基于Android的便攜式電磁閥性能測試系統設計

羊榮金，陳敏捷，張志紅，朱偉東

(1. 杭州科技職業技術學院機電工程學院，浙江杭州 311402；2.浙江大學機械工程學院，浙江杭州 310027)

0 前言

電磁閥是利用電磁原理進行流體控制的自動化基礎元件，廣泛應用于流體傳動和自動控制系統。電磁閥性能對整個系統的工作性能影響巨大，因此電磁閥性能測試是一項非常重要的工作。目前，電磁閥性能測試主要依靠手工測試或計算機輔助測試系統(Computer Aided Test，CAT)進行。手工測試是利用壓力表、流量計、秒表等讀數后并手工記錄的方法，測試速度慢、精度低且判斷需要依賴大量經驗。CAT是通過計算機、傳感器、采集卡等硬件結合軟件如LabVIEW、匯編語言、C++等開發的一整套數據采集和處理系統，能夠采集、分析和處理壓力、流量、溫度等數據，并實時輸出測試結果。相較于傳統的手工測試方法，CAT更加穩定可靠、高效方便，能較好地實現電磁閥性能測試。但是，電磁閥CAT設備體積大、成本高，便攜性受制約嚴重，且大部分進行的是離線測試，不能很好地進行數據共享。

隨著手機等移動終端的性能飛速提升和數據處理能力增強，將它用于電磁閥性能測試成為可能。本文作者以Android智能手機為數據處理中心，結合傳感器、單片機和藍牙無線通信等技術，設計一套便攜式電磁閥性能測試系統，用于進行直流電磁閥的狀態數據采集、實時顯示、性能測試和數據共享。經過測試，該系統使用方便靈活、測試精度可靠，符合國家電磁閥性能測試標準。

1 系統測試內容及方案設計

1.1 系統測試內容及方法

根據電磁閥性能測試技術要求，該系統可以完成電磁閥的4個主要測試項目，分別為響應測試、壽命測試、密封性測試和電壓特性測試。經過分析比較，選擇如下可靠且有效的測試方法。

(1)響應測試用于測試電磁閥的響應特性，即電磁閥在外部電信號的激勵作用下閥芯位移-時間特性上表現出來的延遲時間，主要有開啟段滯后時間、開啟段響應時間、關閉段滯后時間和關閉段響應時間4個參數。采用根據電磁閥出口壓力變化間接反映電磁閥響應特性的測試法。

(2)壽命測試用于測試電磁閥的動作壽命。該系統循環測試電磁閥進出口壓差，當壓差出現異常時停止測試，記錄下的閥正常換向次數即為電磁閥的動作壽命。

(3)密封性測試用于測試電磁閥單位時間內的流體泄漏量。采用直接壓力法進行測試，即讓被測電磁閥處于關閉狀態，充氣后進行保壓，測得保壓前后閥入口壓力差，根據此差值計算出電磁閥的泄漏量。

(4)電壓特性測試供電電壓特性，包括吸合電壓和釋放電壓。系統改變電磁閥供電電壓并反復完成動作，通過測試閥出口壓力求得電壓特性參數。

1.2 系統方案設計

根據系統測試要求，設計基于Android的便攜式電磁閥性能測試系統。該系統由測試終端和控制終端組成，整體框架如圖1所示。

圖1 系統整體框架

測試終端通過壓力傳感器采集待測電磁閥前后的壓力信號，經單片機分析處理后由藍牙模塊發送給Android手機，同時接收Android手機的控制指令并采用脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)波調制輸出激勵待測電磁閥動作。控制終端為Android手機，能夠接收和保存測試終端傳輸的數據，以文字和圖表的形式實時顯示數據以及進行性能測試。Android手機端還能夠發送控制指令來控制電磁閥動作以便用戶對電磁閥進行操作。Android手機端保存的數據也可以通過互聯網上傳至網絡云平臺以便用戶隨時查詢。

2 系統硬件設計

電磁閥性能測試系統的硬件部分主要包括傳感器模塊、單片機模塊、PWM驅動電路模塊、信號調理模塊、藍牙模塊以及電源模塊，系統測試終端硬件原理如圖2所示。

圖2 測試終端硬件原理

(1)傳感器模塊。采用2個瑞士某公司生產的 511系列壓力傳感器，分別采集待測電磁閥的閥前和閥后壓力值。壓力傳感器量程為0～1.6 MPa，輸出為0～5 V的電壓信號。傳感器輸出的電壓信號經調理、A/D轉換為數字信號后傳輸到單片機中待處理。

(2)單片機模塊。選用STC15W408AS單片機作為測試終端的核心處理器，將采樣頻率設置為1 000 Hz以上可以滿足系統信號采集的需求。通過芯片的2個I/O口P1.2、P1.3讀取信號調理過的來自壓力傳感器的模擬信號，并利用自帶的A/D轉換功能將它轉換為單片機能夠識別的數字信號。通過芯片的I/O口P1.0接PWM驅動電路實現對電磁閥動作的控制。芯片的P3.1 TX口、P3.0 RX口分別與藍牙模塊的RX口、TX口相連，實現與藍牙模塊的串口通信。

