小型平台自动调平控制系统开发

摘要

　　目前, 自动调平技术在大型重载设备上的应用已经研究得比较成熟，但对于小型轻载设备,自动调平技术还涉及得很少。实际上，像电网中常用的对水平度要求较高的小型电力设备——隔离开关机构箱安装平台，它的水平度直接关系到整个电网的可靠运行。为此，本文专门针对小型平台进行自动调平控制系统的研究，结合本课题的实际要求，综合比较多种方案的优缺点，确定了符合本系统的优化调平方案和调平策略，设计出一款以 ATmega162 单片机为控制核心的小型平台机电式自动调平控制系统，实现了小型平台的快速、稳定、高精度自动调平，解决了长期以来人工手动调节小型平台所带来的费时费力、调节精度低等缺陷。本文主要包括以下内容：

　　（1）论文详细叙述了自动调平技术的发展现状与趋势,指出了自动调平控制技术现阶段的主要应用范围,并提出了本文需要解决的关键问题。

　　（2）系统总体方案设计：本文结合选题的要求分析了现有调平方法的优缺点，确定了系统合理的支撑方式和传动方式，然后详细探讨了系统的电气组成和控制原理，完成了系统的总体设计。

　　（3）系统硬件设计：首先结合系统的成本和功能要求,确定系统硬件的总体构成，完成了系统关键元器件的选择，然后分单元对各个功能模块的硬件电路进行了设计，同时充分考虑系统可能存在的干扰问题，设计了相应的抗干扰电路，完成了系统主控制原理图和 PCB 的设计。

　　（4）系统软件设计：首先结合系统功能的要求详细探讨了控制算法、调平流程及控制原理后，提出了合理的主程序设计流程，并用 C 语言按程序流程进行编译，完成了主控驱动程序的设计，然后根据系统对人机界面的要求，完成了人机界面及其驱动程序的设计。

　　（5）系统现场调试：试验结果表明本系统能够很好地满足系统的设计要求，并且为同类产品的设计提供了参考。

　　关键词：小型平台，自动调平，高精度，机电式，单片机

Abstract

　　At present, automatic leveling technology has been more mature in heavy equipment. However, this kind of technology involves little in light equipment. Especially, isolating switch box installation platform is one of power equipments, which is commonly used in power grid and needs a higher level. Its level of accuracy is directly related to the reliable operation of the whole power grid. According to the requirements of the research, the leveling scheme and strategies of this system were determined by comparing the existing solutions. Small platform automatically leveling control system based on the ATmega162 single chip microcomputer was developed, which could realize rapid, stable, and high precision automatic leveling. This project solved a key problem that was the time-consuming and low accuracy of adjusting the small platform, which was brought about by manual adjustment. The paper mainly includes several parts as follows: Firstly, the paper detailed the present situation and trend of the development of automatic leveling technology, pointed out its main scope of application, and put forward the key problems that need to be solved.

　　Secondly, the advantages and disadvantages of the leveling method were analyzed, considering the project requirements of this topic selection. The reasonable supporting way and transmission mode for the system were determined. The electric composition and control principle of the system were discussed thoroughly. Lastly, the overall design of the system was accomplished.

　　Thirdly, the overall composition of the system hardware was determined and the key components were selected, considering the cost and function requirements of the system. Then various element circuits of different functional modules were designed. The corresponding anti-interference circuit was designed, fully considering the interference problem of the system. At last, the main control schematic diagram and PCB for the system were completed.

　　Fourthly, according to requirements of the system functional, the reasonable main program design process was proposed after the discussion of the control algorithm, leveling process and control principle. The main control program was designed by using the C language. According to the requirement of human-machine interface system, the man-machine interface and its driver were achieved.

　　Finally, the test result showed that this system could well meet the requirements of the design and provides reference for the design of similar products.

　　Keywords: Small Platform；Automatic Leveling；High Precision；Electromechanical；Single Chip Microcomputer

　　本选题来源于湖北省教育厅科技计划项目（项目名称：基于并联机器人的平台自动调平技术的研究，项目编号 D20131706）以及横向项目（项目名称：隔离开关机构箱自动调平装置设计，项目编号：2012006），主要用于解决工程实际问题。

　　随着科技的飞速发展，自动调平技术被广泛运用于军事和生活领域。军事上，大量需要高精度平台来确保设备的工作性能和机动性。例如车载雷达平台、导弹及火炮发射平台、激光武器平台等设备[1]，调平精度和调平时间对这类重载设备来说，是一切性能发挥的前提条件，直接关系到战争的成败。这些设备由于任务的需要，经常变换工作地点，到达目的地后，要求能够快速安装并调节设备的高度和水平度，待精度达标才开始工作，工作完成后，又要求能够快速撤收和转移[2]。

　　生活中，汽车车身平台的调节就是自动调平技术最典型的运用。无论是小型汽车还是重型汽车起重机，车身的水平度直接关系到使用的平稳性和安全性。在过去，由于技术的落后,平台的水平度调节主要依靠人工手动完成，具体操作通常是将工作人员分成两组,一组人员手动调节千斤顶或者丝杆，另一组人员负责观察设备上放置的水平仪水泡的位置，直到水泡位于水平仪正中间为止,整个过程不仅费时费力，而且调节精度低、抗倾覆能力差[3]。因此，为了缩短调平时间，提高调平精度，自动调平技术逐步取代手动调平。

