基于Atmega16單片機(jī)的重物提升控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張明長(zhǎng),劉福平

(北京印刷學(xué)院 基礎(chǔ)部,北京 102600)

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電氣控制方式變得更加靈活多樣，控制精度越來越高。智能化控制中越來越多地采用了以單片機(jī)為核心的控制單元實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化控制。介紹以Atmega16單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)重物提升位移量的精確控制。

1 重物提升控制系統(tǒng)原理

重物提升控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是使用智能化的控制技術(shù)，將重物提升到預(yù)定高度。如圖1所示是系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖，從控制結(jié)構(gòu)圖可以看出，控制系統(tǒng)研究對(duì)象是重物的提升和降落。主要的控制對(duì)象是卷揚(yáng)機(jī)，通過卷揚(yáng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

圖中傳感器選用光電編碼器，光電編碼器的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)輪，將其固定在導(dǎo)向輪上，這樣光電編碼器和導(dǎo)向輪同軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光電編碼器轉(zhuǎn)過的角度與導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)過的角度相等，重物提升的距離就是導(dǎo)向輪周長(zhǎng)和轉(zhuǎn)過總角度的乘積。設(shè)導(dǎo)向輪的直徑為d，與其同軸連接的光電編碼器每圈輸出脈沖數(shù)設(shè)為k,那么脈沖當(dāng)量為：

如果要計(jì)算設(shè)定距離L為所對(duì)應(yīng)的總脈沖數(shù)，則有脈沖數(shù)D：

如果要計(jì)算實(shí)時(shí)移動(dòng)距離S的值，讀取計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù) m，則有：

2 單片機(jī)主從結(jié)構(gòu)的控制方式

工程設(shè)計(jì)研究對(duì)象是控制卷揚(yáng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),提升重物到預(yù)定高度,需要在運(yùn)行前計(jì)算出運(yùn)行的總脈沖數(shù)；設(shè)計(jì)要求顯示屏能實(shí)時(shí)顯示重物的高度，需要在運(yùn)行中對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，計(jì)算出移動(dòng)的距離；還要求對(duì)重物高度和導(dǎo)向輪周長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定參數(shù)要能夠存儲(chǔ)和讀出，這就需要帶有存儲(chǔ)功能的智能化器件。Atmega16單片機(jī)能夠完成數(shù)據(jù)處理，內(nèi)含EEPROM存儲(chǔ)區(qū)，在掉電的情況下也能夠保存數(shù)據(jù),內(nèi)含2個(gè)外輸入計(jì)數(shù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)任務(wù)，可以簡(jiǎn)化硬件電路。綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇Atmega16單片機(jī)作為核心器件實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，突出模塊設(shè)計(jì)，采用雙芯片結(jié)構(gòu)，以主、從機(jī)模式的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)控制要求。主機(jī)單元負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)的處理、人機(jī)界面參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等工作。從機(jī)單元負(fù)責(zé)接收主機(jī)所發(fā)信號(hào)，響應(yīng)主機(jī)決定是否輸出實(shí)時(shí)的控制指令。

3 光電編碼器測(cè)量位移

光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，這是目前高精度控制系統(tǒng)最常用的位移量測(cè)量傳感器。光電編碼器由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成，光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。原理示意如圖2所示。通過計(jì)算光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能知道當(dāng)前拖動(dòng)的位移量，還可以通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)速度測(cè)量。

用光電編碼器測(cè)量位移時(shí),不僅要知道位移的大小，還要知道位移的正負(fù)方向，判別方向是成功測(cè)量關(guān)鍵?，F(xiàn)在市場(chǎng)上見到的光電編碼器是4線接口或5線接口。4線接口的光電編碼器能輸出A、B兩路脈沖，5線接口的能輸出A、B、Z三路脈沖。光電編碼器輸出的A、B兩路脈沖在相位上差 90°，正轉(zhuǎn)時(shí) A路超前B路 90°，反轉(zhuǎn)時(shí)B路超前A路90°。測(cè)量中依據(jù)A、B之間的相位差，就能夠判別位移的方向符號(hào)，通過帶符號(hào)的加運(yùn)算，可以知道輸出脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)算出位移量。

4 傳感器信號(hào)的提取電路設(shè)計(jì)

如圖3所示是傳感器信號(hào)提取電路。光電編碼器輸出的信號(hào)通過74LS244進(jìn)行整形后，輸出理想的A、B相波形，U3（74LS74）是 D觸發(fā)器，把傳感器輸出整形方波信號(hào)的A相輸入D1,B相作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)CK，U3與U9(7400)共同組成鑒相電路，判斷光電編碼盤是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

當(dāng)光電編碼器正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形超前通道B輸出波形 90°，D觸發(fā)器輸出 Q為高電平，Q為低電平，上面U9A與非門關(guān)閉保持高電平，計(jì)數(shù)脈沖不能通過U11；此時(shí)，下面U9B與非門打開，其輸出計(jì)數(shù)脈沖D能夠順利通過U12進(jìn)行傳輸，如圖4(a)所示。

當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形比通道 B輸出波形滯后 90°，D觸發(fā)器 Q輸出為低電平，Q為高電平，上面U9A與非門打開，其輸出計(jì)數(shù)脈沖C能夠通過U11進(jìn)行傳輸；此時(shí)，下面U9B與非門關(guān)閉保持高電平，計(jì)數(shù)脈沖不能通過，如圖4(b)所示。

5 重物提升位移量的計(jì)算

Atmega16微處理器內(nèi)包含3個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊，其中T/C0、T/C2是 8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊，T/C1是16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊。硬件設(shè)計(jì)中選擇T0、T1作為正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器，記錄光電編碼器輸出的正、負(fù)脈沖數(shù)。在軟件設(shè)計(jì)中一定要將T0、T1計(jì)數(shù)器進(jìn)行擴(kuò)展，使其有足夠的計(jì)數(shù)空間，擴(kuò)展位移測(cè)量范圍。筆者在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，將T0、T1進(jìn)行擴(kuò)展，使它們都是長(zhǎng)整數(shù)（32位）形式，利用的就是計(jì)數(shù)器滿產(chǎn)生溢出中斷的形式擴(kuò)展的。這樣T0計(jì)數(shù)256個(gè)脈沖產(chǎn)生中斷一次，T1計(jì)數(shù)65 536個(gè)脈沖產(chǎn)生中斷一次。

T0、T1控制寄存器設(shè)置及產(chǎn)生溢出中斷程序?yàn)椋?/p>

設(shè)計(jì)中，選擇型號(hào)為S38-J3V100光電編碼器，輸出編碼是500碼/轉(zhuǎn)，則脈沖當(dāng)量是πd/500，當(dāng)前的位移量就是總脈沖數(shù)與脈沖當(dāng)量的乘積。軟件計(jì)算程序如下：

執(zhí)行運(yùn)行命令，微處理器就要對(duì)設(shè)定的位移量進(jìn)行計(jì)算，把位移量大小轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)的多少。在運(yùn)行中進(jìn)行脈沖數(shù)的比較，如果相等，則停止運(yùn)行，表示已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)位置。軟件計(jì)算程序如下：

本方案設(shè)計(jì)的重物提升控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中獲得了良好的動(dòng)態(tài)性能,控制精確，智能化程度高。利用光電編碼器作為位移傳感器,能獲取高精度控制信號(hào)。高性價(jià)比的Atmega16單片機(jī)使成本大大降低,提高了軟件設(shè)計(jì)的靈活性,簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì),具有很好的實(shí)用價(jià)值。

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