基于LM331集成电路的液压监测系统的设计与应用

黄智亮

摘 要：液压监测广泛应用于各种工业自控环境，涉及众多行业，用高效、准确的方法采集液压模拟量尤为重要；文章提出了一种基于LM331集成电路和西门子PLC结合的模拟量监测系统：首先简单介绍了集成电路LM331 的结构和特点， 然后重点分析了基于LM331的V/F电路的工作原理、监测系统电路的硬件设计和PLC程序设计；经检验该系统可以实现对各种液压的实时监测， 具有经济、高效、实时、便捷、抗干扰能力强等特点，为液压监测信号采集抗干扰问题提供了解决方案。

关键词：液压监测；CPU226；LM331；高速计数器；V/F变换

引言

液压传感器是工业液压监测中最为常用的一种传感器，能将液体压力信号转换为直流4～20mA或直流0～10V电信号输出，在工业自动控制中通常配合专用模拟量输入模块应用于可编程序控制系统（PLC）。然而模拟量信号在传输过程中容易受到数字量信号、交流输入信号、外部强干扰源等的干扰，模拟量受干扰已经成为了自动控制系统的一个难题。基于此笔者提出了一种基于LM331集成电路的液压监测系统，将液压传感器输出电压信号转换为高速脉冲的数字量信号输出到PLC，既能够实现液压的实时检测，同时有效地解决模拟量抗干扰问题。

1 LM331集成电路简介

LM331是美国NS公司生产的性价比较高的集成芯片，是一种非常理想的精密电压/频率转换器，可用于制作简洁、低成本的模数转换器。当作为压/频转换器使用时，LM331输出脉冲链的频率精确度与输入端施加的电压成比例变化，体现了压/频转换器的特有的优势，可轻松应用于所有的标准压/频转换场合。LM331为双列直插式8引脚的芯片，结构框图如图1所示。

LM331各引脚功能如下：管脚1是脉冲电流输出端，内部相当于脉冲恒流源；管脚2是用于调节输出端脉冲电流幅度；管脚3是脉冲电压输出端OC门结构，输出脉冲宽度Tw；管脚7是提供给比较器的基准电压；管脚8是工作电压范围为4～40V的电源Vcc。LM331集成电路线性度好、外接电路简单、非线性失真小、变换精度高，数字分辨率可达12位，并且容易保证转换精度。

2 液压监测系统架构

为了提高模拟量的抗干扰能力和节约成本，本液压监测系统使用基于LM331的V/F变换电路作为模拟量采集电路。液压传感器将接受到的压力信号转换为0～10V的直流电压信号，直流电压信号再通过V/F变换电路变换为脉冲信号，PLC接受到脉冲信号后，经过运算处理可采集到液压的实时数据，系统架构框图如图2所示，考虑到所选用的PLC有6组高速计数器，系统最大可同时采集6组液压数据，每一组数据都是脉冲信号，可以远距离传输而不受干扰。

3 液压监测系统硬件设计

液压监测系统需使用电压/频率转换器进行采样，为了节约成本，在不牺牲采样精度的条件下，本系统使用了V/F转换器LM331集成电路芯片组成的A/D转换电路.V/F转换器LM331芯片能够把电压信号转换为频率信号，而且线性度好，经过PLC处理，把频率信号转换为数字信号，可以完成A/D转换。它具有接线简单，价格低廉，转换精度高、使用方便等特点。

3.1 模拟量采集电路设计

系统模拟量采集电路设计为压频转换电路，如图3所示，LM331采用单电源供电，电源电压Vcc为15V，模拟信号Vin的输入范围为0V～10V，模拟信号Vin通过LM331芯片进行V/F转换后，变成与电压成正比的频率信号fout=（VIN/20.9V）×（RS/RL）×1/RtCt，fout端输出的频率信号送到PLC的计数端口，PLC对频率信号进行采集、处理、存储。从而实现模拟信号到数字信号的转换。

在电源与第7脚之间连接有电阻RIN为100k？赘，因此第7脚的偏置电流将抵消第6脚失调电流所起的作用，用于减少频率偏移。连接在第2脚的电阻RS由12k？赘的固定电阻和5k？赘电位器组成，用于调整LM331的增益偏差及Rt、RL和Ct的偏差。电容CIN作为VIN的滤波器取值为0.1uF，连接在第7脚和地之间，输出比较器较高的线性度取决于电路中47k？赘的电阻和1uF的电容CL产生的

差效果。电路所有的元器件都选用温度系数低，参数稳定的元器件，如金属膜电阻和陶瓷NPO电容等，能使模拟信号采集得到最佳效果。

3.2 PLC信号采集电路设计

本系统选择的PLC是西门子S7-200系列PLC中的典型产品CPU226，其集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至256路数字量I/O点或64路模拟量I/O点。24K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

液压传感器模拟量信号通过V/F变换电路处理后输出脉冲信号是数字量，本系统设计利用西门子CPU226高速计数器的输入点I0.0～I0.5直接采集V/F变换电路的输出脉冲信号，进而用CPU226程序对信号进行处理，信号采集电路如图4所示，能较好地解决模拟量在电磁环境下易受干扰的问题。

4 系统程序设计

本系统选用的可编程序控制器CPU226有HSC0-HSC5共6个高速计数器，本系统设计将V/F变换电路的输出脉冲信号送入高速计数器HSC1的输入端，用于累计脉冲数，，控制高速计数器累计脉冲的时间通过设置定时中断的间隔时间来实现，根据累计脉冲数与预置的间隔时间，计算出被测模拟量值。

以液位测量为例子，首先把液位设定在100mm，读取每100MS的脉冲数H1，再把液位设定在200mm，读取每100MS的脉冲数H2，通过公式计算可以求得每mm对应的脉冲数X=主程序在第一个扫描周期调用初始化子程序SBR0，仅在第一个扫描周期标志位SM01=1。由子程序SBR0实现初始化。

要使高速计数器能正常工作，设置正确的参数是关键。首先要激活HSC1，设置正方向计数，可更新预置值（PV），可更新当前值（CV），把高速计数器HSC1的控制字节MB47置为16进制数FC。采集信号的高速计数器不需复位或启動输入，也没有外部的方向选择，因此用定义指令HDEF设置成工作模式0。然后将定时中断0间隔时间SMB34置为100ms，中断程序0分配给定时中断0，并允许中断，当前值SMD48复位为0，预置值SMD52置为FFFF（16进制）。最后用指令HSC1启动高速计数器，每100ms调用一次中断程序0，读出高速计数器的数值后，将其置零，通过HSC1计数值及变换关系来求被测的液位值。

5 结束语

基于LM331集成电路的液压监测系统运用LM331实现A/D转换，具有电路简单、测量精度高、抗干扰性强，运行可靠并且转换位数可调的特点，能够实现对液压进行实时检测，可以节省大量的成本， 因此在液压监测中具有广泛的应用前景。当然， 基于LM331集成电路的液压监测系统只是液压监测系统的一种， 使用者可以根据现场环境、精度的要求和成本的控制来选择合适的液压监测系统。

参考文献

[1]廖常初.S7-200 PLC编程及应用[M].机械工业出版社，2014.

[2]林俊，章兢，佘致廷.利用S7-200PLC的高速计数器进行数据采集[J].现代电子技术，2004，27（8）：104-106.

[3]赫飞，汪玉凤，刘雨刚，等.LM331在A/D转换电路中的应用[J].微计算机信息，2004（11）：116-117.

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