　　我国对于重型设备的自动调平技术已经取得了很大成绩，很大程度上满足了国防的需要。但是对于一些小型设备如测量仪器的平台，电力设备机构箱的安装平台等等的自动调平技术仍然涉及得很少。现有的各种调平装置都主要针对各种大型重载设备而设计，普遍具有体积大、结构复杂、成本高等特点。对于一些载荷较小的电力设备机构箱或某些对水平度要求较高的小型设备来说显得不太适用。

　　目前，小型平台，特别是电力设备中的隔离开关操作机构箱等设备仍采用人工手动调节，安装时在机构箱底部放置木箱作为支撑，通过观察放置在机构箱顶部的水平仪，逐步调整底部木箱的高度来实现调平。这种方法不仅耗时长、人工成本高，而且调节精度较低效果不好，容易产生很多故障隐患。但是，隔离开关投入使用之前，必须有一个精度较高的水平度和高度，才能保证整个电网的可靠运行，这就使得隔离开关机构箱的安装成为一个极为重要的环节。正是因为隔离开关的运行状态直接关系到整个电网的可靠运行，若安装位置不当，哪怕一点点偏差，都有可能导致机构输出轴直接承受径向应力，电机转动时，更会对输出轴产生扭力，从而导致其塑性变形，长期运行后，会对隔离刀闸的分、合闸总行程以及输出轴两端固定件产生不可逆的影响。

　　所以，手动调平已经不能满足人们的实际需求。

　　随着电子技术的发展，越来越多的新器件、新方法被运用到自动控制系统中,自动调平技术的优势也就越来越明显,运用范围也越来越广,逐步取代了手动调平，这一革新不仅提高了调平精度,而且缩短了调平时间,更好地满足了严格的现场工作要求。

　　本选题专门针对各种小型设备（如电力机构箱安装平台等）设计一款基于单片机的自动调平控制系统，以解决长期以来人工手动调平带来的费时费力、调节精度低等缺陷，具有良好的实用性和经济性。

　　小型平台自动调平控制系统硬件设计：

ATmega162 实物图

SCA120T-05电压型双轴倾角传感器

倾角传感器的结构图

NS-ZN084A 触摸显示屏实物图

触摸屏菜单显示界面

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 选题的来源、背景及意义
　　　　　　1.1.1 选题的来源
　　　　　　1.1.2 选题的背景及意义
　　　　1.2 自动调平系统的研究进展
　　　　1.3 选题的主要研究内容
　　第 2 章 调平系统的总体方案设计
　　　　2.1 系统的设计要求
　　　　2.2 系统的调平方法
　　　　　　2.2.1 系统支撑方式的选择
　　　　　　2.2.2 传动方式的选择
　　　　2.3 系统的电气设计方案
　　　　　　2.3.1 主控模块
　　　　　　2.3.2 执行机构
　　　　　　2.3.3 传感检测单元
　　　　　　2.3.4“虚腿”及其避免方法
　　　　2.4 系统的控制原理
　　　　2.5 系统的主体构成
　　　　2.6 系统的总体设计
　　　　2.7 本章小结
　　第 3 章 自动调平系统的硬件设计
　　　　3.1 系统软硬件开发工具介绍
　　　　3.2 系统关键元器件的选择
　　　　　　3.2.1 主控芯片的确定
　　　　　　3.2.2 传感器的确定
　　　　　　3.2.3 A/D 转换器的确定
　　　　　　3.2.4 伺服电机的确定
　　　　　　3.2.5 操作面板
　　　　3.3 调平系统的硬件电路设计
　　　　　　3.3.1 ATmega162 最小系统电路设计
　　　　　　3.3.2 水平倾角采集电路设计
　　　　　　3.3.3 LED 指示灯电路设计
　　　　　　3.3.4 系统 A/D 转换电路
　　　　　　3.3.5 抗干扰电路设计
　　　　　　3.3.6 系统主控制电路原理图
　　　　　　3.3.7 系统主控模块 PCB 设计
　　第 4 章 自动调平系统的软件设计
　　　　4.1 系统软件开发工具
　　　　4.2 系统的调平策略
　　　　　　4.2.1 位置误差调平法
　　　　　　4.2.2 角度误差调平法
　　　　　　4.2.3 综合比较确定系统调平方法
　　　　4.3 系统程序流程设计
　　　　　　4.3.1 主控制程序流程设计
　　　　　　4.3.2 调平原理子程序流程设计
　　　　4.4 系统主控驱动程序设计
　　　　4.4.1 串口初始化程序设计
　　　　　　4.4.2 两个定时器初始化程序设计
　　　　　　4.4.3 USART 串口驱动程序设计
　　　　4.5 人机界面驱动程序设计
　　　　　　4.5.1 触摸按键设计
　　　　　　4.5.2 主菜单设计
　　　　　　4.5.3 倾角传感器角度误差值显示程序设计
　　第 5 章 系统的调平试验
　　第 6 章 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　致 谢

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