曾鏡源，歐陽(yáng)玉平，洪添勝

(1.嘉應(yīng)學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 梅州 514015; 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

旋轉(zhuǎn)開關(guān)(rotary switch)[1，2]為小功率交流電機(jī)提供多個(gè)檔位.旋轉(zhuǎn)開關(guān)使用壽命的主要影響因素是材料質(zhì)量和接觸銅片在滑動(dòng)過程中出現(xiàn)的閃弧電離作用，故障表現(xiàn)為接觸不良或接觸電阻過大.

目前開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)研究主要針對(duì)弱電的開關(guān)或不檢測(cè)負(fù)載電流的變化情況[3～6]，而旋轉(zhuǎn)開關(guān)是作為AC 220V小型交流電機(jī)回路的一部分，在帶不同負(fù)載的條件下，則于接觸時(shí)電離程度不一樣，所以按鍵的壽命是不同的.因市場(chǎng)上開關(guān)壽命測(cè)試設(shè)備加載在開關(guān)上的電壓為低壓直流電，故無(wú)法滿足旋轉(zhuǎn)開關(guān)的測(cè)試需求.

開關(guān)的壽命取決于其機(jī)械故障和電離程度，而這兩個(gè)因素均影響流過開關(guān)的電流，故需要解決實(shí)時(shí)電流檢測(cè)的問題.電流互感器和霍爾傳感器等均可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電流的檢測(cè)[7].

旋轉(zhuǎn)開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)需要解決開關(guān)在帶AC 220V的功率負(fù)載的情況下，系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與動(dòng)作控制的問題，并分析和計(jì)算開關(guān)的有效性，達(dá)到降低檢測(cè)難度和減少人工成本的目的.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需求，以及旋轉(zhuǎn)開關(guān)的特點(diǎn)，故本文針對(duì)所測(cè)試按鍵的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行部件.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

在控制系統(tǒng)的指令控制下，減速電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械部分的轉(zhuǎn)盤齒輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤齒輪上同時(shí)帶動(dòng)六個(gè)旋轉(zhuǎn)開關(guān)，轉(zhuǎn)盤齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)開關(guān)與編碼器同步旋轉(zhuǎn).旋轉(zhuǎn)編碼器提供旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)，反饋到控制系統(tǒng).

2 機(jī)械執(zhí)行部件設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)開關(guān)是一個(gè)三個(gè)有效檔位和二個(gè)空檔的開關(guān)，相鄰檔間的角度均為18°，如圖2(a)所示.

為提高測(cè)試的效率，設(shè)計(jì)了由一個(gè)減速電機(jī)帶動(dòng)六個(gè)旋轉(zhuǎn)開關(guān)的機(jī)械執(zhí)行部件.在綜合考慮減速電機(jī)扭矩，旋轉(zhuǎn)開關(guān)旋轉(zhuǎn)所需扭矩，以及安裝的方便性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如圖2所示的總體機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu).

a. 旋轉(zhuǎn)開關(guān)示意圖 b.旋轉(zhuǎn)開關(guān)、編碼器和電機(jī)關(guān)系圖

旋轉(zhuǎn)開關(guān)的公共接線端在旋鈕旋轉(zhuǎn)時(shí)，分別與空檔、一檔、二檔、三檔和空檔連接，總旋轉(zhuǎn)角度為18°*4=72°.減速電機(jī)采用Alogn JGB37-3625直流無(wú)刷減速電機(jī)，轉(zhuǎn)速為20 rpm/min，額定扭矩為0.08 Kg·m.當(dāng)減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤反向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)正向旋轉(zhuǎn).

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)外設(shè)狀態(tài)輸入、控制信號(hào)輸出和人機(jī)交互等功能，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)采用基于C8051F120單片機(jī)的最小系統(tǒng)為電路核心，此單片機(jī)采用內(nèi)部晶振并用PLL倍頻后晶振頻率達(dá)到49 MHz，指令速度達(dá)到100MIPS[8，9].

