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脹管機(jī)是針對(duì)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(shè)計(jì)開發(fā)的一種專用設(shè)備。其控制器的基本原理是用驅(qū)動(dòng)電機(jī)(又稱驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、脹管機(jī)頭)的工作電流來標(biāo)定所加載的負(fù)荷，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)在一定的工作電流值下，提供相當(dāng)數(shù)量的扭矩，而與之相當(dāng)數(shù)量的扭矩可以通過旋轉(zhuǎn)脹管器產(chǎn)生一定的膨脹量(脹力)，它是可以被測(cè)量的。因此，通過精確測(cè)量并控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)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(chǎng)上大多數(shù)的脹管機(jī)采用51單片機(jī)，但其缺點(diǎn)比較突出。如內(nèi)部無(wú)存儲(chǔ)器，必需外接Flash或EPROM存儲(chǔ)設(shè)置信息，這就導(dǎo)致電路比較復(fù)雜，不利于擴(kuò)展，且工作電壓范圍較窄，抗干擾能力較差。而采用MSP430F149單片機(jī)的脹管機(jī)可以有效克服這些缺點(diǎn)。 1 工作原理 圖l為系統(tǒng)的整體框圖。通過框圖來分析脹管機(jī)的工作過程：上電后，手動(dòng)開關(guān)按下，這時(shí)手動(dòng)檢測(cè)電路會(huì)檢測(cè)到開啟信號(hào)，并通過光電隔離(隔置強(qiáng)電流)送入單片機(jī)；此時(shí)交流電通過電流互感器把交流加在負(fù)載上，并通過整流濾波電路把交流變成直流，經(jīng)過延時(shí)電路延遲一段時(shí)間以便避開電機(jī)的啟動(dòng)電流，再經(jīng)過放大處理，把電流信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并處理；同時(shí)繼電器控制主開關(guān)M-SW打開，電機(jī)啟動(dòng)，面板上顯示設(shè)置的電流值和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電流實(shí)時(shí)值：當(dāng)實(shí)際電流以檢測(cè)電流為基準(zhǔn)發(fā)生變化時(shí)，單片機(jī)通過繼電器控制換向開關(guān)D-SW換向進(jìn)行脹管或退脹操作。同時(shí)，指示燈可以顯示脹管機(jī)的工作狀態(tài)。按鍵可以設(shè)置脹力，選用電機(jī)的3種不同功率檔位。在電機(jī)空載的情況下，手動(dòng)開關(guān)按下后，主開關(guān)打開，轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)采集的電流信號(hào)送入單片機(jī)。經(jīng)過大約6 s，單片機(jī)把其測(cè)得的空轉(zhuǎn)電流平均值顯示出來，此時(shí)主開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)頭停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在設(shè)置脹力時(shí)，脹力設(shè)置值必須大于電機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)的電流值，否則電機(jī)無(wú)法進(jìn)行脹管操作。 2 電路設(shè)計(jì) 220 V交流輸入后，通過穩(wěn)壓模塊持續(xù)輸出穩(wěn)定的+5 V和+12 V的電壓，為線路板的電源提供保證。同時(shí)使用TPS76301將+5 V電壓轉(zhuǎn)換得到+3 V電壓，為單片機(jī)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(shí)電路以及D-SW換向電路提供+12V的電源。 當(dāng)手動(dòng)開關(guān)按下后，電源接通，單片機(jī)采集電流信號(hào)并進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。圖2為A／D信號(hào)采集電路．交流輸入通過電流互感器T1，把交流加在負(fù)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(hào)AA／D且送入前面板，經(jīng)LM358放大處理后得到的電流信號(hào)AA／D1交由單片機(jī)MSP430進(jìn)行采集處理。繼電器K5的0端是與555延時(shí)電路的輸出端相連，并由555延時(shí)電路輸出信號(hào)來控制其工作狀態(tài)。 在脹管機(jī)開啟時(shí)有一個(gè)非常大的瞬間電流，會(huì)導(dǎo)致剛開機(jī)馬上就關(guān)機(jī)，無(wú)法正常啟動(dòng)。因此，需要一個(gè)由555延時(shí)電路組成的避峰電路來避開瞬間的大電流，延遲開機(jī)時(shí)間。圖3為延時(shí)避峰電路，NE555的引腳2(TRIG)在脹管機(jī)開啟時(shí)會(huì)有一個(gè)脈沖，使得引腳3(Q)的電平變?yōu)榈碗娖剑瑘D2中的繼電器K5線圈通電工作，斷開連接，導(dǎo)致單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行信號(hào)采集。同時(shí)，電容開始充電，NE555的引腳7(DIS)內(nèi)部導(dǎo)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(dāng)電壓降到一定程度Q變?yōu)楦唠娖剑_7腳內(nèi)部截止，K5停止工作，信號(hào)采集正常，避免了出現(xiàn)開機(jī)立刻關(guān)機(jī)的現(xiàn)象。 