基于C8051F120的水泵全性能测试系统的研究

张忠义

（西安理工大学 材料学院，西安 710048）

0 引言

水泵全性能测试是在研究、试制和生产中必不可少的环节。有的采用的是耗时、费力且精度低的旧式试验方法，例如人工读数和人工计算，存在更多的人为因素。现阶段，国内水泵智能测控系统尽管比较成熟，大多仍存在系统庞大、接口复杂和价格偏高等问题。我们研制具有简单结构，性能可靠，价格便宜的，基于C8051F120的水泵全性能测试系统，可以满足广大中小水泵厂家水泵智能化测试的需求。此系统通过对吸程、压程、流量、转矩和转速五个水泵的原始量的同时自动采样，并根据对GB/T3216—2005进行分析测试的数据，最终打印输出曲线和彩色试验报表。

1 C8051F120的性能与特点

C8051F系列单片机是一种能与MCS—51 内核及指令集完全兼容的微控制器，是集成的混合信号片上系统SOC(System on chip)。具有标准8051 的数字外设部件，同时片内集成数据采集和控制系统中常用的模拟部件。具有集成度高、体积小、功能多、配置容易和使用方便等特点，在很多领域被广泛使用。本文所讨论的就是以该系列中C8051F120单片机为核心的水泵全性能测试系统，具有体积小、可靠性高的特点，可以在水泵全性能测试系统间实现数据交换与存储，为水泵全性能测试系统的小型化和模块化的实现提供了一种途径。

图1 系统组成图

2 系统组成

主要的系统的组成如下：1）转矩转速传感器；2）流量传感器；3）吸、压程传感器；4）信号预处理接口板；5）键盘；6）C8051F120处理器；7）打印机；8）显示器。

3 软件结构

系统软件主框图如图2所示。

系统软件设计的主要目标：

操作便捷、功能全面和处理数据准确。

系统的主要特点：

1）具有自动校零的功能；

图2 系统软件主框图

2）可以分析结论数据；

3）数据处理可由人工和人机混合完成；

4）为方便远距离操作，增加了大字符显示功能；

5）可显示并打印全部测试值、计算值和结论数据，并绘制出曲线。

主菜单模块、显示模块、采样模块、数据分析处理模块、数据输入模块和表格打印曲线绘制这六大模块是程序模块化设计的主要内容。将程序用C语言编写，输入的参数、原始数据、计算值和结论数据并存入FLASH存储器中，因此数据在失电后也不会丢失。

4 软硬件设计分析

在软硬件的设计中，作为测试系统，经常会遇到各种各样的问题。本节详细讨论了以下两点内容。

4.1 周期法测频率信号

在一般的频率信号测量中都存在±1个脉冲的误差，频率越低的信号，采样的时间越长，越容易存在较大的误差。例如当水泵中的流量只有几十赫兹频率的涡轮输出，采样时间为1秒时，采样误差就高达百分之几。可通过整周期法测频率来消除±1个脉冲误差，图3是电路原理图。

图3 电路原理图

在图3中A对应的输入脉冲， D对应的是控制脚，B对应于整周期信号，时基计数器测出准确的计数时间是t，由此可以得出输入信号的频率。这里主要的测量误差是时基计数误差，当具有较高的时基信号频率时（Φ=1MHz），误差较小，只有正负百万分之一。

在本水泵测试系统中所有原始量的输入信号最终都变换为频率信号，软件中转矩、吸程、压程和孔板流量的采样时间均为160ms，流量（涡轮）采样时间为400ms，采样一次5个原始量的最长时间是1秒。图4所示的是采样程序流程。

图4 采样程序流程图

4.2 主要结论数据数学模型的研究

在水泵测试中，测试的原始数据依据国标GB3216-89处理，得到的结论数据能反映水泵综合性能。

4.2.1 Q～η曲线的获得

Q～H（流量～扬程）和Q～P（流量～效率）曲线可通过采用三次多项式最小二乘法拟合，如果也用此方法拟合Q～η（流量～效率）曲线，由于只有很少的零流量点附近的试验，且不符合三次拟合曲线趋势，因此效率曲线会出现不过零的现象。比较好的Q～η曲线可通过计算的方法获得。

Q～H拟合方程式为：

Q～P拟合方程式为：

通过对测试计算值进行三次多项式拟合，可得到上式(1)和(2)中的系数ai和bi。

水泵效率的计算公式是：

Q～η拟合的方程式可以推出：η (Q)=[Q×H(Q)]/[102×P(Q)]也就是：

4.2.2 求解扬程差△H、流量差△Q

1）规定点扬程Hsp与Q～H曲线上规定点流量Qsp所对应的扬程之差值，这是扬程差，其表达式是：

可通过（1）式计算得到上式中H（Qsp）；

2）规定点流量Qsp与Q～H曲线上规定扬程Hsp所对应的流量f-1（Hsp）的差值，这是流量差，其表达式是：

上式中的f-1（Hsp）可通过求解H（Q）函数的反函数得到。最终的解用迭代法求出，设初始值为Qsp，由（1）式可以推出下面方程式：

当| Qn+1-Qn|＜Qsp×0.1% (0.1%指迭代精度)时，迭代计算完毕。求得此时的f-1（Hsp）值：

4.2.3 效率分析

通过规定性能点QspHsp和QH坐标轴原点的直线与Q～H曲线的交点所确定的性能点，是规定效率。根据对应的横坐标在Q～η曲线上的交点得出规定效率。

上述QspHsp点和QH坐标轴原点的直线方程是：

交点流量是其交点所确定的性能点，设为Qx，下列联立方程求出的解便是Qx。

设初始值为Qsp，其解用迭代法求得，代入下列方程：

当| Qn+1-Qn|＜Qsp×0.1%时，得Qx，在方程式（3）中代入Qx，交点效率ηx可计算出，同样，在方程式（1）和（2）分别代入Qx，交点轴功率Px和交点扬程Hx可求出。

5 结论

经过测试和专家的论证的基于C8051F120的水泵全性能测试系统，完全满足GB/T3216—2005《回转动力泵水力性能验收实验》标准，该系统性能稳定、操作灵活，经用户的多年实验证明，达到了我们预期的设计目标。

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