基于MSP430自动胀管控制器的研究

胀管机是针对冷凝器、冷油器、加热器、换热器中各类管材与管板胀接需要而设计开发的一种专用设备。其控制器的基本原理是用驱动电机(又称驱动马达、胀管机头)的工作电流来标定所加载的负荷，即驱动电机在一定的工作电流值下，提供相当数量的扭矩，而与之相当数量的扭矩可以通过旋转胀管器产生一定的膨胀量(胀力)，它是可以被测量的。因此，通过精确测量并控制驱动马达的工作电流值，就可获得并控制所需要的膨胀量(胀力)。

目前，市场上大多数的胀管机采用51单片机，但其缺点比较突出。如内部无存储器，必需外接Flash或EPROM存储设置信息，这就导致电路比较复杂，不利于扩展，且工作电压范围较窄，抗干扰能力较差。而采用MSP430F149单片机的胀管机可以有效克服这些缺点。1 工作原理图l为系统的整体框图。通过框图来分析胀管机的工作过程：上电后，手动开关按下，这时手动检测电路会检测到开启信号，并通过光电隔离(隔置强电流)送入单片机；此时交流电通过电流互感器把交流加在负载上，并通过整流滤波电路把交流变成直流，经过延时电路延迟一段时间以便避开电机的启动电流，再经过放大处理，把电流信号输入单片机进行A／D转换并处理；同时继电器控制主开关M-SW打开，电机启动，面板上显示设置的电流值和电机转动的电流实时值：当实际电流以检测电流为基准发生变化时，单片机通过继电器控制换向开关D-SW换向进行胀管或退胀操作。同时，指示灯可以显示胀管机的工作状态。按键可以设置胀力，选用电机的3种不同功率档位。在电机空载的情况下，手动开关按下后，主开关打开，转头转动，此时采集的电流信号送入单片机。经过大约6 s，单片机把其测得的空转电流平均值显示出来，此时主开关断开，转头停止转动。在设置胀力时，胀力设置值必须大于电机空转时的电流值，否则电机无法进行胀管操作。2 电路设计220 V交流输入后，通过稳压模块持续输出稳定的+5 V和+12 V的电压，为线路板的电源提供保证。同时使用TPS76301将+5 V电压转换得到+3 V电压，为单片机供电。220 V的交流电通过光电隔离分别为控制A／D采集的继电器555延时电路以及D-SW换向电路提供+12V的电源。当手动开关按下后，电源接通，单片机采集电流信号并进行A／D转换。图2为A／D信号采集电路．交流输入通过电流互感器T1，把交流加在负载上，并通过整流滤波电路变成直流，由继电器K5控制输出电流信号AA／D且送入前面板，经LM358放大处理后得到的电流信号AA／D1交由单片机MSP430进行采集处理。继电器K5的0端是与555延时电路的输出端相连，并由555延时电路输出信号来控制其工作状态。在胀管机开启时有一个非常大的瞬间电流，会导致刚开机马上就关机，无法正常启动。因此，需要一个由555延时电路组成的避峰电路来避开瞬间的大电流，延迟开机时间。图3为延时避峰电路，NE555的引脚2(TRIG)在胀管机开启时会有一个脉冲，使得引脚3(Q)的电平变为低电平，图2中的继电器K5线圈通电工作，断开连接，导致单片机无法进行信号采集。同时，电容开始充电，NE555的引脚7(DIS)内部导通。脉冲过后，电容通过引脚7开始放电，TRIG和THR的电压开始降低，当电压降到一定程度Q变为高电平，引脚7脚内部截止，K5停止工作，信号采集正常，避免了出现开机立刻关机的现象。在胀管机中需要设计一个互锁电路控制电机的运行状态，进行胀管、退胀操作，互锁电路如图4所示。通过单片机控制A0，A1两点的电平，使其分别控制M-SW，D-SW电位的高低。当A1点被置为低电平时，光电隔离工作，使得D-SW为高电平，从而Q2导通，L-SW为低，D10(RET-URN)灯亮，即退胀状态；若A1点被置为高电平，则D-SW被置低，K3继电器的线圈工作，使得L-SW为高，因此退胀灯熄灭，此为胀管状态。当A0点被置为低电平时，光电隔离触发，使得M-SW为高电平，从而Q1集电极与地相通，则继电器K1线圈通电开始工作，并由此断开输入与电机的连接状态。因此，通过继电器实现电路互锁，并控制电机的运行状态。此外，在双头胀管机的设计中，为了保证两个胀管器同时工作且互相不受影响，增添了由555定时器及16位双稳态JK触发器74LS76的组合电路，如图5所示。由图中可以看出，MODE开关在每次按下和松开时，都为HAl7555提供了一个脉冲信号，同时输出至HD74LS76使得在CHA，CHB2个指示灯的负端电平高低按照JK触发器的规律变化，于是满足了在每次MODE开关进行变化时，双头胀管机的两边可以独立工作而不受影响。