基于Android的便携式电磁阀性能测试系统设计

羊荣金，陈敏捷，张志红，朱伟东

(1. 杭州科技职业技术学院机电工程学院，浙江杭州 311402；2.浙江大学机械工程学院，浙江杭州 310027)

0 前言

电磁阀是利用电磁原理进行流体控制的自动化基础元件，广泛应用于流体传动和自动控制系统。电磁阀性能对整个系统的工作性能影响巨大，因此电磁阀性能测试是一项非常重要的工作。目前，电磁阀性能测试主要依靠手工测试或计算机辅助测试系统(Computer Aided Test，CAT)进行。手工测试是利用压力表、流量计、秒表等读数后并手工记录的方法，测试速度慢、精度低且判断需要依赖大量经验。CAT是通过计算机、传感器、采集卡等硬件结合软件如LabVIEW、汇编语言、C++等开发的一整套数据采集和处理系统，能够采集、分析和处理压力、流量、温度等数据，并实时输出测试结果。相较于传统的手工测试方法，CAT更加稳定可靠、高效方便，能较好地实现电磁阀性能测试。但是，电磁阀CAT设备体积大、成本高，便携性受制约严重，且大部分进行的是离线测试，不能很好地进行数据共享。

随着手机等移动终端的性能飞速提升和数据处理能力增强，将它用于电磁阀性能测试成为可能。本文作者以Android智能手机为数据处理中心，结合传感器、单片机和蓝牙无线通信等技术，设计一套便携式电磁阀性能测试系统，用于进行直流电磁阀的状态数据采集、实时显示、性能测试和数据共享。经过测试，该系统使用方便灵活、测试精度可靠，符合国家电磁阀性能测试标准。

1 系统测试内容及方案设计

1.1 系统测试内容及方法

根据电磁阀性能测试技术要求，该系统可以完成电磁阀的4个主要测试项目，分别为响应测试、寿命测试、密封性测试和电压特性测试。经过分析比较，选择如下可靠且有效的测试方法。

(1)响应测试用于测试电磁阀的响应特性，即电磁阀在外部电信号的激励作用下阀芯位移-时间特性上表现出来的延迟时间，主要有开启段滞后时间、开启段响应时间、关闭段滞后时间和关闭段响应时间4个参数。采用根据电磁阀出口压力变化间接反映电磁阀响应特性的测试法。

(2)寿命测试用于测试电磁阀的动作寿命。该系统循环测试电磁阀进出口压差，当压差出现异常时停止测试，记录下的阀正常换向次数即为电磁阀的动作寿命。

(3)密封性测试用于测试电磁阀单位时间内的流体泄漏量。采用直接压力法进行测试，即让被测电磁阀处于关闭状态，充气后进行保压，测得保压前后阀入口压力差，根据此差值计算出电磁阀的泄漏量。

(4)电压特性测试供电电压特性，包括吸合电压和释放电压。系统改变电磁阀供电电压并反复完成动作，通过测试阀出口压力求得电压特性参数。

1.2 系统方案设计

根据系统测试要求，设计基于Android的便携式电磁阀性能测试系统。该系统由测试终端和控制终端组成，整体框架如图1所示。

图1 系统整体框架

测试终端通过压力传感器采集待测电磁阀前后的压力信号，经单片机分析处理后由蓝牙模块发送给Android手机，同时接收Android手机的控制指令并采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)波调制输出激励待测电磁阀动作。控制终端为Android手机，能够接收和保存测试终端传输的数据，以文字和图表的形式实时显示数据以及进行性能测试。Android手机端还能够发送控制指令来控制电磁阀动作以便用户对电磁阀进行操作。Android手机端保存的数据也可以通过互联网上传至网络云平台以便用户随时查询。

2 系统硬件设计

电磁阀性能测试系统的硬件部分主要包括传感器模块、单片机模块、PWM驱动电路模块、信号调理模块、蓝牙模块以及电源模块，系统测试终端硬件原理如图2所示。

图2 测试终端硬件原理

(1)传感器模块。采用2个瑞士某公司生产的 511系列压力传感器，分别采集待测电磁阀的阀前和阀后压力值。压力传感器量程为0～1.6 MPa，输出为0～5 V的电压信号。传感器输出的电压信号经调理、A/D转换为数字信号后传输到单片机中待处理。

(2)单片机模块。选用STC15W408AS单片机作为测试终端的核心处理器，将采样频率设置为1 000 Hz以上可以满足系统信号采集的需求。通过芯片的2个I/O口P1.2、P1.3读取信号调理过的来自压力传感器的模拟信号，并利用自带的A/D转换功能将它转换为单片机能够识别的数字信号。通过芯片的I/O口P1.0接PWM驱动电路实现对电磁阀动作的控制。芯片的P3.1 TX口、P3.0 RX口分别与蓝牙模块的RX口、TX口相连，实现与蓝牙模块的串口通信。

