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

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)研究對象是重物的提升和降落。主要的控制對象是卷揚(yáng)機(jī)，通過卷揚(yáng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動實(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：

2 單片機(jī)主從結(jié)構(gòu)的控制方式
工程設(shè)計(jì)研究對象是控制卷揚(yáng)機(jī)的轉(zhuǎn)動,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)行中對采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，計(jì)算出移動的距離；還要求對重物高度和導(dǎo)向輪周長進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定參數(shù)要能夠存儲和讀出，這就需要帶有存儲功能的智能化器件。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，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)最常用的位移量測量傳感器。光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成，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)速度測量。
用光電編碼器測量位移時(shí),不僅要知道位移的大小，還要知道位移的正負(fù)方向，判別方向是成功測量關(guān)鍵。現(xiàn)在市場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，通過帶符號的加運(yùn)算，可以知道輸出脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)算出位移量。
4 傳感器信號的提取電路設(shè)計(jì)
如圖3所示是傳感器信號提取電路。光電編碼器輸出的信號通過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的A相輸入D1,B相作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號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。