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脹管機是針對冷凝器、冷油器、加熱器、換熱器中各類管材與管板脹接需要而設計開發的一種專用設備。其控制器的基本原理是用驅動電機(又稱驅動馬達、脹管機頭)的工作電流來標定所加載的負荷，即驅動電機在一定的工作電流值下，提供相當數量的扭矩，而與之相當數量的扭矩可以通過旋轉脹管器產生一定的膨脹量(脹力)，它是可以被測量的。因此，通過精確測量并控制驅動馬達的工作電流值，就可獲得并控制所需要的膨脹量(脹力)。 目前，市場上大多數的脹管機采用51單片機，但其缺點比較突出。如內部無存儲器，必需外接Flash或EPROM存儲設置信息，這就導致電路比較復雜，不利于擴展，且工作電壓范圍較窄，抗干擾能力較差。而采用MSP430F149單片機的脹管機可以有效克服這些缺點。 1 工作原理 圖l為系統的整體框圖。通過框圖來分析脹管機的工作過程：上電后，手動開關按下，這時手動檢測電路會檢測到開啟信號，并通過光電隔離(隔置強電流)送入單片機；此時交流電通過電流互感器把交流加在負載上，并通過整流濾波電路把交流變成直流，經過延時電路延遲一段時間以便避開電機的啟動電流，再經過放大處理，把電流信號輸入單片機進行A／D轉換并處理；同時繼電器控制主開關M-SW打開，電機啟動，面板上顯示設置的電流值和電機轉動的電流實時值：當實際電流以檢測電流為基準發生變化時，單片機通過繼電器控制換向開關D-SW換向進行脹管或退脹操作。同時，指示燈可以顯示脹管機的工作狀態。按鍵可以設置脹力，選用電機的3種不同功率檔位。在電機空載的情況下，手動開關按下后，主開關打開，轉頭轉動，此時采集的電流信號送入單片機。經過大約6 s，單片機把其測得的空轉電流平均值顯示出來，此時主開關斷開，轉頭停止轉動。在設置脹力時，脹力設置值必須大于電機空轉時的電流值，否則電機無法進行脹管操作。 2 電路設計 220 V交流輸入后，通過穩壓模塊持續輸出穩定的+5 V和+12 V的電壓，為線路板的電源提供保證。同時使用TPS76301將+5 V電壓轉換得到+3 V電壓，為單片機供電。220 V的交流電通過光電隔離分別為控制A／D采集的繼電器555延時電路以及D-SW換向電路提供+12V的電源。 當手動開關按下后，電源接通，單片機采集電流信號并進行A／D轉換。圖2為A／D信號采集電路．交流輸入通過電流互感器T1，把交流加在負載上，并通過整流濾波電路變成直流，由繼電器K5控制輸出電流信號AA／D且送入前面板，經LM358放大處理后得到的電流信號AA／D1交由單片機MSP430進行采集處理。繼電器K5的0端是與555延時電路的輸出端相連，并由555延時電路輸出信號來控制其工作狀態。 在脹管機開啟時有一個非常大的瞬間電流，會導致剛開機馬上就關機，無法正常啟動。因此，需要一個由555延時電路組成的避峰電路來避開瞬間的大電流，延遲開機時間。圖3為延時避峰電路，NE555的引腳2(TRIG)在脹管機開啟時會有一個脈沖，使得引腳3(Q)的電平變為低電平，圖2中的繼電器K5線圈通電工作，斷開連接，導致單片機無法進行信號采集。同時，電容開始充電，NE555的引腳7(DIS)內部導通。脈沖過后，電容通過引腳7開始放電，TRIG和THR的電壓開始降低，當電壓降到一定程度Q變為高電平，引腳7腳內部截止，K5停止工作，信號采集正常，避免了出現開機立刻關機的現象。 在脹管機中需要設計一個互鎖電路控制電機的運行狀態，進行脹管、退脹操作，互鎖電路如圖4所示。通過單片機控制A0，A1兩點的電平，使其分別控制M-SW，D-SW電位的高低。