在脹管機(jī)中需要設(shè)計(jì)一個(gè)互鎖電路控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行脹管、退脹操作，互鎖電路如圖4所示。通過單片機(jī)控制A0，A1兩點(diǎn)的電平，使其分別控制M-SW，D-SW電位的高低。當(dāng)A1點(diǎn)被置為低電平時(shí)，光電隔離工作，使得D-SW為高電平，從而Q2導(dǎo)通，L-SW為低，D10(RET-URN)燈亮，即退脹狀態(tài)；若A1點(diǎn)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(tài)。當(dāng)A0點(diǎn)被置為低電平時(shí)，光電隔離觸發(fā)，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(jī)的連接狀態(tài)。因此，通過繼電器實(shí)現(xiàn)電路互鎖，并控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 此外，在雙頭脹管機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了保證兩個(gè)脹管器同時(shí)工作且互相不受影響，增添了由555定時(shí)器及16位雙穩(wěn)態(tài)JK觸發(fā)器74LS76的組合電路，如圖5所示。由圖中可以看出，MODE開關(guān)在每次按下和松開時(shí)，都為HAl7555提供了一個(gè)脈沖信號(hào)，同時(shí)輸出至HD74LS76使得在CHA，CHB2個(gè)指示燈的負(fù)端電平高低按照J(rèn)K觸發(fā)器的規(guī)律變化，于是滿足了在每次MODE開關(guān)進(jìn)行變化時(shí)，雙頭脹管機(jī)的兩邊可以獨(dú)立工作而不受影響。 3 軟件設(shè)計(jì) MSP430的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡(jiǎn)指令集和高透明的宗旨設(shè)計(jì)的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的高效率仿真指令，具有豐富的尋址方式，簡(jiǎn)潔的指令，大量的寄存器以及片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都可以參加多種運(yùn)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(yùn)算能力達(dá)到每秒鐘運(yùn)算100萬(wàn)條指令。這些特點(diǎn)使該系列單片機(jī)采用C語(yǔ)言開發(fā)仍有很高效率，從而可以提高開發(fā)的周期，也可以實(shí)現(xiàn)程序的可移植性。本系統(tǒng)軟件開發(fā)所采用的是MSP430系列單片機(jī)專用的集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench，采用C語(yǔ)言編程。 在該儀器的程序設(shè)計(jì)中，由于在電機(jī)換向的瞬間會(huì)產(chǎn)生大電流的沖擊，須對(duì)換向的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行恰當(dāng)設(shè)置，否則會(huì)對(duì)儀器、電機(jī)乃至操作者造成極大損傷。該儀器的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。 4 電流標(biāo)定及擬合 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，延時(shí)避峰電路延遲時(shí)間T約為1．32 s。表1是實(shí)驗(yàn)所測(cè)得A／D值與電流I值。 根據(jù)表1的數(shù)據(jù)用擬合軟件lstOpt進(jìn)行曲線擬合。并求出擬合公式。圖7是用1stOpt對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得到的曲線，其中一條是實(shí)際曲線，一條是經(jīng)過計(jì)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(cè)定系數(shù)DC=O．999 6l，平均相關(guān)系數(shù)R=0．999 88l；由此可看出曲線擬合的相當(dāng)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(biāo)定出電流I值與A／D值之間的關(guān)系；并可根據(jù)相應(yīng)的A／D值求得對(duì)應(yīng)的I值。 5 結(jié)論 用MSP430單片機(jī)研制的脹管機(jī)成本低，工作電壓范圍寬，擴(kuò)展能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊又大大減少了電路板面積及其他外圍擴(kuò)展器件，使得整套工具體積小，便于使用。該脹管機(jī)可掛接300、400、600 W3種不同功率的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；全數(shù)字顯示設(shè)定值和實(shí)時(shí)值；用按鍵操作進(jìn)行脹力的數(shù)字設(shè)定和調(diào)節(jié)；對(duì)掛載不同功率的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，自動(dòng)提示所允許設(shè)定的最小值和最大值；自動(dòng)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)是否工作正常；操作時(shí)有聲、光提示功能，操作簡(jiǎn)便、直觀、靈活；LED指示工作時(shí)的狀態(tài)；能自動(dòng)記錄和顯示脹管的次數(shù)；具有漏電保護(hù)功能。該脹管機(jī)優(yōu)點(diǎn)突出，在國(guó)內(nèi)多家企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，受到一致好評(píng)。 |
