基于ATmega16的外水壓測試系統的設計

趙文純，陳 江，鞠海洪，蔡 昊

（中船重工第710研究所，湖北 宜昌 443000）

隨著工業自動化快速發展與應用的提高，傳統人工外壓測試裝置，已不能滿足工業發展的需要。在實際生產生活中，追求高效的生產效率的同時,價格低廉、性能穩定的外壓測試系統的設計開發，具有極高的經濟價值和社會意義。

本項目主要針對水中產品的外水壓測試要求，進行開發與研制，宗旨是提升產品測試的自動化程度、控制參數精確性、安全性等各因素，以及最大限度的降低成本，減輕試驗人員的勞動強度，用先進的方法和技術，裝備產品的外水壓測試系統。

本系統開發出了一種基于ATmega16微控制器，結合VB6.0中MSComm控件開發的串口通信調試工具的外水壓測試系統，具有高精度、高可靠性、全自動、高智能化等特點，實現了實驗數據記錄、打印，測試參數設置以及多種可選功能，實現了人機分離，并在保證系統功能的前提下，滿足了實驗人員的安全及低成本的需求。可滿足各種需外壓測試產品的耐壓及密封測試，并能實現測試試驗產品的在特定外壓環境下的工作狀態。

1 系統的組成及基本原理

外水壓測試系統，主要由控制系統的硬件、軟件部分、加壓系統部分以及液壓釜和壓力傳感器等組成，如圖1所示。

圖1 水壓測試系統組成

其中，控制系統硬件部分，主要完成液壓釜內壓力數據的采集、轉換及顯示[1]；軟件部分，主要完成所采集到數據的處理及控制功能；加壓系統，主要是伺服電機配合加壓泵使用，通過控制系統的控制完成所需介質壓力的供給；液壓釜，主要用來完成試驗產品的容腔和液壓環境的保持；液壓傳感器，主要作用是可以將液壓釜內的壓力值實時地傳輸給控制系統，用以完成特定液壓環境狀態的模擬與控制。

其工作原理，是ATmega16微控制器通過對壓力傳感器數據的實時讀取，實現對液壓釜內實驗壓力的實時監控，并通過將壓力值與目標值進行對比，通過PID調節機制，完成系統模擬量輸出環境的實時變化，從而使加壓系統始終以最合適的加壓速率，對液壓釜進行加壓，從而完成液壓環境的模擬及壓力精度的要求。

2 硬件的構成

控制單元硬件組成，主要分為主控電路和伺服電機驅動電路兩部分。主控電路用串行通信的方式，發送控制指令（字符）到伺服電機驅動電路，驅動電路再發送合適的控制脈沖，到達微型伺服電機上的驅動控制板，使電機按制定動作進行運動，完成加壓泵的高精控制，并將壓力傳感器的數據采集、處理并顯示在上位計算機。

2.1 主控電路的設計

主控電路實現的設計要求：

（1）硬件電路保證發送的數據穩定可靠；

（2）電路抗干擾能力強；

（3）支持在線調試功能，方便外壓測試程序的調試修改；

（4）主控芯片留有一定的預留端口，確保外壓測試系統的升級需求；

（5）所設計的電路板的規模應盡可能的小。

在外水壓測試系統的設計中，主控電路設計采用8位AVR的ATmega16微控制器作為控制核心。其系基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS型低功耗微控制器[2]。由于采用了先進的指令集和單時鐘周期指令執行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

2.2 控制系統硬件設計

控制系統的硬件部分，分為控制電路和伺服驅動電路兩部分。控制電路使用串行通訊模式與驅動電路進行連接通訊，此時，驅動電路將方波控制信號發送給伺服電機，得到所需的執行動作。

（1）控制電路設計。為滿足可靠的工作狀態和抗干擾能力的需要，控制電路設計采用8位AVR的ATmega88微控制器作為核心，配合LM7805穩壓芯片和濾波電容使用（如圖2所示），更能解決功耗和處理速度之間的矛盾。

圖2 穩壓電源設計

（2）驅動電路設計。為得到高精度的水壓控制精度和較好的可控性，以及較簡單的程序編譯工作，本外壓測試裝置采用的SSC-32舵機專用驅動電路（如圖3所示），為外壓測試裝置的加壓系統提供必要的控制指令。

圖3 SSC-32

（3）控制電路和驅動電路間的通訊。此硬件系統間交互通訊，可以通過串口通訊與工控機直接連接，直接通過工控機控制測試系統，并能使用所選微控制器對測試系統進行離線控制，使測試系統擺脫串口接線的限制，增加外水壓測試系統的抗干擾能力。

3 控制程序編譯與調試

合理的系統軟件設計，可以充分發揮控制系統的功能，使伺服控制系統完成高精度的控制任務。本文所采用的是VB6.0中MSComm控件開發串口通信的便捷工具，屬性設置如圖4所示。

圖4 MSComm的屬性設置

其中，使用VB的MSComm控件作通信控制的步驟如下[3]：

（1）加入MSComm對象；

（2）設定通信端口號碼，即MSComm；

（3）設定通信協議，即Handshaking屬性；

（4）設定傳輸速度等參數，即Settings屬性；

（5）設定其他參數，若必要時再加上其他屬性設定；

（6）開啟通信端口，即將Port Open屬性設定為TRUE；

（7）使用完MSComm通信對象后，將通信端口關閉。

其控制對象為：壓力傳感器、伺服電機、伺服電機控制器和RS-232串口。其中SSC-32可以很輕松地實現單個伺服電機的速度、位置等控制。每個動作的控制只用一個字符的ASCⅡ就足夠了，動作指令如下[4]：

在設計過程中，通過串口調試工具對超聲波傳感器、伺服電機和SSC-32伺服電機控制器進行系統設計和反復調試，并最終將程序燒錄在AVR板內，最終達到較好的工作能力和工作效果[5]。

4 結束語

本文提出了應用于水下產品的外壓測試系統的設計，通過ATmega16微控制器控制技術與串口調試工具的結合，極大縮短了設計周期，并通過伺服電機控制技術，無論從整機結構和實驗要求方面出發，都很好地滿足了外水壓測試系統的開發需求，并實現了高效、低成本、性能穩定的要求。

[1]朱玲華，李 俊.水壓測試設備的計算機數據采集系統[J].機床與液壓，2006，(7):204-205.

[2]馬 潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社，2007.

[3]董 萍.淺談基于MSComm控件實現VB串口通信[J].裝備制造技術，2007，(2):57.

[4]李旭東，陳俊杰.基于VB中MSComm控件的通信軟件開發與實現[J].電腦開發與應用，2004，(7):25-27.

[5]李肇慶，韓 濤.串行端口技術[M].北京:國防工業出版社，2004.