液壓挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

1、<p>　　液壓挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究</p><p>　　[摘 要]液壓挖掘機(jī)在使用過(guò)程當(dāng)中經(jīng)常會(huì)遇到故障警報(bào)，目前最欠缺的就是方便可讀，人機(jī)界面友好的液壓挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。本文就這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究做了相關(guān)的說(shuō)明和介紹。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]液壓挖掘機(jī) 監(jiān)控系統(tǒng) 單片機(jī) 數(shù)字化 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2、文章編號(hào)：1009-914X（2015）02-0000-01 </p><p><b>　　一、前言 </b></p><p>　　隨著液壓挖掘機(jī)使用范圍的越來(lái)越廣泛，對(duì)于液壓挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。目前的監(jiān)控系統(tǒng)依然處于比較早期的發(fā)展階段，需要設(shè)計(jì)和研究一種新的，可以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的液壓挖掘機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。 </p><p>　　二、國(guó)內(nèi)

3、液壓挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 </p><p>　　1、在國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的工程機(jī)械控制器中，長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠使用的WYl60B型液壓挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有代表性。WYl60B型液壓挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是浙江大學(xué)與長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠合作，經(jīng)過(guò)三輪試制和改進(jìn)，研制出中國(guó)第一代機(jī)電一體化的液壓挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。機(jī)上裝設(shè)了便攜/固定兩用式液壓挖掘機(jī)工況監(jiān)測(cè)和故障查找裝置，該裝置以MCS一51系列單片機(jī)為核心，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓、動(dòng)力、電氣及其他部分

4、的共計(jì)16路運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，在液晶顯示屏上顯示出電路模擬量參數(shù)具體值。當(dāng)監(jiān)控到故障信息時(shí)，根據(jù)裝置內(nèi)的故障經(jīng)驗(yàn)庫(kù)即可大致推出故障部位，并有聲、光、圖同時(shí)報(bào)警能力，通過(guò)控制匾板上的按鍵進(jìn)行操作，能在液晶顯示屏上以漢字的形式告訴操作員應(yīng)采取的對(duì)策。 </p><p>　　2、監(jiān)控的參數(shù)包括液壓系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)共16路參數(shù)，采用液晶漢字顯示，在一片液晶屏上集中顯示挖掘機(jī)作業(yè)過(guò)程中的全部參數(shù)，若永久固定于

5、主機(jī)上，還可取代傳統(tǒng)的儀表箱。DJX-OI監(jiān)控系統(tǒng)由電子監(jiān)控儀（簡(jiǎn)稱主機(jī)），溫度、壓力、液位和轉(zhuǎn)速等傳感器，報(bào)警燈及蜂鳴器控制電路等組成。系統(tǒng)監(jiān)控的工作參數(shù)有：溫度、壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等。 </p><p><b>　　主要性能指標(biāo)： </b></p><p>　　1）供電電源：電壓DCl8～DC30V、最大功耗_<20VA， </p><

6、;p>　　2）監(jiān)控路數(shù)：7路模擬量、8路開關(guān)量（可根據(jù)需要來(lái)擴(kuò)展）； </p><p><b>　　3）監(jiān)控項(xiàng)目： </b></p><p>　　溫度監(jiān)控：監(jiān)控范圍0～150℃、分辨率l℃、最大誤差≤±3℃； </p><p>　　壓力監(jiān)控：監(jiān)控范圍O～40mPa、分辨率0.01MPa、最大誤差蔓士2%； </p>

7、<p>　　電壓監(jiān)控：監(jiān)控范圍DCO～40V、分辨率0.IV、最大誤差≤10.3V； </p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控：監(jiān)控范圍O～4000r/min、分辨率1 r/min、最大誤差≤±l%： </p><p>　　車速監(jiān)控：監(jiān)控范圍0～140km/h、分辨率l kⅢ/h、最大誤差≤±1%； </p><p>　　角度監(jiān)控：監(jiān)控范

8、圍±900、分辨率10、最大誤差≤士1 o。 </p><p>　　3、通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外具有代表性的液壓挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的分析，它們共同的功能是具有數(shù)據(jù)采集、工況顯示、故障報(bào)警、掉電保存等，但在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，相對(duì)于國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)過(guò)于簡(jiǎn)單，不具有開放性，擴(kuò)展能力過(guò)小。雖然都具有工況顯示功能，但大多還是用字符顯示，沒(méi)有充分利用點(diǎn)陣式液晶屏的優(yōu)點(diǎn)?？傊?，隨著液壓挖掘機(jī)智能化程度不斷提高，其相應(yīng)

9、的控制系統(tǒng)會(huì)變得更復(fù)雜，具有開放性、通用性、易擴(kuò)展性特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)愈加重要。 </p><p><b>　　三、系統(tǒng)的組成 </b></p><p>　　1、CAN系統(tǒng)的組成 </p><p>　　CAN （Control Area Network）總線是德國(guó)Bosch公司從20世紀(jì)8O年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)儀之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)

10、的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，有著高速傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。在液壓挖掘機(jī)中使用CAN總線技術(shù)，可以構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化水平，并增加了系統(tǒng)控制的靈活性。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、泵控制器和電子監(jiān)控器構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，并通過(guò)CAN總線進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開度，泵控制器通過(guò)控制電磁比例減壓閥的輸出壓力，來(lái)控制變量泵的斜盤角度從而改變泵的排量，