每個(gè)旋轉(zhuǎn)開關(guān)有三個(gè)有效檔位，不同的旋轉(zhuǎn)角度導(dǎo)通，所以可以將這三個(gè)檔位并聯(lián)，共用一個(gè)通道的互感器電流檢測(cè)電路[10，11]，這樣六個(gè)通道可以檢測(cè)六個(gè)旋轉(zhuǎn)開關(guān).

系統(tǒng)采用輸入為AC220V，輸出為DC24V和DC5V的開關(guān)電源為整個(gè)系統(tǒng)提供主電源，另外增加3.7 V鋰電池為單片機(jī)系統(tǒng)備用電源.DC24V開關(guān)電池為減速電池驅(qū)動(dòng)電源，并且為互感器電流檢測(cè)電路的運(yùn)算放大器提供電源.DC5V為單片機(jī)系統(tǒng)提供電源.

旋轉(zhuǎn)編碼器反饋旋轉(zhuǎn)的角度信息.按鍵及LCD提供人機(jī)交互功能，為用戶提供功能選擇和反饋測(cè)試信息.

電流檢測(cè)電路提供+24 V和GND輸入引腳，以及一個(gè)與檢測(cè)電流相對(duì)應(yīng)的模擬電壓輸出引腳.系統(tǒng)通過單片機(jī)的ADC來(lái)檢測(cè)電流檢測(cè)模塊的輸入電壓值.

3.2 電源電路

直流電機(jī)采用輸出功率為120W的DC 24V開關(guān)電源供電，以保證有足夠功率帶動(dòng)減速電機(jī).

DC3.7 V鋰電池、DC5V電源和單片機(jī)所需要的DC 3.3 V電源的關(guān)系如圖4所示.

圖4 片機(jī)電源電路

DC5V電源為經(jīng)AS1117降壓成3.3V后為單片機(jī)系統(tǒng)提供電源，DC3.7 V鋰電池串接一個(gè)IN4007后作為單片機(jī)備用電源，從而實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的不間斷供電.只要DC3.3V處的電壓不低于2.7 V就能保證單片機(jī)正常工作，保持單片機(jī)內(nèi)部信息[7].因鋰電池只為單片機(jī)提供電源，所以其充一次電可以保證三個(gè)月以上的續(xù)航時(shí)間.

鋰電池電壓降至3.3 V時(shí)，DC3.3V處的電壓約為2.6～2.7，此時(shí)雖然電池仍有約30%的電量[12]，但不能有效保持單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù).為監(jiān)測(cè)電池電壓，系統(tǒng)將DC3.7V經(jīng)10K電位器分壓為輸入到ADC0的一個(gè)通道中，在檢測(cè)到實(shí)際電壓低于要求時(shí)提醒操作人員對(duì)電池充電.

3.3 減速電機(jī)控制電路

減速電機(jī)采用DC24V供電，用IRF540N作為電機(jī)的通斷控制.電機(jī)控制電路如圖5所示.

圖5 電機(jī)控制電路

圖5中，Q2為IRF540N，D5與D6為1N4007，D7與D8為1N4733.Motor與M_Dir是來(lái)自單片機(jī)的電機(jī)通斷和旋轉(zhuǎn)方向控制信號(hào)，當(dāng)Motor為高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，DC24V、D5、電機(jī)、Q2與參考地構(gòu)成一個(gè)回路.當(dāng)Q2停止時(shí)，D5、D6和電機(jī)構(gòu)成續(xù)流回路，使電機(jī)停止時(shí)的反向電動(dòng)勢(shì)得到快速的泄放[13].

Motor信號(hào)無(wú)效時(shí)，R4保證Q2處于截止?fàn)顟B(tài).D8穩(wěn)壓二極管與R2配合，以及D7與R3配合，分別使單片機(jī)Motor和M_Dir引腳輸入的最大灌電流限制在100 mA[7]，起到保護(hù)單片機(jī)的作用.

3.4其它電路

旋轉(zhuǎn)編碼器輸出有AB兩相，漏極開路輸出，所以需要通過上拉電阻再分別接入到單片機(jī)的/INT0和/INT1中斷引腳，通過對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序進(jìn)脈沖計(jì)數(shù)，并判斷旋轉(zhuǎn)方向.

