基于單片機(jī)的智能電動(dòng)起子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李偉偉，劉 凱，朱海猛（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000）

目前，市場(chǎng)上的各種螺絲緊固裝置已經(jīng)十分豐富，在功能實(shí)現(xiàn)上一般只涉及扭矩范圍、轉(zhuǎn)速和起動(dòng)方式等，但是對(duì)于操作員操作不當(dāng)造成的螺絲被打花的問(wèn)題，還沒(méi)有比較具體的、實(shí)用的解決方案。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，螺絲被打花主要是由于操作員經(jīng)驗(yàn)不足或操作水平有限，而導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的直接原因是操作員未能用電動(dòng)起子將螺絲垂直地打進(jìn)螺孔。這既浪費(fèi)了資源，又影響了電子產(chǎn)品的質(zhì)量。要想解決這一問(wèn)題，就必須要讓電動(dòng)起子保持正確的打螺絲姿勢(shì)，也就是說(shuō)要讓電動(dòng)起子與操作面時(shí)刻保持垂直。

有一種由刀體和握柄組成的“測(cè)量水平及垂直度的螺絲起子”[1]可以檢測(cè)起子的垂直度，其握柄上設(shè)有與握柄基準(zhǔn)面平行的長(zhǎng)凹槽，內(nèi)裝液體透明氣泡水平儀。由于該裝置采用的是機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此在靈敏度上有較大的局限性，使用效果不盡如人意。

本文所提出的設(shè)計(jì)就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，有效解決靈敏度不夠、使用效果不理想等問(wèn)題。本設(shè)計(jì)可對(duì)操作過(guò)程中電動(dòng)起子偏離參考操作面的角度進(jìn)行檢測(cè)，并在液晶顯示器上實(shí)時(shí)顯示角度及偏差，如果偏差超出預(yù)設(shè)范圍則進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警并停止電動(dòng)起子的運(yùn)行。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、通用性強(qiáng)，能夠有效提高工作效率并大大減少產(chǎn)品不良率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本著盡量減少投資的原則，本設(shè)計(jì)以ATmega16單片機(jī)為核心，采用MMA7361Q三軸小量程加速度傳感器來(lái)檢測(cè)起子頭傾斜角度和方向，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)。單片機(jī)對(duì)這一角度信號(hào)進(jìn)行分析和處理，在液晶屏上顯示實(shí)時(shí)的角度和偏差，從而對(duì)電動(dòng)起子的工作實(shí)現(xiàn)精確控制。當(dāng)電動(dòng)起子出現(xiàn)傾斜時(shí)，LED閃爍，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)繼電器關(guān)斷使電動(dòng)起子停止工作，及時(shí)提醒操作員做出相應(yīng)的動(dòng)作調(diào)整，從而避免螺絲被打花。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖和系統(tǒng)連接圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

1.1 加速度傳感器模塊

MMA7361Q功能框圖如圖3所示。其內(nèi)部主要由雙芯片構(gòu)成，即重力檢測(cè)單元（負(fù)責(zé)加速度的偵測(cè)）與IC控制單元（負(fù)責(zé)信號(hào)處理）。重力檢測(cè)單元將檢測(cè)到的加速度變化量信號(hào)送到C-V轉(zhuǎn)換電路，然后進(jìn)行取樣、保持及信號(hào)放大處理，最后用低通濾波器濾除高頻噪聲，在溫度補(bǔ)償處理后即可輸出加速度信息。MMA7361Q三軸小量程加速度傳感器是檢測(cè)物件運(yùn)動(dòng)和方向的傳感器，它根據(jù)物件運(yùn)動(dòng)和方向改變輸出信號(hào)的電壓值。各軸的信號(hào)在不運(yùn)動(dòng)或不受重力作用的狀態(tài)下 （0 g），其輸出為1.65 V；如果沿著任一方向運(yùn)動(dòng)或者受到重力作用，輸出電壓將會(huì)根據(jù)傳感器運(yùn)動(dòng)方向以及設(shè)定的傳感器靈敏度而輸出相應(yīng)的電壓。用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器讀取該輸出信號(hào)，就可檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)方向。