11、系統(tǒng)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)一泵的復(fù)合控制使發(fā)動(dòng)機(jī)在每一種工作模式下都工作在最佳工作點(diǎn)處。 </p><p>　　2、監(jiān)控系統(tǒng)的組成 </p><p>　　在系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)采用Cummins公司生產(chǎn)的6BTA5.9系列發(fā)動(dòng)機(jī)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用STM力矩電機(jī)；比例減壓閥、變量泵分別為川崎公司的KDRDE5KR系列電磁比例減壓閥和K3V系列斜盤式柱塞泵變量泵；發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、泵控制器的MCU采用FUJITSU公司

12、的MB90F549芯片，其內(nèi)部具有兩個(gè)獨(dú)立的CAN控制器 ，可以很方便地掛接在總線上；電子監(jiān)控器采用SAMSUNG公司的$3C2410系列ARM9處理芯片，構(gòu)成嵌入式操作系統(tǒng)。 </p><p>　　3、基于CANOpen協(xié)議的數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)CANOpen是基于CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，它最初由從事工業(yè)控制的CiA （CAN in Automation）會(huì)員開發(fā)。由于CANOpen是一種公共、開放、通用的協(xié)議，而且

13、精練透明、容易開發(fā)， 因此在發(fā)布后不久就獲得了廣泛的認(rèn)同。開發(fā)符合CANOpen協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)有利于設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化，使得任何符合CANO―pen協(xié)議的設(shè)備都可以很方便地掛接到監(jiān)控系統(tǒng)中。關(guān)于CANOpen協(xié)議內(nèi)容分析的文章很多 。但是實(shí)際應(yīng)用性的文章并不多，本文在簡(jiǎn)單分析協(xié)議實(shí)質(zhì)及核心內(nèi)容的基礎(chǔ)上，著重給出開發(fā)基于CANOpen協(xié)議的數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)的方法。 </p><p>　　四、 相關(guān)元件的設(shè)計(jì) </p&

14、gt;<p>　　1、信號(hào)采集單元的設(shè)計(jì) </p><p>　　信號(hào)采集裝置用于采集挖掘機(jī)各部分的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。該裝置包括計(jì)數(shù)器、光電隔離芯片和濾波器。該系統(tǒng)需要用轉(zhuǎn)速傳感器從發(fā)動(dòng)機(jī)采集高速脈沖信號(hào)，然后接計(jì)數(shù)器TS3V555計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)光電隔離芯片HCPL0600再提供給C8051F020的Po口。來(lái)自傳感器的信號(hào)主要是模擬信號(hào)，濾波后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換再輸入給光電隔離芯片HCPL0600，直接提供給C

15、8051F020的P0口，開關(guān)信號(hào)則只需要數(shù)字濾波，光電隔離PS2801―1提供給C80511F020的P2 El和P3 El。采用光電濾波（隔離）的目的是提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 </p><p>　　2、電源模塊的設(shè)計(jì) </p><p>　　由于挖掘機(jī)特殊的工況要求，設(shè)計(jì)的電源模塊可以自動(dòng)識(shí)別12V/24V的車載電壓，該電源模塊能夠自動(dòng)適應(yīng)9～36V的寬電壓輸入，轉(zhuǎn)化為5 V的穩(wěn)定電壓輸

16、出，為了避免模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的干擾，同時(shí)保證控制板正常工作，對(duì)模擬信號(hào)處理模塊和數(shù)字信號(hào)處理模塊單獨(dú)供電，給液晶屏的5 V電源也進(jìn)行了濾波處理。C80511F020的3.3 V工作電源是將5 V的電源通過(guò)芯片ASM117轉(zhuǎn)化得到的。 </p><p><b>　　3、串口通訊模塊 </b></p><p>　　挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)要與上位機(jī)通訊，于是筆者設(shè)計(jì)了串口通訊

17、模塊，主要采用MAX232來(lái)實(shí)現(xiàn)。在該設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，其中RXD和TXD與C8051F020的PO.0和PO.1口相連接。 </p><p>　　4、看門狗電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　看門狗電路其實(shí)是一個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器，有一個(gè)定時(shí)器控制寄存器，可以設(shè)定時(shí)間（開狗），到達(dá)時(shí)間后要置位（喂狗），如果沒(méi)有，就認(rèn)為是程序跑飛，就會(huì)發(fā)出RESET指令。為了提高程序的可靠性，此先進(jìn)的看門狗電路，用來(lái)監(jiān)

18、視C8051F020內(nèi)部程序運(yùn)行狀態(tài)，在程序跑飛或死鎖的情況下，可以自動(dòng)復(fù)位。 </p><p><b>　　5、顯示模塊 </b></p><p>　　本系統(tǒng)采用320x240圖形點(diǎn)陣式液晶屏，液晶屏的顯示由SED1335芯片驅(qū)動(dòng)行、列掃描芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此只要實(shí)現(xiàn)C8051F020對(duì)SED1335進(jìn)行控制即可完成系統(tǒng)的顯示功能。 </p><p&

19、gt;<b>　　五、結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　本文就液壓挖掘機(jī)的相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究進(jìn)行了論述，在將來(lái)只有系統(tǒng)展示界面友好，適合我國(guó)使用習(xí)慣的監(jiān)控系統(tǒng)才可以獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 李鋒偉，王彥章，龔潤(rùn)弘“基于GPRS或3G技術(shù)的GPS