電流檢測(cè)采用基于互感器的精密交流檢測(cè)模塊，量程為0～5 A，輸出電壓為可按比例調(diào)節(jié).有六個(gè)通道，能同時(shí)對(duì)六組按鍵的輸出電流進(jìn)行檢測(cè).輸出電壓接到單片機(jī)的ADC，通過程序進(jìn)行采樣并進(jìn)行分析處理.此外，鋰電池的電壓也接入ADC，以便一起通過ADC采集.

4 參數(shù)計(jì)算

4.1 初始角度計(jì)算

系統(tǒng)采用600脈沖/圈旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)開關(guān)每檔旋轉(zhuǎn)角度為18°，減速電機(jī)與旋轉(zhuǎn)編碼器角度同步，所以每旋轉(zhuǎn)一檔，故減速電機(jī)需要旋轉(zhuǎn)的角度對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)Pm為105個(gè).

4.2 鎢絲燈選擇

典型的榨汁機(jī)功率為150 W，1.2倍的額定電流下[1]，鎢絲燈功率Pw為：

Pw=150W*1.2=180 W,

故應(yīng)選擇最接近此功率的200 W鎢絲燈作為負(fù)載.

4.3 閾值電流計(jì)算

根據(jù)實(shí)際屬求，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[1～3]，設(shè)定斷故障電壓為負(fù)載電壓的10%，粘故障電壓為負(fù)載電壓的80%.

200 W鎢絲燈的額定電流I0:

I0=200W/220V=0.91A,

所以，斷故障閾值電流Id和粘故障閾值電流In為：

Id=I0*(1-10%)=0.82 A，

In=I0*(1-80%)=0.18 A.

4.4 交流電流測(cè)量模塊的線性分析

交流電流測(cè)量模塊額定量程為5 A，電壓與電流成1:1的對(duì)應(yīng)關(guān)系.但由于系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，負(fù)載只有200 W，為增加動(dòng)態(tài)范圍，調(diào)節(jié)模塊上的電位器將輸出按比例放大.放大后的值是否線性，需要進(jìn)行線性分析.

因負(fù)載的標(biāo)稱值與實(shí)際值存在誤差，所以采用UNI-T優(yōu)利德UT203數(shù)字鉗形萬(wàn)用表電壓表測(cè)量結(jié)果作為對(duì)比.結(jié)果如圖6所示.

圖6 模塊輸出電壓與UT203測(cè)量電流對(duì)比

用Matlab進(jìn)行回歸分析,

R2=0.999 0，P=0.000 4.

分析結(jié)果說明電流測(cè)量模塊的輸出經(jīng)放大后，性線較理想.線性回歸方程為：

Ix=Vy/2.2，

其中Ix為實(shí)際電流，Vy為ADC0測(cè)得的結(jié)果.

4.5 旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)方案設(shè)計(jì)

為減少噪聲特別是50 Hz電源干擾，測(cè)量模塊對(duì)輸出波形進(jìn)行整流和濾波，并在ADC輸入口加入0.1 uF電容濾波.

圖7旋轉(zhuǎn)開關(guān)波形

圖7中ta～te，分別是旋鈕從一檔到三檔(或三檔到一檔)的時(shí)隙，分別對(duì)應(yīng)的序列數(shù)為：28、37、31、31、31個(gè).其中tb與td對(duì)應(yīng)的是檔位跳變過程的時(shí)隙.

由于每個(gè)檔位有180，且由前面的計(jì)算可知每檔點(diǎn)105個(gè)編碼器脈沖，所以單個(gè)高電平的脈沖數(shù)為49個(gè)，低電平的脈沖數(shù)為56個(gè).

由于各個(gè)跳變沿比較明顯，所以采樣時(shí)將此波形數(shù)據(jù)全部存入位于C8051F020的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM上的緩沖數(shù)組[7]，在從一檔到三檔(或三檔到一檔)結(jié)束時(shí)，分析數(shù)據(jù)，可以得到平均電流值，并可以估計(jì)出旋鈕反向旋轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù).