(3)PWM驱动电路模块。驱动电路采用PWM波调制，通过改变PWM波的频率和占空比控制驱动电路输出0～24 V的可调电压，进而控制电磁阀动作。由于STC15W408AS单片机I/O口输出电压较小无法直接驱动电磁阀动作，通过2个三极管S9013升压放大到0～24 V控制电磁阀输出。

(4)信号调理模块。采用LM358双运算放大器作为电压跟随器，对来自压力传感器的压力信号起缓冲作用，避免采集的数据受到干扰。

(5)蓝牙模块。采用CC2540无线蓝牙模块，可以便捷地实现单片机与带蓝牙功能的手机、PAD等智能设备之间的通信。CC2540蓝牙模块的P02、P03口与单片机通过串口进行连接。

(6)电源模块。电磁阀、压力传感器和运放LM358均采用24 V直流电源供电，单片机STC15W408AS和蓝牙模块分别采用5、3.3 V直流电源供电，两者的收发引脚需要进行电压匹配。通过LM7805产生5 V的单片机工作电压，通过AMS1117稳压器产生3.3 V的蓝牙工作电压。

3 系统软件设计

该系统软件设计主要包括测试终端软件设计和控制终端手机APP设计。测试终端和控制终端之间通过蓝牙进行信息交互。

3.1 测试终端软件设计

测试终端软件设计包括单片机初始化程序、信号采集程序、PWM驱动程序和通信程序等，流程如图 3所示。

图3 测试终端程序流程

系统首先进行初始化，主要包括I/O口初始化、串口初始化、定时器初始化等，初始化完成后等待串口中断。串口中断就绪后即可接收 Android手机端的指令，调用相应的程序模块。信号采集程序进行压力等信号的采集、A/D转换、存储及处理等任务。PWM驱动程序控制单片机内部定时器输出PWM脉冲信号，驱动电磁阀动作。通信程序控制串口初始化，设置蓝牙串口的工作方式、数据格式以及波特率等，把处理后的压力、电压等数据通过无线蓝牙功能发送至Android手机端，并接收来自Android手机端的指令。

3.2 手机APP设计

控制终端手机 APP利用Android Studio软件进行设计开发，包括用户界面布局和程序设计两方面。其中,程序设计包括蓝牙通信程序、数据交互程序、数据显示程序、数据管理程序、响应测试程序、寿命测试程序、密封性测试程序和电压特性测试程序等，流程如图 4所示。

图4 手机APP程序流程

蓝牙通信程序实现蓝牙搜索、连接、数据传输和断开等功能。数据交互程序通过调用getOutputStream( )函数输出数据流，用户通过在手机界面进行手动输入等人机交互即可发送指令给测试终端；通过调用getInputStream( )函数获取数据流，接收来自测试终端的信息并最终显示在手机界面上。数据显示程序将持续接收的数据实时以文本形式显示或绘制成数据曲线。数据管理程序实现数据的保存、上传云端、下载和清除缓存等操作。调用响应测试等4类测试程序可以实现待测电磁阀的相应特性测试。

4 系统验证

系统软硬件设计完成后对系统测试终端和控制终端进行综合验证。根据JB/T 6378—2008电磁换向阀的测试技术要求，运用该系统对某二位三通电磁阀进行性能测试。如图5所示，手机APP正常登录后能够与测试终端蓝牙模块进行通信，在手机APP界面上可以选择进行不同的测试项目。

图5 手机APP界面

以响应测试为例，选择进入如图6所示的响应测试设置界面，设置测试压力为0.4 MPa，测试次数为3次，待测电磁阀动作频率为1 Hz，占空比为50%。标准值来自待测电磁阀标称，填写与否不影响测试结果。单击“开始测试”按钮，系统测试终端可以采集待测电磁阀压力和电压信息，并以曲线和文本形式实时显示在如图6所示的APP数据交互界面。APP可以根据采集的数据信号进行响应测试性能参数计算。此次计算结果分别为：开启段滞后时间12.6 ms、开启段响应时间22.4 ms、关闭段滞后时间10.1 ms和关闭段响应时间21.8 ms。

图6 响应测试设置界面和数据交互界面

在同样的测试压力、动作频率、占空比等测试条件下，分别运用该系统和传统液压CAT系统对4类性能测试项目进行测试对比，结果表明测试误差均在允许范围内，能够满足使用要求。

5 结束语

本文作者设计了一套基于单片机和Android的便携式电磁阀性能测试系统，能够实现直流电磁阀的状态数据采集、实时显示、性能测试和数据共享。该系统结构简单、成本低、携带方便，并能继续进行系统的扩展与升级。经过验证，该系统符合国家电磁阀性能测试标准，并且该系统已获得相应软件著作权。相较于传统液压CAT系统，该系统能够获得的电磁阀测试数据种类和完成的测试项目还较少，在10 kHz及以上高频采样阶段数据显示仍具有一定延时性，这些问题还需进一步研究。