基于LM331集成電路的液壓監測系統的設計與應用

黃智亮

摘 要：液壓監測廣泛應用于各種工業自控環境，涉及眾多行業，用高效、準確的方法采集液壓模擬量尤為重要；文章提出了一種基于LM331集成電路和西門子PLC結合的模擬量監測系統：首先簡單介紹了集成電路LM331 的結構和特點， 然后重點分析了基于LM331的V/F電路的工作原理、監測系統電路的硬件設計和PLC程序設計；經檢驗該系統可以實現對各種液壓的實時監測， 具有經濟、高效、實時、便捷、抗干擾能力強等特點，為液壓監測信號采集抗干擾問題提供了解決方案。

關鍵詞：液壓監測；CPU226；LM331；高速計數器；V/F變換

引言

液壓傳感器是工業液壓監測中最為常用的一種傳感器，能將液體壓力信號轉換為直流4～20mA或直流0～10V電信號輸出，在工業自動控制中通常配合專用模擬量輸入模塊應用于可編程序控制系統（PLC）。然而模擬量信號在傳輸過程中容易受到數字量信號、交流輸入信號、外部強干擾源等的干擾，模擬量受干擾已經成為了自動控制系統的一個難題。基于此筆者提出了一種基于LM331集成電路的液壓監測系統，將液壓傳感器輸出電壓信號轉換為高速脈沖的數字量信號輸出到PLC，既能夠實現液壓的實時檢測，同時有效地解決模擬量抗干擾問題。

1 LM331集成電路簡介

LM331是美國NS公司生產的性價比較高的集成芯片，是一種非常理想的精密電壓/頻率轉換器，可用于制作簡潔、低成本的模數轉換器。當作為壓/頻轉換器使用時，LM331輸出脈沖鏈的頻率精確度與輸入端施加的電壓成比例變化，體現了壓/頻轉換器的特有的優勢，可輕松應用于所有的標準壓/頻轉換場合。LM331為雙列直插式8引腳的芯片，結構框圖如圖1所示。

LM331各引腳功能如下：管腳1是脈沖電流輸出端，內部相當于脈沖恒流源；管腳2是用于調節輸出端脈沖電流幅度；管腳3是脈沖電壓輸出端OC門結構，輸出脈沖寬度Tw；管腳7是提供給比較器的基準電壓；管腳8是工作電壓范圍為4～40V的電源Vcc。LM331集成電路線性度好、外接電路簡單、非線性失真小、變換精度高，數字分辨率可達12位，并且容易保證轉換精度。

2 液壓監測系統架構

為了提高模擬量的抗干擾能力和節約成本，本液壓監測系統使用基于LM331的V/F變換電路作為模擬量采集電路。液壓傳感器將接受到的壓力信號轉換為0～10V的直流電壓信號，直流電壓信號再通過V/F變換電路變換為脈沖信號，PLC接受到脈沖信號后，經過運算處理可采集到液壓的實時數據，系統架構框圖如圖2所示，考慮到所選用的PLC有6組高速計數器，系統最大可同時采集6組液壓數據，每一組數據都是脈沖信號，可以遠距離傳輸而不受干擾。

3 液壓監測系統硬件設計

液壓監測系統需使用電壓/頻率轉換器進行采樣，為了節約成本，在不犧牲采樣精度的條件下，本系統使用了V/F轉換器LM331集成電路芯片組成的A/D轉換電路.V/F轉換器LM331芯片能夠把電壓信號轉換為頻率信號，而且線性度好，經過PLC處理，把頻率信號轉換為數字信號，可以完成A/D轉換。它具有接線簡單，價格低廉，轉換精度高、使用方便等特點。

3.1 模擬量采集電路設計

系統模擬量采集電路設計為壓頻轉換電路，如圖3所示，LM331采用單電源供電，電源電壓Vcc為15V，模擬信號Vin的輸入范圍為0V～10V，模擬信號Vin通過LM331芯片進行V/F轉換后，變成與電壓成正比的頻率信號fout=（VIN/20.9V）×（RS/RL）×1/RtCt，fout端輸出的頻率信號送到PLC的計數端口，PLC對頻率信號進行采集、處理、存儲。從而實現模擬信號到數字信號的轉換。

在電源與第7腳之間連接有電阻RIN為100k？贅，因此第7腳的偏置電流將抵消第6腳失調電流所起的作用，用于減少頻率偏移。連接在第2腳的電阻RS由12k？贅的固定電阻和5k？贅電位器組成，用于調整LM331的增益偏差及Rt、RL和Ct的偏差。電容CIN作為VIN的濾波器取值為0.1uF，連接在第7腳和地之間，輸出比較器較高的線性度取決于電路中47k？贅的電阻和1uF的電容CL產生的

差效果。電路所有的元器件都選用溫度系數低，參數穩定的元器件，如金屬膜電阻和陶瓷NPO電容等，能使模擬信號采集得到最佳效果。

3.2 PLC信號采集電路設計

本系統選擇的PLC是西門子S7-200系列PLC中的典型產品CPU226，其集成24輸入/16輸出共40個數字量I/O點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至256路數字量I/O點或64路模擬量I/O點。24K字節程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。

液壓傳感器模擬量信號通過V/F變換電路處理后輸出脈沖信號是數字量，本系統設計利用西門子CPU226高速計數器的輸入點I0.0～I0.5直接采集V/F變換電路的輸出脈沖信號，進而用CPU226程序對信號進行處理，信號采集電路如圖4所示，能較好地解決模擬量在電磁環境下易受干擾的問題。

4 系統程序設計

本系統選用的可編程序控制器CPU226有HSC0-HSC5共6個高速計數器，本系統設計將V/F變換電路的輸出脈沖信號送入高速計數器HSC1的輸入端，用于累計脈沖數，，控制高速計數器累計脈沖的時間通過設置定時中斷的間隔時間來實現，根據累計脈沖數與預置的間隔時間，計算出被測模擬量值。

以液位測量為例子，首先把液位設定在100mm，讀取每100MS的脈沖數H1，再把液位設定在200mm，讀取每100MS的脈沖數H2，通過公式計算可以求得每mm對應的脈沖數X=主程序在第一個掃描周期調用初始化子程序SBR0，僅在第一個掃描周期標志位SM01=1。由子程序SBR0實現初始化。

要使高速計數器能正常工作，設置正確的參數是關鍵。首先要激活HSC1，設置正方向計數，可更新預置值（PV），可更新當前值（CV），把高速計數器HSC1的控制字節MB47置為16進制數FC。采集信號的高速計數器不需復位或啟動輸入，也沒有外部的方向選擇，因此用定義指令HDEF設置成工作模式0。然后將定時中斷0間隔時間SMB34置為100ms，中斷程序0分配給定時中斷0，并允許中斷，當前值SMD48復位為0，預置值SMD52置為FFFF（16進制）。最后用指令HSC1啟動高速計數器，每100ms調用一次中斷程序0，讀出高速計數器的數值后，將其置零，通過HSC1計數值及變換關系來求被測的液位值。

5 結束語

基于LM331集成電路的液壓監測系統運用LM331實現A/D轉換，具有電路簡單、測量精度高、抗干擾性強，運行可靠并且轉換位數可調的特點，能夠實現對液壓進行實時檢測，可以節省大量的成本， 因此在液壓監測中具有廣泛的應用前景。當然， 基于LM331集成電路的液壓監測系統只是液壓監測系統的一種， 使用者可以根據現場環境、精度的要求和成本的控制來選擇合適的液壓監測系統。

參考文獻

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