設(shè)置制冷機(jī)的報(bào)警項(xiàng)，如溫度、工質(zhì)壓力、電壓和電流等上下限；歷史曲線運(yùn)行記錄保存了自由活塞制冷機(jī)的參數(shù)運(yùn)行信息。運(yùn)行記錄的文件按年月日的格式生成，可以調(diào)查查看；報(bào)警信息部分主要顯示系統(tǒng)警報(bào)及錯(cuò)誤信息，如超溫、超壓等，故障記錄主要有：故障代號(hào)、故障發(fā)生時(shí)間以及故障清除時(shí)間等；溫度參數(shù)設(shè)置可以設(shè)定制冷機(jī)目標(biāo)運(yùn)行溫度，點(diǎn)擊“寫入ＥＥＰＲＯＯＭ”，則把設(shè)定的溫度數(shù)值寫入ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)存儲(chǔ)空間且掉電仍然能保存，控制面板中“開機(jī)”“停機(jī)”鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷機(jī)的簡(jiǎn)單開關(guān)機(jī)控制，“復(fù)位”按鈕用于清除當(dāng)前發(fā)生的故障報(bào)警。

４實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

研制的基于ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)的制冷機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在某型自由活塞斯特林制冷機(jī)上獲得了應(yīng)用，在上位機(jī)ＰＣ上設(shè)置制冷機(jī)的目標(biāo)冷端溫度，ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)做周期運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)斯特林活塞做功，完成了一系列制冷機(jī)的性能是試驗(yàn)，獲得了大量應(yīng)用數(shù)據(jù)，圖８是制冷機(jī)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(cè)控系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

５結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)自由活塞斯特林制冷機(jī)的測(cè)控，設(shè)計(jì)了一款基于ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ２５６單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)。采用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)了人機(jī)對(duì)話窗口，編寫了單片機(jī)的嵌入式μＣ／ＯＳ－Ⅱ操作系統(tǒng)移植軟件，設(shè)計(jì)了直線電機(jī)行程和制冷機(jī)的溫度控制策略，講述了制冷機(jī)的控制流程。運(yùn)行結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，界面人機(jī)對(duì)話方便，能夠?qū)崟r(shí)顯示制冷機(jī)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，能夠自動(dòng)記錄壓力、溫度、電流和電壓等參數(shù)，并能夠通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)直線電機(jī)行程控制，采用快速制冷與溫度ＰＩＤ控制相結(jié)合的控制策略實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)冷端溫度的控制。該測(cè)控系統(tǒng)滿足了自由活塞斯特林制冷機(jī)高性價(jià)比要求，其經(jīng)驗(yàn)可以用于其它類似的測(cè)控系統(tǒng)的研制工作。