基于AVR微处理器的钢坯保温车电气系统

谢 明，任中立，李开添，胡会康

（中冶宝钢技术服务有限公司，上海200941）

为节能降耗，钢铁公司实行的是钢坯热装热送。而炼钢车间与棒材车间一般相距较远，需采用公路热送模式。公路热送的载体则是一种重载半挂车作为牵引，头挂上专用保温罩机构的钢坯保温车。钢坯可直接从台架上装车，运到目的地后再从保温车直接上料装炉，减少了钢坯的入库环节，大幅降低了钢坯热量的损耗，节能效果显著。本文探讨研制钢坯保温车保温罩机构（下称“保温罩”）的电气控制系统，针对保温罩电气系统中可编程微处理器（MCU）的软硬件、控制原理、PCB控制板制作及性能检测进行分析。

1 MCU软硬件

1.1 AVR ATMega48简介

ATMEL在其产品中融入了先进的EEPROM和FlashROM，使产品在结构、性能和功能方面都具有明显优势。而钢坯保温车由于工艺特殊性及使用空间局限性，结构紧凑且动作顺序须严格按预定程序执行。因此选用ATMEL公司基于AVR内核的工业级处理器ATMega48（工作温度－40℃～85℃）作为保温罩的MCU，通过匹配必要的扩展及驱动电路，设计一套可靠、稳定、可编程的保温罩电气控制系统。

作为保温罩的控制核心的ATmega48微处理器，MCU是基于增强的AVR RISC结构低功耗8位CMOS微控制器。其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，使得其数据吞吐率高达1 MIPS／Hz，从而缓解系统在功耗与处理速度之间的矛盾。

ATMega48主要有如下特点：4K系统可编程FLASH，256字节EEPROM，512字节RAM，23个通用I／O口，32个通用工作寄存器，3个具有比较模式的T／C，片内／外中断，可编程看门狗定时器以及6个省电模式等。

本文采用TQFP封装形式，其引脚分配见图1。

图1 ATmega48外观及引脚图

1.2 开发软件

AVR内核MCU具有一整套编程与系统开发工具，包括汇编、C语言编译器，程序调试、软件仿真器等，本文采用以高级语言C为设计手段的Code－Vision（简称CAVAR）作为本系统的开发软件。该软件是HP专门为AVR内核设计的一款低成本的C语言编译器，产生的代码非常严密，效率很高，主要具有如下特点：1）支持bit＼char＼short＼int＼long＼float以及指针等多种数据类型，充分利用存储器；2）内建针对AVR优化的多种选项；3）扩展的一些标准的外部器件支持和接口函数，如标准字符LCD、SPI接口、延时等；4）可以直接在C中写快速易用的中断处理函数。

2 保温罩电气控制原理设计

2.1 保温罩电气控制需求分析

热钢坯吊装靠行车操作，这就要求保温车留给吊具较大空间。分析后发现，保温罩全部打开虽能满足钢坯吊装需求，但仍存在三方面问题：其一，吊装时起不到保温作用，无法减少热量散失；其二，空间局限性，展开面积超过了车间允许值；其三，在全开时开角过大，长期过大的拉力会影响油缸寿命。

鉴于上述原因，笔者为保温罩设计了左右侧门（图2）：保温罩上翻板开启后，侧门再打开；关闭时，侧门先关闭，上翻板再关闭。这就无需大角度开启保温罩。为确保动作先后顺序及自动控制的实现并达到简化系统目的，不采用行程开关作位置检测，而使用精确的延时控制方式来实现动作的自动化。计算得出各动作油缸伸缩时间如表1所示。

图2 钢坯保温车

表1 各动作油缸伸缩时间 s

如果控制好侧板和上翻板的开闭过程，再加上语音提醒、故障报警等必要辅助设备，该保温罩就能满足现场使用要求。

2.2 保温罩控制动作分析及其主控面板

保温罩打开时共有6个动作：声光提醒开启、左侧门开，右侧门开、左上翻动板开、右上翻板开、关闭声光提醒。控制关闭也有6个动作：开启声光提醒、关闭左侧门、关闭右侧门、关闭左翻板、关闭右翻板、关闭声光提醒。因有些动作可同时执行，在设计时根据实际情况使左右两侧门同时开闭，左右两翻板同时开闭。

