基于單片機的智能電動起子控制系統設計

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

目前，市場上的各種螺絲緊固裝置已經十分豐富，在功能實現上一般只涉及扭矩范圍、轉速和起動方式等，但是對于操作員操作不當造成的螺絲被打花的問題，還沒有比較具體的、實用的解決方案。經調查發現，螺絲被打花主要是由于操作員經驗不足或操作水平有限，而導致這種情況出現的直接原因是操作員未能用電動起子將螺絲垂直地打進螺孔。這既浪費了資源，又影響了電子產品的質量。要想解決這一問題，就必須要讓電動起子保持正確的打螺絲姿勢，也就是說要讓電動起子與操作面時刻保持垂直。

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

本文所提出的設計就是為了克服現有技術的缺陷，有效解決靈敏度不夠、使用效果不理想等問題。本設計可對操作過程中電動起子偏離參考操作面的角度進行檢測，并在液晶顯示器上實時顯示角度及偏差，如果偏差超出預設范圍則進行蜂鳴器報警并停止電動起子的運行。該裝置結構簡單、使用方便、通用性強，能夠有效提高工作效率并大大減少產品不良率。

1 系統硬件設計

本著盡量減少投資的原則，本設計以ATmega16單片機為核心，采用MMA7361Q三軸小量程加速度傳感器來檢測起子頭傾斜角度和方向，并將其轉化為相應的電壓信號。單片機對這一角度信號進行分析和處理，在液晶屏上顯示實時的角度和偏差，從而對電動起子的工作實現精確控制。當電動起子出現傾斜時，LED閃爍，蜂鳴器發出報警聲音，同時繼電器關斷使電動起子停止工作，及時提醒操作員做出相應的動作調整，從而避免螺絲被打花。本系統硬件結構框圖和系統連接圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 系統硬件方案設計

1.1 加速度傳感器模塊

MMA7361Q功能框圖如圖3所示。其內部主要由雙芯片構成，即重力檢測單元（負責加速度的偵測）與IC控制單元（負責信號處理）。重力檢測單元將檢測到的加速度變化量信號送到C-V轉換電路，然后進行取樣、保持及信號放大處理，最后用低通濾波器濾除高頻噪聲，在溫度補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物件運動和方向的傳感器，它根據物件運動和方向改變輸出信號的電壓值。各軸的信號在不運動或不受重力作用的狀態下 （0 g），其輸出為1.65 V；如果沿著任一方向運動或者受到重力作用，輸出電壓將會根據傳感器運動方向以及設定的傳感器靈敏度而輸出相應的電壓。用單片機的A/D轉換器讀取該輸出信號，就可檢測其運動方向。

1.2 按鍵輸入模塊

圖2 系統連接圖

由于本設計設定功能較為簡單，因此采用簡單易控的獨立功能按鍵。其中，“選擇鍵”用于實現功能切換，另外兩個按鍵分別為用于角度設定的“+”鍵和“-”鍵。

圖3 MMA7361Q功能框圖

1.3 處理器模塊

ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8 bit CMOS微處理器。內置8路10 bit ADC用來處理加速度傳感器輸出的模擬量，當工作于16 MHz時，性能高達16 MIPS，運算速度快，是一款性價比較高的微處理器。

1.4 液晶模塊

1602采用標準的16腳接口，與數碼管相比，其體積小，可顯示豐富的信息，并且控制簡單、顯示效果穩定。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為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10 kΩ的電位器調整對比度）；RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器，低電平時選擇指令寄存器；RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作；E（或EN）端為使能（enable）端；D0～D7 為 8 bit雙向數據端。

1.5 繼電器及蜂鳴器模塊

繼電器和蜂鳴器均采用價格低廉的三極管驅動。低電平觸發蜂鳴器響、繼電器閉合。

2 系統軟件設計

系統軟件設計的關鍵是加速度傳感器（MMA7361Q）準確檢測電動起子傾斜的角度和方向。根據要求，本系統軟件設計采用模塊化結構，主要包括系統主程序、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。

主程序先進行初始化并檢測按鍵輸入，然后調用MMA7361Q程序。在系統報警和電機電源控制部分，蜂鳴器和繼電器分別與單片機的PC0和PC2端口連接；角度檢測程序檢測到PA0、PA1、PA2傳來的信號后，單片機將此信號與預先設定的角度和方向進行對比。如果出現偏差，則通過PC0控制蜂鳴器報警并通過PC2控制繼電器斷開電機電源，再在顯示器上顯示相應信息以提醒操作員做出調整，維持最佳的操作姿態。

主程序流程圖如圖4所示。

本設計的實物結構圖如圖5所示。

其中，1為起子殼體，2為電動機，3為起子頭，4為感器，5為手動開關，6為換向開關，7為電纜，8為控制盒體，9為 ATmega16單片機，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。

本文設計的自動調垂電動起子具有功能多、性價比高等特點，可有效解決實際生產過程中螺絲被打花的問題。它可以任意設定電動起子的初始位置，智能控制電動起子的工作與關斷，控制方便、操作簡單、工作可靠且安全節能，可以滿足電子產品組裝的需要。經實際測試表明，本設計的檢測角度可精確到0.5°，顯示精度可精確到 1°，電動起子相對操作面的初始角度可以在 0°～90°之間進行設置。

[1]徐有涂.測量水平及垂直度的螺絲起子 [P].中國：93243722，1994-10-12.

[2]蘇維嘉，王旭輝.新型加速度傳感器在傾角測量中的應用研究[J].機械研究與應用，2007，20（5）：62-65.

[3]鮑丙豪，周燕，許楨英.傳感器手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[4]周旭.現代傳感器技術 [M].北京：國防工業出版社，2007.

[5]高國富，羅均，謝少榮，等.智能傳感器及其應用[M].北京：化學工業出版社，2005.

[6]余發山，王福忠.單片機原理及應用技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2008.

[7]劉海成.AVR單片機原理及測控工程應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.