基于AVR微處理器的鋼坯保溫車電氣系統(tǒng)

謝 明，任中立，李開添，胡會康

（中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司，上海200941）

為節(jié)能降耗，鋼鐵公司實行的是鋼坯熱裝熱送。而煉鋼車間與棒材車間一般相距較遠，需采用公路熱送模式。公路熱送的載體則是一種重載半掛車作為牽引，頭掛上專用保溫罩機構(gòu)的鋼坯保溫車。鋼坯可直接從臺架上裝車，運到目的地后再從保溫車直接上料裝爐，減少了鋼坯的入庫環(huán)節(jié)，大幅降低了鋼坯熱量的損耗，節(jié)能效果顯著。本文探討研制鋼坯保溫車保溫罩機構(gòu)（下稱“保溫罩”）的電氣控制系統(tǒng)，針對保溫罩電氣系統(tǒng)中可編程微處理器（MCU）的軟硬件、控制原理、PCB控制板制作及性能檢測進行分析。

1 MCU軟硬件

1.1 AVR ATMega48簡介

ATMEL在其產(chǎn)品中融入了先進的EEPROM和FlashROM，使產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、性能和功能方面都具有明顯優(yōu)勢。而鋼坯保溫車由于工藝特殊性及使用空間局限性，結(jié)構(gòu)緊湊且動作順序須嚴格按預(yù)定程序執(zhí)行。因此選用ATMEL公司基于AVR內(nèi)核的工業(yè)級處理器ATMega48（工作溫度－40℃～85℃）作為保溫罩的MCU，通過匹配必要的擴展及驅(qū)動電路，設(shè)計一套可靠、穩(wěn)定、可編程的保溫罩電氣控制系統(tǒng)。

作為保溫罩的控制核心的ATmega48微處理器，MCU是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)低功耗8位CMOS微控制器。其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，使得其數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS／Hz，從而緩解系統(tǒng)在功耗與處理速度之間的矛盾。

ATMega48主要有如下特點：4K系統(tǒng)可編程FLASH，256字節(jié)EEPROM，512字節(jié)RAM，23個通用I／O口，32個通用工作寄存器，3個具有比較模式的T／C，片內(nèi)／外中斷，可編程看門狗定時器以及6個省電模式等。

本文采用TQFP封裝形式，其引腳分配見圖1。

圖1 ATmega48外觀及引腳圖

1.2 開發(fā)軟件

AVR內(nèi)核MCU具有一整套編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括匯編、C語言編譯器，程序調(diào)試、軟件仿真器等，本文采用以高級語言C為設(shè)計手段的Code－Vision（簡稱CAVAR）作為本系統(tǒng)的開發(fā)軟件。該軟件是HP專門為AVR內(nèi)核設(shè)計的一款低成本的C語言編譯器，產(chǎn)生的代碼非常嚴密，效率很高，主要具有如下特點：1）支持bit＼char＼short＼int＼long＼float以及指針等多種數(shù)據(jù)類型，充分利用存儲器；2）內(nèi)建針對AVR優(yōu)化的多種選項；3）擴展的一些標準的外部器件支持和接口函數(shù)，如標準字符LCD、SPI接口、延時等；4）可以直接在C中寫快速易用的中斷處理函數(shù)。

2 保溫罩電氣控制原理設(shè)計

2.1 保溫罩電氣控制需求分析

熱鋼坯吊裝靠行車操作，這就要求保溫車留給吊具較大空間。分析后發(fā)現(xiàn)，保溫罩全部打開雖能滿足鋼坯吊裝需求，但仍存在三方面問題：其一，吊裝時起不到保溫作用，無法減少熱量散失；其二，空間局限性，展開面積超過了車間允許值；其三，在全開時開角過大，長期過大的拉力會影響油缸壽命。

鑒于上述原因，筆者為保溫罩設(shè)計了左右側(cè)門（圖2）：保溫罩上翻板開啟后，側(cè)門再打開；關(guān)閉時，側(cè)門先關(guān)閉，上翻板再關(guān)閉。這就無需大角度開啟保溫罩。為確保動作先后順序及自動控制的實現(xiàn)并達到簡化系統(tǒng)目的，不采用行程開關(guān)作位置檢測，而使用精確的延時控制方式來實現(xiàn)動作的自動化。計算得出各動作油缸伸縮時間如表1所示。

圖2 鋼坯保溫車

表1 各動作油缸伸縮時間 s

如果控制好側(cè)板和上翻板的開閉過程，再加上語音提醒、故障報警等必要輔助設(shè)備，該保溫罩就能滿足現(xiàn)場使用要求。

2.2 保溫罩控制動作分析及其主控面板

保溫罩打開時共有6個動作：聲光提醒開啟、左側(cè)門開，右側(cè)門開、左上翻動板開、右上翻板開、關(guān)閉聲光提醒。控制關(guān)閉也有6個動作：開啟聲光提醒、關(guān)閉左側(cè)門、關(guān)閉右側(cè)門、關(guān)閉左翻板、關(guān)閉右翻板、關(guān)閉聲光提醒。因有些動作可同時執(zhí)行，在設(shè)計時根據(jù)實際情況使左右兩側(cè)門同時開閉，左右兩翻板同時開閉。