保温罩主控面板作为控制监视窗口，操作按钮、指示灯等须一应俱全。本系统设计的控制面板含有：3个指示灯（H1—运行、H2—手动、H3—自动），2个选择开关（自动／手动、打开／关闭），6个按钮（启动、急停按钮及4个强制按钮）。面板设计见图3。

图3 保温罩控制面板

2.3 保温罩电气原理设计

图4 ATmega48引脚分布

本文以ATMega48作为保温罩的可编程微控制器，并利用Altium designer设计该MCU的控制原理图，根据需求，其32只引脚分配如图4所示。其中，引脚PB0－PB2用于保温罩电源接通、启动、停止；引脚PB3－PB5用于ISP在线下载技术，方便程序调试及修改；引脚PD0－PD7驱动显示7段数码管显示当前继电器输出情况；引脚PC0－PC5采用低电平输出可吸收40mA电流，确保可靠驱动继电器；时钟采用外接低功率晶振，提高系统时钟精度。

图5为保温罩部分IO接口电路。采用贴片光耦（EL817S）对接收到的信号进行隔离后送入贴片三极管（PMBT2222），再驱动继电器线圈并采用肖特基二极管（SS14）作为继电器线圈的续流二极管。

保温罩IO接口电路共需要驱动7只小型继电器（由上至下为K1－K7），每只继电器两组触点。K1＼K2分别用于控制左右侧板开闭，继电器K3＼K4分别用于控制上翻板开闭；K5用于声光报警；K6＼K7用于启动及紧急停机操作。

图5 保温罩部分IO接口驱动电路

3 保温罩PCB板制作及性能测试

3.1 保温罩PCB板制作

在Altium Designer上设计好保温罩电路原理并经过相关测试后，使用Altium Designer PCB功能设计出PCB布线图。根据安装空间及电磁兼容性等要求，设计出保温罩PCB板（图6）。

图6 保温罩PCB电路板

送往PCB制造厂家制作出保温罩电路控制板，最后安装并烧制编写好的程序，待下一步测试。

3.2 保温罩控制板性能测试

启动保温罩钥匙开关，系统通电，按下启动按钮，系统开始正常工作，绿色指示灯H1亮起。如果选择自动方式，拨动开关拨到“自动”，H2亮（一般选此功能），再选择“打开”或“关闭”。

如果选“打开”，将按步骤实现如下功能：声光提示响起并延时5s后，左右上翻板开始上翻并经过T1延时后（T1＝上翻板伸出时间×裕量K，K取1.2～1.5，此处取1.3），再打开侧板经过T2延时后（T2＝侧板伸出时间×裕量K ，K 取1.2～1.5，此处取1.3），声光提醒音关闭，至此打开过程完成可进行钢坯吊装。

如果选“关闭”，将按步骤实现如下功能：声光提示将响起延时5s后，侧板开始收回，经过T3延时后（T3＝侧板缩回时间×裕量K，K 取1.2～1.5，此处取1.3），左右上翻板开始缩回并经过T4延时后（T4＝上翻板缩回时间×裕量K，K取1.2～1.5，此处取1.3），声光提醒关闭，至此装运过程完成，可开始运输。

如果选手动，H3亮，那么所有动作需手动完成。系统在接受相应指令后进行动作，无论哪个动作，只要动作开始，声光提醒就会开启，按钮松开，声光提醒则同时关闭。手动操作与强制按钮复用，此时不需选择“打开”还是“关闭”，直接操作相应按钮，在“自动”时该按钮功能被禁止。

系统会自我诊断并检测故障，如果运行灯（H1）变为红色时，按下强制按钮也能实现紧急情况的处理，如此时系统正常则该信号不起作用，声光提醒也不会报警。

4 总结

目前已有10台套钢坯保温车用于钢坯热装热送。通过近几个月的跟踪观察，该车各项性能达到设计要求，使用效果理想。用户在使用保温车热装热送后，棒材车间钢坯入炉前温度由之前的400℃左右提高到750℃以上，加热1t钢坯，煤气消耗下降了25m3，按年热装热送能力200万t计算，每年可节约煤气约5 000万m3，减少钢材氧化烧损约3 000t，每年增效超千万元，节能增效明显。

［1］ ATMEL.AVR Atmega48数据手册［S］.美国：ATMEL公司.

［2］ 谢龙汉.AltiumDesigner原理图与PCB设计及仿真［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［3］ 谭浩翔.C语言编程设计［M］.北京：清华大学出版社，2000.