基于MSP430單片機(jī)的漁探儀升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李彩菊

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

漁探儀升降控制系統(tǒng)是漁探儀產(chǎn)品中非常重要但又相對獨(dú)立的一部分。該系統(tǒng)要求能在較遠(yuǎn)距離進(jìn)行升降控制，且可靠性要高。隨著自動化控制和單片機(jī)測控技術(shù)的發(fā)展，可以將其應(yīng)用到自動控制系統(tǒng)來完成漁探儀升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制并增加可靠性。

本系統(tǒng)采用美國德克薩斯儀器公司的超低功耗單片機(jī) MSP430F1611作為控制核心［1］，利用其豐富的片內(nèi)資源，實(shí)現(xiàn)了更多人性化功能。系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)［2］帶動升降裝置齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪傳動驅(qū)動絲杠來帶動升降裝置主軸的升降，從而完成對漁探儀升降控制系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)。

1 基本原理

漁探儀升降控制系統(tǒng)主要包含5部分：以MSP430F1611單片機(jī)為核心控制芯片的控制電路板、控制面板、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及步進(jìn)電機(jī)、電源模塊和升降裝置。其中，控制面板在駕駛室內(nèi)，其他部分在船艙底部，兩者通過線纜連接。漁探儀升降控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

核心控制芯片MSP430F1611接收控制面板指令（包含啟動、上升／下降等），并進(jìn)行分析，輸出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器所需的使能信號、方向信號及脈沖信號，從而控制步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向轉(zhuǎn)動，帶動升降裝置進(jìn)行上升或下降運(yùn)動。同時(shí)，單片機(jī)接收升降裝置的上限位及下限位信號，將升降裝置的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)送到控制面板，以指示燈形式顯示。升降裝置在其行程的上端和下端分別裝有行程開關(guān)，當(dāng)升降裝置主軸碰到行程開關(guān)后，反饋信號給控制電路板，通過單片機(jī)和通斷控制電路完成對電機(jī)的停止控制。電源模塊的作用是將220V交流電源轉(zhuǎn)換為+24V直流電源供給控制電路板和控制面板。

圖1 漁探儀升降控制系統(tǒng)框圖

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 控制面板設(shè)計(jì)

控制面板的主要作用是對升降控制系統(tǒng)上電，然后向控制電路板發(fā)送啟動、上升／下降控制信號，并通過上升狀態(tài)／下降狀態(tài)指示燈實(shí)時(shí)顯示升降裝置的運(yùn)行狀態(tài)。在漁探儀升降控制系統(tǒng)使用過程中，控制面板位于駕駛室，距控制電路板和升降裝置等有較遠(yuǎn)距離（大于100m），考慮到信號衰減，因此啟動信號、方向信號及狀態(tài)信號均選用24V信號?？刂泼姘迦鐖D2所示。電源按鈕為紅色指示燈開關(guān)，通電正常則紅色指示燈常亮。啟動／停止按鈕為綠色指示燈開關(guān)，按下綠燈常亮，表示啟動指令，再按綠燈滅，表示停止。方向選擇開關(guān)為二段維持90°＿V型選擇開關(guān)，旋轉(zhuǎn)分別對應(yīng)上升和下降方向。上升狀態(tài)／下降狀態(tài)紅色指示燈常亮對應(yīng)表示已經(jīng)到上限位／下限位，該紅色指示燈閃爍表示正在上升運(yùn)動／下降運(yùn)動。

2.2 控制電路板設(shè)計(jì)

2.2.1 控制電路板原理

控制電路板的主要功能是接收控制面板的指令，結(jié)合升降裝置的反饋信息，分析判斷升降裝置的運(yùn)行狀態(tài)，向電機(jī)驅(qū)動器輸出使能信號、方向信號和脈沖信號，并向控制面板實(shí)時(shí)反饋升降裝置的運(yùn)行狀態(tài)信息。當(dāng)升降裝置上升／下降碰到行程開關(guān)后，立即斷開脈沖信號。

圖2 控制面板

控制電路板以MSP430F1611單片機(jī)為核心控制芯片，包含電源轉(zhuǎn)換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、MSP430F1611單片機(jī)最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路和通斷控制電路?？刂齐娐钒褰Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

電源轉(zhuǎn)換電路的作用是將+24V電源轉(zhuǎn)換成所需的+5V和+3.3V電源。電平轉(zhuǎn)換電路主要是將+24V控制信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需的+3.3V信號，并將單片機(jī)輸出的+3.3V狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換成+24V信號傳送給控制面板，電平轉(zhuǎn)換電路選用東芝光隔芯片TLP521，該光隔不僅可以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，還對輸入、輸出信號具有隔離作用。因所選步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器所需脈沖驅(qū)動電流為7mA～18mA，而單片機(jī)IO管腳驅(qū)動能力最大6mA，因此選擇TI公司的驅(qū)動芯片ULN2003V12DR，該款芯片為7通道高電流下沉式驅(qū)動器，當(dāng)所有7個通道并聯(lián)時(shí)，ULN2003V12DR能夠支持高達(dá)1A的負(fù)載電流。

圖3 控制電路板結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 通斷控制電路設(shè)計(jì)

