方凱 周孟然 胡鋒

1.安慶聯(lián)動(dòng)屬具股份有限公司；2.安徽理工大學(xué)

針對(duì)叉車屬具油路損耗的可靠監(jiān)測(cè)的迫切需求，基于STM32 研制了一種叉車屬具油路損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用多種傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)油路參數(shù)，并結(jié)合信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)了叉車屬具液壓油路的多參數(shù)測(cè)量，并可以對(duì)油路的損耗情況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了叉車屬具油路的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，對(duì)于保障叉車屬具安全、可靠工作具有重要意義。

叉車屬具（Forklift Truck Attachment）是一類能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化裝卸、搬運(yùn)和堆垛的設(shè)備，也是充分發(fā)揮叉車一機(jī)多用功能的優(yōu)良幫手。叉車在進(jìn)行貨物搬運(yùn)的過程中，主要是依靠液壓油的壓力來完成不同貨物的安全可靠的裝卸、搬運(yùn)和堆垛。叉車油缸出來的初始油壓，在經(jīng)過閥門、油管、執(zhí)行單元等功能部件后，每個(gè)部件都會(huì)產(chǎn)生一定的油壓損失，監(jiān)測(cè)屬具不同位置的油壓、流量、溫度等基本信息，這樣一方面可以準(zhǔn)確掌握油壓的損耗情況，另一方面也可以對(duì)相關(guān)功能部件進(jìn)行改進(jìn)以減下油壓損壞。雖然市場(chǎng)上也有一些企業(yè)提供屬具油路損耗系統(tǒng)的解決方案，但是存在價(jià)格昂貴、檢測(cè)精度不高、操作復(fù)雜等限制，因此針對(duì)叉車屬具的油路損耗監(jiān)測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，研制出一款油路損耗監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)屬具油路中油壓損失情況的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，其將具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)叉車屬具油路損耗的可靠監(jiān)測(cè)，利用多種傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)油路參數(shù)，并結(jié)合信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換裝置，最后將測(cè)量的油路參數(shù)通過微處理器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，同時(shí)利用微處理器對(duì)不同功能部件的油壓損失情況進(jìn)行分析，將不同功能部件的油壓損失情況顯示在液晶顯示屏上。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，設(shè)計(jì)“叉車屬具油路損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，如圖1 所示，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括油路檢測(cè)單元、主控單元以及顯示單元。油路檢測(cè)單元主要是用于叉車屬具的相關(guān)油路參數(shù)測(cè)量，主要包括壓力傳感器、流量傳感器以及溫度傳感器等，通過在閥門、油管等功能部件兩端布置油壓檢測(cè)單元完成兩端液壓參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，再通過計(jì)算得到經(jīng)過該部件的油油路損失情況。主控單元作為整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，主要是實(shí)現(xiàn)傳感器參數(shù)采集的控制、液壓參數(shù)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及液壓參數(shù)的顯示等功能，該單元主要包括微控制器、時(shí)鐘模塊、儲(chǔ)存模塊以及微控制器正常運(yùn)行的相關(guān)輔助電路。顯示單元主要是作為該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能選擇和液壓參數(shù)顯示等功能，該單元主要包括觸摸屏、顯示驅(qū)動(dòng)模塊和觸摸驅(qū)動(dòng)模塊等。此外，為了保障叉車屬具油路損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，還需要根據(jù)各個(gè)功能單元的需求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電源模塊。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成Fig.1 Hardware composition of the system

在油路檢測(cè)單元中，主要是通過相關(guān)傳感器采集液壓油的壓力、流量、溫度等基本參數(shù)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該單元通過壓力傳感器、流量傳感器以及溫度傳感器采集液壓油的壓力、流量和溫度信息，在通過相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行信號(hào)的放大和變換等，最后傳輸至主控單元中進(jìn)行油路損耗的分析、顯示等。

圖2 油路檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural block diagram of oil circuit detection unit

本系統(tǒng)的工作流程為：首先，通過顯示單元中的觸摸屏選擇油路損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能；隨后，觸摸屏輸入的控制指令通過主控單元的微控制器讀取和理解，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的參數(shù)測(cè)量指令發(fā)送給傳感檢測(cè)單元；接下來，相應(yīng)的傳感器開始工作，采集壓力、流量、溫度等參數(shù)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理單元的調(diào)理和轉(zhuǎn)換后送入主控單元的微控制器中；最后，微控制器對(duì)調(diào)理、轉(zhuǎn)換后的油路信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，再通過計(jì)算得到經(jīng)過該部件的油油路損失情況，并通過顯示命令發(fā)送至顯示單元，最終在觸摸屏中實(shí)現(xiàn)油路損失情況的顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32L151 主控單元

為了實(shí)現(xiàn)油路損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各功能部件的有機(jī)協(xié)作，必須采用可靠的微控制器作為控制核心，本設(shè)計(jì)采用的是ST 公司的超低功耗STM32L151，該微控制器內(nèi)部將通用串行總線（USB）的連接能力與高性能ARM?Cortex?-M3 32 位RISC 內(nèi)核（以32MHz（33.3 DMIPS）的頻率運(yùn)行）、內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）結(jié)合在一起，這些優(yōu)異特性使其能夠滿足叉車屬具油路損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。STM32L151 引腳分布如圖3 所示。