保溫罩主控面板作為控制監(jiān)視窗口，操作按鈕、指示燈等須一應(yīng)俱全。本系統(tǒng)設(shè)計的控制面板含有：3個指示燈（H1—運行、H2—手動、H3—自動），2個選擇開關(guān)（自動／手動、打開／關(guān)閉），6個按鈕（啟動、急停按鈕及4個強制按鈕）。面板設(shè)計見圖3。

圖3 保溫罩控制面板

2.3 保溫罩電氣原理設(shè)計

圖4 ATmega48引腳分布

本文以ATMega48作為保溫罩的可編程微控制器，并利用Altium designer設(shè)計該MCU的控制原理圖，根據(jù)需求，其32只引腳分配如圖4所示。其中，引腳PB0－PB2用于保溫罩電源接通、啟動、停止；引腳PB3－PB5用于ISP在線下載技術(shù)，方便程序調(diào)試及修改；引腳PD0－PD7驅(qū)動顯示7段數(shù)碼管顯示當前繼電器輸出情況；引腳PC0－PC5采用低電平輸出可吸收40mA電流，確保可靠驅(qū)動繼電器；時鐘采用外接低功率晶振，提高系統(tǒng)時鐘精度。

圖5為保溫罩部分IO接口電路。采用貼片光耦（EL817S）對接收到的信號進行隔離后送入貼片三極管（PMBT2222），再驅(qū)動繼電器線圈并采用肖特基二極管（SS14）作為繼電器線圈的續(xù)流二極管。

保溫罩IO接口電路共需要驅(qū)動7只小型繼電器（由上至下為K1－K7），每只繼電器兩組觸點。K1＼K2分別用于控制左右側(cè)板開閉，繼電器K3＼K4分別用于控制上翻板開閉；K5用于聲光報警；K6＼K7用于啟動及緊急停機操作。

圖5 保溫罩部分IO接口驅(qū)動電路

3 保溫罩PCB板制作及性能測試

3.1 保溫罩PCB板制作

在Altium Designer上設(shè)計好保溫罩電路原理并經(jīng)過相關(guān)測試后，使用Altium Designer PCB功能設(shè)計出PCB布線圖。根據(jù)安裝空間及電磁兼容性等要求，設(shè)計出保溫罩PCB板（圖6）。

圖6 保溫罩PCB電路板

送往PCB制造廠家制作出保溫罩電路控制板，最后安裝并燒制編寫好的程序，待下一步測試。

3.2 保溫罩控制板性能測試

啟動保溫罩鑰匙開關(guān)，系統(tǒng)通電，按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始正常工作，綠色指示燈H1亮起。如果選擇自動方式，撥動開關(guān)撥到“自動”，H2亮（一般選此功能），再選擇“打開”或“關(guān)閉”。

如果選“打開”，將按步驟實現(xiàn)如下功能：聲光提示響起并延時5s后，左右上翻板開始上翻并經(jīng)過T1延時后（T1＝上翻板伸出時間×裕量K，K取1.2～1.5，此處取1.3），再打開側(cè)板經(jīng)過T2延時后（T2＝側(cè)板伸出時間×裕量K ，K 取1.2～1.5，此處取1.3），聲光提醒音關(guān)閉，至此打開過程完成可進行鋼坯吊裝。

如果選“關(guān)閉”，將按步驟實現(xiàn)如下功能：聲光提示將響起延時5s后，側(cè)板開始收回，經(jīng)過T3延時后（T3＝側(cè)板縮回時間×裕量K，K 取1.2～1.5，此處取1.3），左右上翻板開始縮回并經(jīng)過T4延時后（T4＝上翻板縮回時間×裕量K，K取1.2～1.5，此處取1.3），聲光提醒關(guān)閉，至此裝運過程完成，可開始運輸。

如果選手動，H3亮，那么所有動作需手動完成。系統(tǒng)在接受相應(yīng)指令后進行動作，無論哪個動作，只要動作開始，聲光提醒就會開啟，按鈕松開，聲光提醒則同時關(guān)閉。手動操作與強制按鈕復(fù)用，此時不需選擇“打開”還是“關(guān)閉”，直接操作相應(yīng)按鈕，在“自動”時該按鈕功能被禁止。

系統(tǒng)會自我診斷并檢測故障，如果運行燈（H1）變?yōu)榧t色時，按下強制按鈕也能實現(xiàn)緊急情況的處理，如此時系統(tǒng)正常則該信號不起作用，聲光提醒也不會報警。

4 總結(jié)

目前已有10臺套鋼坯保溫車用于鋼坯熱裝熱送。通過近幾個月的跟蹤觀察，該車各項性能達到設(shè)計要求，使用效果理想。用戶在使用保溫車熱裝熱送后，棒材車間鋼坯入爐前溫度由之前的400℃左右提高到750℃以上，加熱1t鋼坯，煤氣消耗下降了25m3，按年熱裝熱送能力200萬t計算，每年可節(jié)約煤氣約5 000萬m3，減少鋼材氧化燒損約3 000t，每年增效超千萬元，節(jié)能增效明顯。

［1］ ATMEL.AVR Atmega48數(shù)據(jù)手冊［S］.美國：ATMEL公司.

［2］ 謝龍漢.AltiumDesigner原理圖與PCB設(shè)計及仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［3］ 譚浩翔.C語言編程設(shè)計［M］.北京：清華大學出版社，2000.