通斷控制電路在本系統(tǒng)中非常重要。當(dāng)升降裝置主軸運(yùn)行碰到行程開關(guān)后，需立刻停止運(yùn)動?？刂泼姘鍝Q向后，升降裝置又可反方向運(yùn)動。為提高漁探儀升降控制系統(tǒng)的可靠性，通斷控制設(shè)計(jì)采用軟件通斷和硬件電路通斷雙重控制。軟件通斷控制主要是依靠核心控制芯片MSP430F1611單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)檢測到升降裝置主軸碰到行程開關(guān)后，立刻停止脈沖輸出，并輸出使能禁止信號。當(dāng)單片機(jī)檢測到控制面板換向后，繼續(xù)輸出使能信號、方向信號和脈沖信號，則升降裝置反方向運(yùn)行。硬件電路通斷控制設(shè)計(jì)主要是通過與非門邏輯組合控制繼電器通斷，從而控制脈沖信號的通斷。通斷控制電路圖如圖4所示。

圖4 通斷控制電路圖

圖4中，D1、D2、D3為與非門芯片，D4為驅(qū)動芯片，KA為繼電器；Dir為控制面板方向選擇信號，設(shè)上升對應(yīng)高電平Dir=1，下降對應(yīng)低電平Dir=0；K1為上限位信號，K2為下限位信號，當(dāng)升降裝置主軸未碰到行程開關(guān)時(shí)，K1和K2均上拉為高電平，表示為K1=1，K2=1；當(dāng)升降裝置主軸碰到行程開關(guān)后，對應(yīng)限位信號變?yōu)榈碗娖?。邏輯組合公式表達(dá)為：

該公式用組合邏輯框圖表示，如圖5所示。

初始狀態(tài)時(shí)，升降裝置主軸未碰到上、下行程開關(guān)，即K1=1，K2=1。選擇控制面板方向?yàn)橄陆禉n，對應(yīng)Dir=0，將Dir=0、K1=1和K2=1代入公式（1）得True=1，經(jīng)驅(qū)動芯片ULN2003V12DR變成低電平Ctrl=0V，繼電器線圈通電，脈沖信號Pulse接通電機(jī)驅(qū)動器接口Pulse＿QDQ，電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動升降裝置向下運(yùn)動。當(dāng)升降裝置主軸碰到下行程開關(guān)后，K2=0。此時(shí)，Dir和K1保持不變，將Dir=0、K1=1和K2=0代入公式（1）得True=0，對應(yīng)Ctrl=5V，繼電器線圈斷電，脈沖信號Pulse與電機(jī)驅(qū)動器接口Pulse＿QDQ斷開，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，升降裝置停止運(yùn)動。此時(shí)控制面板換向，即Dir=1，但K1和K2保持上一狀態(tài)不變，即 K1=1、K2=0。將Dir=1、K1=1和K2=0代入公式（1）得True=1，對應(yīng)Ctrl=0V，繼電器線圈又重新通電，脈沖信號Pulse接通電機(jī)驅(qū)動器接口Pulse＿QDQ，電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動，帶動升降裝置向上運(yùn)動，直到碰到上行程開關(guān)，即K1=0，此時(shí)，Dir和K2保持上一狀態(tài)不變，將Dir=1、K1=0和K2=1代入公式（1）得True=0，升降裝置停止運(yùn)動。按此原理，升降裝置可按照控制面板選擇方向可靠運(yùn)行。

圖5 組合邏輯框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要利用了MSP430F1611單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)模塊TIMER＿A和TIMER＿B，以及其豐富的I／O引腳功能。通過TIMER＿B的定時(shí)功能定時(shí)循環(huán)檢測控制面板信號（啟動信號和方向信號）及行程開關(guān)信號，并判定升降裝置狀態(tài)，包含上升、下降、上升限位、下降限位和停止5種狀態(tài)，然后對應(yīng)每種狀態(tài)信號輸出。

在上升／下降狀態(tài)，利用TIMER＿A的PWM功能輸出脈沖［3］。因升降裝置機(jī)械設(shè)計(jì)所要求的電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，系統(tǒng)要求每次電機(jī)停止后重新轉(zhuǎn)動時(shí)均需要進(jìn)行加速。軟件設(shè)定合適的加速度，在每個定時(shí)周期50ms進(jìn)行一次加速，即改變PWM脈沖輸出頻率，電機(jī)加速到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速后保持，直到升降裝置主軸碰到行程開關(guān)或者接收到面板停止信號。

考慮到實(shí)際操作的簡單可控性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在上升和下降過程中換向無效，需按停止按鈕或者升降裝置主軸碰到行程開關(guān)后換向才可以。漁探儀升降控制系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 漁探儀升降控制系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)論

本控制系統(tǒng)采用MSP430F1611單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確控制升降裝置升降的功能。因該系統(tǒng)應(yīng)用于漁探儀配套產(chǎn)品，對可靠性要求格外高，故本系統(tǒng)采用軟件和硬件雙重控制的方式，既避免了軟件運(yùn)行帶來的不可預(yù)測的問題，又避免了因誤操作帶來的不良影響，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。在后續(xù)漁探儀配套產(chǎn)品中，考慮將單一的升降控制改為精確的距離控制，可將漁探儀上升／下降到指定的位置上，使用更方便、更人性化。

［1］ 王海群.多功能低功耗的十六位單片機(jī)MSP430［J］.上海大中型電機(jī)，2003（2）：20-22.

［2］ 張朋濤，肖世德，黃燦泉.基于MSP430單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2005，34（11）：36-37.

［3］ 張建鵬，劉世前，敬忠良.基于MSP430的舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微電機(jī)，2010，43（1）：46-49.