圖3 STM32L151 引腳圖Fig.3 Pin diagram of STM32L151

2.2 顯示單元

本設(shè)計(jì)采用淘晶馳的TJC8048K070 型觸摸屏來實(shí)現(xiàn)顯示和和諧的人機(jī)交互，該顯示屏具有7 寸的顯示尺寸（分辨率達(dá)到了800×480），能夠提供優(yōu)異的顯示效果。同時(shí)，該顯示模塊可以通過USART 串口就能夠和STM32L151主控單元實(shí)現(xiàn)通信和信息交互，大大縮減了開發(fā)周期。除此之外，其配置了16M 的Flash 和2048bytes 的RAM，能夠滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于液壓油三參數(shù)（壓力、流量和溫度）的顯示和處理。總而言之，這些優(yōu)異特性使其能夠滿足叉車屬具油路損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。TJC8048K070接口特性如圖4 所示。

圖4 TJC8048K070 接口特性參數(shù)Fig.4 Interface characteristic parameters of TJC8048K070

2.3 壓力傳感器

為了實(shí)現(xiàn)叉車屬具液壓油壓力的準(zhǔn)確測(cè)量，綜合考慮傳感器性能、安裝難易度以及性價(jià)比等諸多因素，本系統(tǒng)最終選擇型號(hào)為MIK-P300 的壓力傳感器作為油壓測(cè)量的前端傳感單元，其實(shí)物圖如圖5 所示。

圖5 MIK-P300 壓力傳感器實(shí)物圖Fig.5 Physical drawing of MIK-P300 pressure sensor

2.4 流量傳感器

為了實(shí)現(xiàn)叉車屬具液壓油流量的準(zhǔn)確測(cè)量，本系統(tǒng)選用型號(hào)為FS-LWGY10 型的流量傳感器，其實(shí)物圖如圖6 所示。該傳感器的基本原理是：當(dāng)被測(cè)量液壓油流經(jīng)傳感器的時(shí)候，在液壓油的作用下，其內(nèi)部的葉輪將會(huì)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度和流體的平均流速是成正比的，同時(shí)葉輪的周期性選擇也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部磁通的變化，產(chǎn)生周期的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過測(cè)量該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)即可簡(jiǎn)介地測(cè)量液壓油的流量。

圖6 FS-LWGY10 型的流量傳感器實(shí)物圖Fig.6 Physical drawing of FS-LWGY10 flow sensor

2.5 溫度傳感器

為了實(shí)現(xiàn)叉車屬具液壓油溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，本系統(tǒng)選用型號(hào)為TS-SWB200 的溫度傳感器，該通用型溫度變送器采用高精度PT100 作為信號(hào)測(cè)量元件，并通過穩(wěn)定可靠且抗干擾能力強(qiáng)的放大電路，將被測(cè)介質(zhì)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，且有精湛的封裝技術(shù)和完善的檢測(cè)工藝確保了該產(chǎn)品優(yōu)異的性能，其實(shí)物如圖7 所示。

圖7 TS-SWB200 的溫度傳感器的實(shí)物圖Fig.7 Physical drawing of temperature sensor of TS-SWB200

2.6 模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊

壓力傳感器、流量傳感器以及溫度傳感主要作用是將壓力、流量和溫度等非電物理量轉(zhuǎn)化為電氣物理量，但是傳感器采集到信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后仍然是模擬量信息，不能直接作為微控制器的輸入，因此，需要增加模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊，將這些采集到的模擬量數(shù)字化，形成微處理器便于讀取、傳輸、存儲(chǔ)以及分析的數(shù)字量信號(hào)。本系統(tǒng)為了采集到兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的油路數(shù)據(jù)（每個(gè)點(diǎn)包含油壓、流量和溫度三個(gè)數(shù)據(jù)），共計(jì)需要采集6 個(gè)油路數(shù)據(jù)，因此需要使用2 片ADS1115來完成模擬量信號(hào)到數(shù)字量信號(hào)的轉(zhuǎn)化，ADS1115 實(shí)物圖如圖8 所示。

圖8 ADS1115 實(shí)物圖Fig.8 Physical drawing of ADS1115

2.7 電源模塊

本系統(tǒng)需要的電源主要是給微控制器、傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、視覺單元、儲(chǔ)存器、觸摸屏以及相關(guān)輔助電路進(jìn)行供電，主要電壓等級(jí)有DC 24V 和DC5V。為了保證系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性，采用12V 聚合物鋰電池作為系統(tǒng)電源，再經(jīng)過升壓模塊（XL6009 芯片）和降壓模塊（LM2596 芯片）分別得到DC 24V 和DC 5V電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32L151 作為中央控制單元，根據(jù)圖9 所示主程序流程圖在STM32L151 中設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序代碼，軟件系統(tǒng)的主要工作流程為：油路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開機(jī)后，首先軟件系統(tǒng)會(huì)被激活并對(duì)芯片和各功能子程序進(jìn)行初始化，初始化完成后系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，等待操作人員從觸摸屏以觸摸方式選擇相應(yīng)的功能，在功能選定后STM32L151 主控單元會(huì)發(fā)送指令控制相應(yīng)傳感器采集數(shù)據(jù)，傳感器采集到的模擬量數(shù)據(jù)經(jīng)過AD 模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化后，傳輸回STM32L151 主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，并通過串口發(fā)送至觸摸屏進(jìn)行叉車屬具油路參數(shù)和損失情況的顯示。

圖9 主程序流程圖Fig.9 Flow chart of main program

4 總結(jié)

為解決叉車屬具油路損耗監(jiān)測(cè)這一的問題，以STM32L151 作為主控單元設(shè)計(jì)了一款叉車屬具油路損耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器等多種傳感器實(shí)現(xiàn)了叉車屬具液壓油路的多參數(shù)測(cè)量，并可以對(duì)油路的損耗情況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了叉車屬具油路的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，對(duì)于保障叉車屬具安全、可靠工作具有重要意義。

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