(3)PWM驅動電路模塊。驅動電路采用PWM波調制，通過改變PWM波的頻率和占空比控制驅動電路輸出0～24 V的可調電壓，進而控制電磁閥動作。由于STC15W408AS單片機I/O口輸出電壓較小無法直接驅動電磁閥動作，通過2個三極管S9013升壓放大到0～24 V控制電磁閥輸出。

(4)信號調理模塊。采用LM358雙運算放大器作為電壓跟隨器，對來自壓力傳感器的壓力信號起緩沖作用，避免采集的數據受到干擾。

(5)藍牙模塊。采用CC2540無線藍牙模塊，可以便捷地實現單片機與帶藍牙功能的手機、PAD等智能設備之間的通信。CC2540藍牙模塊的P02、P03口與單片機通過串口進行連接。

(6)電源模塊。電磁閥、壓力傳感器和運放LM358均采用24 V直流電源供電，單片機STC15W408AS和藍牙模塊分別采用5、3.3 V直流電源供電，兩者的收發引腳需要進行電壓匹配。通過LM7805產生5 V的單片機工作電壓，通過AMS1117穩壓器產生3.3 V的藍牙工作電壓。

3 系統軟件設計

該系統軟件設計主要包括測試終端軟件設計和控制終端手機APP設計。測試終端和控制終端之間通過藍牙進行信息交互。

3.1 測試終端軟件設計

測試終端軟件設計包括單片機初始化程序、信號采集程序、PWM驅動程序和通信程序等，流程如圖 3所示。

圖3 測試終端程序流程

系統首先進行初始化，主要包括I/O口初始化、串口初始化、定時器初始化等，初始化完成后等待串口中斷。串口中斷就緒后即可接收 Android手機端的指令，調用相應的程序模塊。信號采集程序進行壓力等信號的采集、A/D轉換、存儲及處理等任務。PWM驅動程序控制單片機內部定時器輸出PWM脈沖信號，驅動電磁閥動作。通信程序控制串口初始化，設置藍牙串口的工作方式、數據格式以及波特率等，把處理后的壓力、電壓等數據通過無線藍牙功能發送至Android手機端，并接收來自Android手機端的指令。

3.2 手機APP設計

控制終端手機 APP利用Android Studio軟件進行設計開發，包括用戶界面布局和程序設計兩方面。其中,程序設計包括藍牙通信程序、數據交互程序、數據顯示程序、數據管理程序、響應測試程序、壽命測試程序、密封性測試程序和電壓特性測試程序等，流程如圖 4所示。

圖4 手機APP程序流程

藍牙通信程序實現藍牙搜索、連接、數據傳輸和斷開等功能。數據交互程序通過調用getOutputStream( )函數輸出數據流，用戶通過在手機界面進行手動輸入等人機交互即可發送指令給測試終端；通過調用getInputStream( )函數獲取數據流，接收來自測試終端的信息并最終顯示在手機界面上。數據顯示程序將持續接收的數據實時以文本形式顯示或繪制成數據曲線。數據管理程序實現數據的保存、上傳云端、下載和清除緩存等操作。調用響應測試等4類測試程序可以實現待測電磁閥的相應特性測試。

4 系統驗證

系統軟硬件設計完成后對系統測試終端和控制終端進行綜合驗證。根據JB/T 6378—2008電磁換向閥的測試技術要求，運用該系統對某二位三通電磁閥進行性能測試。如圖5所示，手機APP正常登錄后能夠與測試終端藍牙模塊進行通信，在手機APP界面上可以選擇進行不同的測試項目。

圖5 手機APP界面

以響應測試為例，選擇進入如圖6所示的響應測試設置界面，設置測試壓力為0.4 MPa，測試次數為3次，待測電磁閥動作頻率為1 Hz，占空比為50%。標準值來自待測電磁閥標稱，填寫與否不影響測試結果。單擊“開始測試”按鈕，系統測試終端可以采集待測電磁閥壓力和電壓信息，并以曲線和文本形式實時顯示在如圖6所示的APP數據交互界面。APP可以根據采集的數據信號進行響應測試性能參數計算。此次計算結果分別為：開啟段滯后時間12.6 ms、開啟段響應時間22.4 ms、關閉段滯后時間10.1 ms和關閉段響應時間21.8 ms。

圖6 響應測試設置界面和數據交互界面

在同樣的測試壓力、動作頻率、占空比等測試條件下，分別運用該系統和傳統液壓CAT系統對4類性能測試項目進行測試對比，結果表明測試誤差均在允許范圍內，能夠滿足使用要求。

5 結束語

本文作者設計了一套基于單片機和Android的便攜式電磁閥性能測試系統，能夠實現直流電磁閥的狀態數據采集、實時顯示、性能測試和數據共享。該系統結構簡單、成本低、攜帶方便，并能繼續進行系統的擴展與升級。經過驗證，該系統符合國家電磁閥性能測試標準，并且該系統已獲得相應軟件著作權。相較于傳統液壓CAT系統，該系統能夠獲得的電磁閥測試數據種類和完成的測試項目還較少，在10 kHz及以上高頻采樣階段數據顯示仍具有一定延時性，這些問題還需進一步研究。