圖8電機(jī)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整方法

此系統(tǒng)設(shè)定超過te下降沿60個(gè)脈沖停止電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并通過蜂鳴器報(bào)警.當(dāng)電機(jī)停止后，程序分析各檔電流是否正常，如果正常，則進(jìn)行邊界分析，根據(jù)新的邊界，重新設(shè)定P1的值，使電機(jī)在接近雙重的保障下運(yùn)轉(zhuǎn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8，9].

5 程序設(shè)計(jì)

因?yàn)橄到y(tǒng)涉及較多的單片機(jī)資源，為使程序可重復(fù)利用，方便調(diào)試與維護(hù)，程序采用模塊化設(shè)計(jì).

程序的主要模塊有：主程序、系統(tǒng)初始化、定時(shí)中斷、/INTn中斷、數(shù)據(jù)分析與處理、按鍵掃描與處理、液晶顯示和字模等.各模塊之間通過主程序循環(huán)、Timer0～2中斷服務(wù)程序和ADC0中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)協(xié)同處理,主程序流程如圖9所示.

圖9 主程序流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先對(duì)看門狗、晶振、定時(shí)器和各個(gè)I/O口進(jìn)行初始化，接著調(diào)用液晶模塊程序的初始化函數(shù)對(duì)液晶模塊初始化，并繪制屏幕的初始界面.

程序進(jìn)入主循環(huán)(虛線框內(nèi)部分)后首先對(duì)按鍵檢測(cè)，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)決定按鍵的功能，并作出相應(yīng)的處理.Timer1采用autoreload模式，每隔20 ms產(chǎn)生一個(gè)中斷，在其中斷服務(wù)程序中進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)時(shí)操作.當(dāng)主程序檢測(cè)到代表1s時(shí)間間隔的變量發(fā)生改變時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)是否打開蜂鳴器，更新LCD內(nèi)容，以及更新當(dāng)前的電池電壓值.

當(dāng)ADC的中斷服務(wù)程序設(shè)定了要求主循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，主循環(huán)對(duì)所有采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將處理結(jié)果顯示到屏幕上.

當(dāng)100 ms時(shí)間間隔到時(shí)，在屏幕上更新各個(gè)通道的電流值，使操作人員能及時(shí)了解到電流的變化情況.

Timer2用于與ADC0配合以定時(shí)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換.Timer2與ADC0的控制流程如圖10所示.

Timer2采用autoreload模式，每隔210us產(chǎn)生一個(gè)中斷.Timer2計(jì)數(shù)溢出時(shí)啟動(dòng)ADC0進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并進(jìn)入Timer2中斷，Timer2中斷服務(wù)程序主要是修改通道變量，使ADC0能讀取到正確的通道數(shù)據(jù).隨后，ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)束并產(chǎn)生中斷，進(jìn)入ADC0中斷服務(wù)程序，在此服務(wù)程序中，讀取ADC0的值并對(duì)齊，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算后指定下次的AD轉(zhuǎn)換的通道.

6 總結(jié)

系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試，電路的各點(diǎn)電位、旋轉(zhuǎn)開關(guān)的旋轉(zhuǎn)位置以及系統(tǒng)的計(jì)數(shù)功能等都達(dá)到預(yù)期的目的，并經(jīng)過一個(gè)月的測(cè)試后能連續(xù)穩(wěn)定的工作.

通過本文的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1)設(shè)計(jì)的機(jī)械部件配合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)按鍵的動(dòng)作控制；

2)能同時(shí)檢測(cè)六個(gè)通道的電流，并自動(dòng)更新計(jì)數(shù)值；

3)用電池作為后備電源，防止了斷電系統(tǒng)信息的丟失；

4)通過編碼器脈沖數(shù)限制終點(diǎn)，電流數(shù)據(jù)的分析結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)的起點(diǎn)與終點(diǎn)，提高了旋轉(zhuǎn)位置的可靠性.

由于開發(fā)成本和時(shí)間的限制，并沒有采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)進(jìn)行比較，此類電機(jī)是否定位更加精確還待進(jìn)一步的研究.此外，如何有效使用完鋰電池的電量也待研究，并且如何將負(fù)載電流以圖形的方式實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)也是用戶比較感興趣的功能.

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