1.2 按鍵輸入模塊

圖2 系統(tǒng)連接圖

由于本設(shè)計(jì)設(shè)定功能較為簡(jiǎn)單，因此采用簡(jiǎn)單易控的獨(dú)立功能按鍵。其中，“選擇鍵”用于實(shí)現(xiàn)功能切換，另外兩個(gè)按鍵分別為用于角度設(shè)定的“+”鍵和“-”鍵。

圖3 MMA7361Q功能框圖

1.3 處理器模塊

ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 bit CMOS微處理器。內(nèi)置8路10 bit ADC用來(lái)處理加速度傳感器輸出的模擬量，當(dāng)工作于16 MHz時(shí)，性能高達(dá)16 MIPS，運(yùn)算速度快，是一款性價(jià)比較高的微處理器。

1.4 液晶模塊

1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，與數(shù)碼管相比，其體積小，可顯示豐富的信息，并且控制簡(jiǎn)單、顯示效果穩(wěn)定。其電路連接如圖2所示。

在 1602的引腳中，VSS為電源地；VDD接 5 V電源正極；V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10 kΩ的電位器調(diào)整對(duì)比度）；RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器；RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作；E（或EN）端為使能（enable）端；D0～D7 為 8 bit雙向數(shù)據(jù)端。

1.5 繼電器及蜂鳴器模塊

繼電器和蜂鳴器均采用價(jià)格低廉的三極管驅(qū)動(dòng)。低電平觸發(fā)蜂鳴器響、繼電器閉合。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是加速度傳感器（MMA7361Q）準(zhǔn)確檢測(cè)電動(dòng)起子傾斜的角度和方向。根據(jù)要求，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括系統(tǒng)主程序、加速度傳感器程序、繼電器與蜂鳴器程序、液晶顯示程序和按鍵掃描程序。

主程序先進(jìn)行初始化并檢測(cè)按鍵輸入，然后調(diào)用MMA7361Q程序。在系統(tǒng)報(bào)警和電機(jī)電源控制部分，蜂鳴器和繼電器分別與單片機(jī)的PC0和PC2端口連接；角度檢測(cè)程序檢測(cè)到PA0、PA1、PA2傳來(lái)的信號(hào)后，單片機(jī)將此信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的角度和方向進(jìn)行對(duì)比。如果出現(xiàn)偏差，則通過(guò)PC0控制蜂鳴器報(bào)警并通過(guò)PC2控制繼電器斷開(kāi)電機(jī)電源，再在顯示器上顯示相應(yīng)信息以提醒操作員做出調(diào)整，維持最佳的操作姿態(tài)。

主程序流程圖如圖4所示。

本設(shè)計(jì)的實(shí)物結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

其中，1為起子殼體，2為電動(dòng)機(jī)，3為起子頭，4為感器，5為手動(dòng)開(kāi)關(guān)，6為換向開(kāi)關(guān)，7為電纜，8為控制盒體，9為 ATmega16單片機(jī)，10為液晶顯示器，11為電池，12為繼電器，13為升壓器，14為降壓整流器，15為電源插頭。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)垂電動(dòng)起子具有功能多、性價(jià)比高等特點(diǎn)，可有效解決實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中螺絲被打花的問(wèn)題。它可以任意設(shè)定電動(dòng)起子的初始位置，智能控制電動(dòng)起子的工作與關(guān)斷，控制方便、操作簡(jiǎn)單、工作可靠且安全節(jié)能，可以滿足電子產(chǎn)品組裝的需要。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明，本設(shè)計(jì)的檢測(cè)角度可精確到0.5°，顯示精度可精確到 1°，電動(dòng)起子相對(duì)操作面的初始角度可以在 0°～90°之間進(jìn)行設(shè)置。

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