单片机智能注油系统项目设计方案

1 单片机智能注油系统项目设计方案 计的背景及意义 伴随着科学技术日益的更新及发展，无论是在化工、冶金、汽车等重工业，还是印刷、纺织等轻工业，都离不开机械设备。为了延长机械设备的寿命，就需要定期做好维护工作，其中很重要的一点就是涂抹润滑油。然而有些注油空间狭窄而又需要频繁注油，或者属于危险区域，不宜人工操作，这就促使了对智能注油系统的研究与发明。 智能注油系统的发明与应用，不仅减少了投资成本，提高了工作效率，而且避免了危险区域的人为作业，减少了人身伤害，对轻、重工业的发展起到了极大的推进作用。 内外现状及发展趋势 经过几十年的发展，注油器的种类已有很多种，如高压注油器，林肯注油器，自动注油器，脚踏注油器，电动注油器等等，种类不同，所涉及的领域、功能也不尽相同。 在国外，美国为注油系统发展最先进的国家，其中 能润滑系统作为多点数码加脂器，当设备检测到压力达到 28，注油器进行工作。所要注射的油脂被预先设置好数量和时间频率，然后被高压驱动传输。 代替人工，安全可靠，循环使用，经济环保。 当前国内的技术与国外还是有些差距，来自台湾的易力润所设计的操作技术与解决办法是最先进、也 是最简易可靠的。整个系统完全独立，其润滑周期可以自由设定，被精确的控制在每个月份，完全自动给设备上油，是国内各研究机构及企业学习、追求的榜样。 题的主要任务和目标 课题要求设计一套 套生产线，对手套进行自动注油的系统，实现对整条手套生产线自动润滑的目的。课题中，选取 89片机作为中枢控制器，选取红外线对射管（ 套进行检测，当检测到物体时输出信号给单片机，单片机驱动继电器对电磁铁通电；选取油位传感器对液位进行检测，当检测到液位在警戒线以下时，输出信号给 单片机，控制蜂鸣器报警，并停止注油；选取 钟芯片、 1602 液晶模块分别用作定时功能和显示功能，这样可以控制注油系统的工作和休息周期，防止机器过度工作，以避免产生不必要的损耗。 智能注油系统设计与实现 2 2 2 智能注油系 统设计方案 油器的结构和工作原理 注油器由若干个注油泵、油箱及传动部分组成。 1注油泵 注油器的主体为注油泵。注油泵通过螺丝母与箱体成为一体，利用杠杆原理推动注油泵工作。当注油泵开始工作时，凸轮偏心距变小，柱塞往下移动，这样柱塞套内就形成真空状态。此时由于产生了气压差，润滑油就会被吸入吸油管，在经 过泵体进入滴管中，这时视油罩内也是真空状态，利用此真空状态，油从滴油管中吸出，然后又从视油罩重新进入泵体。当偏心距变大时，柱塞向上运动，此时润滑油通过注油阀，将油滴滴在各个润滑点。 根据柱塞直径和柱塞行程的不同有：中压 (16高压 (32超高压 (40、63、 100大类注油泵。注油泵与相应的油箱及传动部份可组合成中压、高压、超高压三大类注油器。 2油箱 油箱作为存储润滑油的主要部件，是每台注油器必不可少的。油箱内的凸轮带动注油泵工作，凸轮轴的规格参数不尽相同，主要由凸轮的数目决定。 3传动部份 传动部份主要分为两大类： I、由主机带动； 独传动。 I、由主机带动的注油器有三种标准型式： (1)：联轴器型，由主机通过超越离合联轴器传动工作 (2)：摆杆型，由主机带动摆杆传动工作 (3)：键联接型，凸轮轴头部带有平键，由主机直接传动工作 独传动的注油器有 ： 由电动机通过下方减速器的二级传动带动凸轮轴转动。若双联注油器，则两油箱凸轮轴之间有联轴节，带动两凸轮轴同步转动，从而使两油箱上方的注油泵每两同步运行，而油箱侧面的摇手只备在需要手动时使用。 计方案概述 课题要求设计一套 套生产线上对手模进行自动注油的系统，实现对整条手套生产线自动润滑的目的。 利用光电传感器，根据设定的时间，对自动生产线上的 模是否到达位置进行自动检测，到达位置后，给一个信号，驱动继电器对电磁铁通电，电磁铁推动油阀进行注油。当油箱油位达到最低限度时，驱动蜂鸣器进行报警同时切断注油电路。对油位能够进行指示。如图 2总体方案结构框图： 3 智 能 注 油 系 统硬 件 设 计软 件 设 计手套检测模块液位检测模块驱动模块时钟模块r o tu e 制 作 实 物图 2计方案流程图 图 2 智能注油系统的流程图： 智能注油系统设计与实现 4 4 红 外 传 感 器 传 感 器继 电 器 （ 驱 动 电 磁 线圈 ）时 钟 模 块蜂 鸣 器 报 警（ 液 位 过 低 ）图 2能注油系统的流程图 制器的选择 方案一：采用传统的 片机作为控制中枢。