基于AVR單片機的實驗加載閉環(huán)控制系統(tǒng)

摘要：針對科研實驗中對拉壓千斤頂加栽過程控制的需要，采用ATmega128單片機控制步進電機進而實現(xiàn)對執(zhí)行系統(tǒng)的電動泵站實行自動控制。對力和位移的數(shù)據(jù)采集與處理及用步進電機控制電動泵站手柄的技術細節(jié)作了重點描述。通過單片機的A／D變換器對AMP放大模塊采集的電橋信號作量化處理，千斤頂?shù)牟倏厥直恢靡离妱佑捅瞄y門開啟的方向和大小作若干定位，單片機根據(jù)力或位移傳感器信號，實時控制步進電機驅(qū)動手柄旋轉(zhuǎn)到相應探控位置。
關鍵詞：電動油泵；千斤頂；傳感器；AVR單片機；A／D變換；串口通信；VB編程

    分離式液壓千斤頂在生產(chǎn)建設、科學實驗等各類工程結構加載工作中具有廣泛的用途。
    該設備一般由電動高壓油泵+壓(拉)千斤頂組成，本文論及的加載系統(tǒng)規(guī)格如表1所示。

    油泵電機直接帶動泵軸旋轉(zhuǎn)，柱塞作往復運動，進油閥／排油閥工作，液壓油通過高壓油管進入千斤頂。用戶可通過泵站上的手柄，人工轉(zhuǎn)動泵內(nèi)卸荷閥處于不同位置，實現(xiàn)系統(tǒng)的加載／卸載、推力／拉力及加載速率和穩(wěn)壓作業(yè)。
    在對力和位移數(shù)值或穩(wěn)壓時間等精度要求較高的科研實驗加載場合，顯然這種僅靠手工操作的方式難以勝任。給該設備增設電腦測控系統(tǒng)就成為一項與時俱進的技術革新，也是提高此類設備性價比的最佳方案。

1 下位機
    由ATmega128構成下位機控制核心(見圖1)，其主要是對各通道放大模塊傳入的工作信號進行A／D變換，并根據(jù)上位機的指令驅(qū)動步進電機，達到控制執(zhí)行系統(tǒng)的工作目的。

1．1 數(shù)據(jù)采集
    力和位移信號的測試由電阻應變計組成的電橋傳感器完成，信號放大器采用AMP1型放大模塊。此兩者間的適當匹配對單片機能否順利執(zhí)行數(shù)據(jù)采集工作至關重要。技術關鍵是對電橋平衡的調(diào)控。信號進入單片機后，若有少量的偏移電壓可通過軟件作些補償，若偏移量過大會造成此通道無法工作。因此有必要在放大模塊的前端，用電位器把偏移較大的模擬信號調(diào)整過來。調(diào)零電路如圖2所示。

1．2 設備控制
    油泵手柄的轉(zhuǎn)動，以電動替代手動是設備控制的技術關鍵。把手柄板固定在轉(zhuǎn)軸上，板上布置若干位置電極點，用步進電機加齒輪傳動可以解決感知和移動手柄位置的問題，如圖3所示。

    單片機Mega128的PWM、時鐘和正反轉(zhuǎn)信號，通過光耦進入L297，產(chǎn)生相序信號，經(jīng)由L298N的全橋驅(qū)動，使得步進電機按單片機控制帶動齒輪一起轉(zhuǎn)動。驅(qū)動步進電機電路圖如圖4所示。

1．3 A／D及串口通信
    在串口0初始化編程中，ICCAVR用代碼UCSROB=(1<<RXCIE0)|(1<<RXEN0)|(1<<TXEN0)，將其設定為允許發(fā)／收，并使能接收完成中斷，這樣當A／D變換完成后，向串口0發(fā)送數(shù)據(jù)：


2 上位機編程
    上位機用VB編程。主要有窗體布局，數(shù)據(jù)通信和處理，穩(wěn)壓功能等。
2．1 窗體布局
    考慮到實際應用的需要，在作上位機設計時，系統(tǒng)窗體界面布局盡量做到簡單、直觀，一目了然。在編程中特別突出參數(shù)標定過程和測試數(shù)據(jù)與大型應用軟件的無縫鏈接。如圖5所示。

2．2 數(shù)據(jù)通信和處理
    對通信控件MSComm設置：
   
    由于InByte()為動態(tài)數(shù)組，其中InByte(0)=1和InByte(3)=2定為力和位移兩組數(shù)據(jù)編號。為防意外引起上／下位機數(shù)據(jù)不同步，對下位機發(fā)送到接收緩沖器的數(shù)據(jù)必須再確認：
 
    這6個字節(jié)為兩組數(shù)據(jù)：

    對于監(jiān)控數(shù)據(jù)。若等于或大于上限值，手柄回到3#位(停／穩(wěn)壓)。為防傳感器數(shù)據(jù)在臨界點附近徘徊，導致數(shù)據(jù)不穩(wěn)．編程時應考慮跳出黏著。
    利用電腦系統(tǒng)時鐘實現(xiàn)穩(wěn)壓延時功能。
   
   

3 結束語
    AVR單片機的內(nèi)設10位ADC功能使得下位機的A／D變換電路設計和調(diào)試變得簡單易行。增加電橋調(diào)零電路后AMP1放大模塊才有較寬調(diào)節(jié)范圍。實際使用中由于各廠家液壓系統(tǒng)內(nèi)部構造及制作工藝的差別，按全自動手柄板定位控制欠佳時，可由單片機I／O端口直接控制固態(tài)繼電器，繼而控制油泵電機。同樣可以獲取較好的工作效果。