當A1點被置為低電平時，光電隔離工作，使得D-SW為高電平，從而Q2導通，L-SW為低，D10(RET-URN)燈亮，即退脹狀態；若A1點被置為高電平，則D-SW被置低，K3繼電器的線圈工作，使得L-SW為高，因此退脹燈熄滅，此為脹管狀態。當A0點被置為低電平時，光電隔離觸發，使得M-SW為高電平，從而Q1集電極與地相通，則繼電器K1線圈通電開始工作，并由此斷開輸入與電機的連接狀態。因此，通過繼電器實現電路互鎖，并控制電機的運行狀態。 此外，在雙頭脹管機的設計中，為了保證兩個脹管器同時工作且互相不受影響，增添了由555定時器及16位雙穩態JK觸發器74LS76的組合電路，如圖5所示。由圖中可以看出，MODE開關在每次按下和松開時，都為HAl7555提供了一個脈沖信號，同時輸出至HD74LS76使得在CHA，CHB2個指示燈的負端電平高低按照JK觸發器的規律變化，于是滿足了在每次MODE開關進行變化時，雙頭脹管機的兩邊可以獨立工作而不受影響。 3 軟件設計 MSP430的內核CPU結構是按照精簡指令集和高透明的宗旨設計的，使用的指令有硬件執行的內核和基于現有硬件結構的高效率仿真指令，具有豐富的尋址方式，簡潔的指令，大量的寄存器以及片內的數據存儲都可以參加多種運算，具有高效的查表處理方法和較高的處理速度，在8 MHz晶體下運算能力達到每秒鐘運算100萬條指令。這些特點使該系列單片機采用C語言開發仍有很高效率，從而可以提高開發的周期，也可以實現程序的可移植性。本系統軟件開發所采用的是MSP430系列單片機專用的集成開發環境IAR Embedded Workbench，采用C語言編程。 在該儀器的程序設計中，由于在電機換向的瞬間會產生大電流的沖擊，須對換向的延時時間進行恰當設置，否則會對儀器、電機乃至操作者造成極大損傷。該儀器的軟件設計流程如圖6所示。 4 電流標定及擬合 經過實驗測定，延時避峰電路延遲時間T約為1．32 s。表1是實驗所測得A／D值與電流I值。 根據表1的數據用擬合軟件lstOpt進行曲線擬合。并求出擬合公式。圖7是用1stOpt對數據進行曲線擬合得到的曲線，其中一條是實際曲線，一條是經過計算得到的擬合曲線。其均方根誤差RMSE=0．040 73，平方和誤差SSE=0．119 45，測定系數DC=O．999 6l，平均相關系數R=0．999 88l；由此可看出曲線擬合的相當好，擬合程度高。 通過1stOpt得到的擬合公式為： 其中：y為電流I，x為A／D值，p1=-10．630 343 410 453 1，p2=1．745 270 764 713 4，p3=-O．104 720 964 439 341，p4=0．003 091 662 786 520 87．p5=-4．382 000 357 851 88x10-5，p6=2．41932l 657 545 33x10-7。 此擬合公式標定出電流I值與A／D值之間的關系；并可根據相應的A／D值求得對應的I值。 5 結論 用MSP430單片機研制的脹管機成本低，工作電壓范圍寬，擴展能力強，抗干擾能力強。同時，單片機內部的模數轉換模塊又大大減少了電路板面積及其他外圍擴展器件，使得整套工具體積小，便于使用。該脹管機可掛接300、400、600 W3種不同功率的驅動電機；全數字顯示設定值和實時值；用按鍵操作進行脹力的數字設定和調節；對掛載不同功率的驅動電機，自動提示所允許設定的最小值和最大值；自動檢測驅動電機是否工作正常；操作時有聲、光提示功能，操作簡便、直觀、靈活；LED指示工作時的狀態；能自動記錄和顯示脹管的次數；具有漏電保護功能。該脹管機優點突出，在國內多家企業得到了廣泛的應用，受到一致好評。 |
