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(shè)計開發(fā)的一種專用設(shè)備。其控制器的基本原理是用驅(qū)動電機(又稱驅(qū)動馬達、脹管機頭)的工作電流來標定所加載的負荷，即驅(qū)動電機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)，它是可以被測量的。因此，通過精確測量并控制驅(qū)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(shù)的脹管機采用51單片機，但其缺點比較突出。如內(nèi)部無存儲器，必需外接Flash或EPROM存儲設(shè)置信息，這就導(dǎo)致電路比較復(fù)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(tǒng)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(guān)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(jīng)過延時電路延遲一段時間以便避開電機的啟動電流，再經(jīng)過放大處理，把電流信號輸入單片機進行A／D轉(zhuǎn)換并處理；同時繼電器控制主開關(guān)M-SW打開，電機啟動，面板上顯示設(shè)置的電流值和電機轉(zhuǎn)動的電流實時值：當(dāng)實際電流以檢測電流為基準發(fā)生變化時，單片機通過繼電器控制換向開關(guān)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(tài)。按鍵可以設(shè)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(guān)按下后，主開關(guān)打開，轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動，此時采集的電流信號送入單片機。經(jīng)過大約6 s，單片機把其測得的空轉(zhuǎn)電流平均值顯示出來，此時主開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)頭停止轉(zhuǎn)動。在設(shè)置脹力時，脹力設(shè)置值必須大于電機空轉(zhuǎn)時的電流值，否則電機無法進行脹管操作。
2 電路設(shè)計
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。同時使用TPS76301將+5 V電壓轉(zhuǎn)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(dāng)手動開關(guān)按下后，電源接通，單片機采集電流信號并進行A／D轉(zhuǎn)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(jīng)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(tài)。
在脹管機開啟時有一個非常大的瞬間電流，會導(dǎo)致剛開機馬上就關(guān)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?yōu)榈碗娖?，圖2中的繼電器K5線圈通電工作，斷開連接，導(dǎo)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(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?，引腳7腳內(nèi)部截止，K5停止工作，信號采集正常，避免了出現(xiàn)開機立刻關(guān)機的現(xiàn)象。
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在脹管機中需要設(shè)計一個互鎖電路控制電機的運行狀態(tài)，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(dāng)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(dǎo)通，L-SW為低，D10(RET-URN)燈亮，即退脹狀態(tài)；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(tài)。當(dāng)A0點被置為低電平時，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的連接狀態(tài)。因此，通過繼電器實現(xiàn)電路互鎖，并控制電機的運行狀態(tài)。
此外，在雙頭脹管機的設(shè)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(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，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(fā)器的規(guī)律變化，于是滿足了在每次MODE開關(guān)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(shè)計
MSP430的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明的宗旨設(shè)計的，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，簡潔的指令，大量的寄存器以及片內(nèi)的數(shù)據(jù)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(fā)仍有很高效率，從而可以提高開發(fā)的周期，也可以實現(xiàn)程序的可移植性。本系統(tǒng)軟件開發(fā)所采用的是MSP430系列單片機專用的集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench，采用C語言編程。
在該儀器的程序設(shè)計中，由于在電機換向的瞬間會產(chǎn)生大電流的沖擊，須對換向的延時時間進行恰當(dāng)設(shè)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(shè)計流程如圖6所示。
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4 電流標定及擬合
經(jīng)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(jù)表1的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行曲線擬合得到的曲線，其中一條是實際曲線，一條是經(jīng)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(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值求得對應(yīng)的I值。
5 結(jié)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(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(qū)動電機；全數(shù)字顯示設(shè)定值和實時值；用按鍵操作進行脹力的數(shù)字設(shè)定和調(diào)節(jié)；對掛載不同功率的驅(qū)動電機，自動提示所允許設(shè)定的最小值和最大值；自動檢測驅(qū)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(tài)；能自動記錄和顯示脹管的次數(shù)；具有漏電保護功能。該脹管機優(yōu)點突出，在國內(nèi)多家企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，受到一致好評。
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