这种单片机具有较强的算术运算能力，而且程序编写灵活，自由度大。 列单片机为国内自主创新研发，成本低，更加经济，再加上功耗低、体积小等特点，在各个领域被广泛应用。 方案二： 片机，带有非易失性 序存储器。它是一种高性能的微处理芯片，运算处理速度要比 快，但是功耗较 高一些，成本也要比 51 单片机更高。 要性能： 9片机，六个和十二个机器周期可以自行选择，传统 片机被其完全兼容。 5V 单片机 )/3V 单片机） 0 0+85 能 个 16 位 定时器 /计数器 用程序 空间 12K/10K/8K/6K/4K/2K 字节 外部高精度晶体 / 时钟，内部 R/C 振荡器。 有 能。 5 套检测模块的选择 方案一：采用工业级的光电传感器。 这种传感器普遍用于自动流水线，自动开关门（如电梯）等工业场所。这种传感器使用方便，输出量为开关量，无需外加其它硬件电路，而且型号较多，适用于很多场所。缺点是价格较贵。 方案二：采用微型红外对射管 红外线的特点是传输距离远，能量 比较集中。当对射管之间没有物体遮挡时，发射管发射红外到接收管上，接收管此时信号发出。当有物体遮挡时，接收管无动作。 综上所述，选取方案二，使用 红外线对射管。 时、显示模块的选择 时模块 方案一：采用专用时钟芯片。 现在市面上的时钟芯片有很多，各个时钟芯片的应用也比较成，如 。它们的优势是可以独立使用，直接与单片机的外围相连接，并且有自己的时钟晶振，具有较高的精确度。当单片机在运行程序，意外发生死机或断电的状况时，对时钟电路的影响较小。缺点是在一定程度上占用了单片 机的 ，也消耗了单片机的运行时间。 方案二：采用单片机内置时钟振荡及定时器构件时钟平台。 这种案直接利用了单片机的内置定时器，时钟功能通过对定时器的控制来实现。这种方案无需外围硬件电路，定时功能得到充分的利用，但是主要缺点是当单片机断电或者死机时，需要人工重新设定才能恢复正常使用，较为繁琐。 综上所诉，因为单片机的 足够，且系统对于时间的精度要求较高，故选用方案一。 示模块 方案一：采用 示。 字符型液晶， 对于字母和数字的显示较为方便，适合较为简单的系统 显示。 晶显示器 有点颇多，可以简单明了的显示系统时间，成本低，体积小，功耗低。其越来越多的被应用到低功耗的系统当中。 方案二：采用 12864 液晶显示。 晶显示信息量大，这类液晶的优点是能够显示汉字，不仅仅限于字母数字的显示。但对于较简单的系统显示，其成本较高，利用率相对较低。相当来说程序和电路都复杂些。而且 12864 是串口通信，而 1602 为并口传输，相对 12864更快一些。 智能注油系统设计与实现 6 6 方案三：采用数码管显示 数码管显示内容单一，只能显示数字或者字母，亮度显示较高，成本低。但是会占用单片 机很多的 ，还需要外接驱动电路，如 。 综上所诉，因本设计对时钟显示较高，且不需要汉子显示，故采用方案一。 动模块 选取 动 5V 继电器 对电磁铁通电， 由继电器控制注油器工作。高电平驱动，需要加上拉电阻 2K，一个 片可以驱动多个继电器，即同时控制多路注油器。 位检测模块 方案一：浮球液位开关 浮球液位开关作为一种检测液位的器件，其特点是结构简单，不仅不需要外接电源，更不需要外设硬件电路，而且还具有使用寿命长、体积小、质量好等优点。浮球液 位开关对于液体的性质、温度、压力都没有苛刻要求，只要材质选取正确即可。在水处理工业，食品加工业造船工业等都得到了广泛的应用。 方案二：红外式液位开关 红外式液位开关相比浮球开关体积更小，所用空间也更小，不仅安装流程简单，而且可以放置成各种方向，上、下、斜上、斜下均可；红外液位开关精度在 现有浮球开关精度为 比之下，红外液位开关更加精确可靠。而机械结构方面，红外开关为一个固定整体，无开关摩擦，避免了浮球开关造成的卡死现象。 综上所述，虽然红外式液位开关相比浮子式液位开关优点很多 ，但是由于本课题所测液位为油位，对红外式液位开关影响比较大，故还是选用浮子式液位开关。 体方案确定 根据对智能注油系统各个传感器方案的选择， 采用 片机为中枢控制器，主要实现对红外传感器、液位传感器检测信号的接收、运算处理，并通过编程实现定时 、显示、报警 功能。红外传感器、液位传感器传输信号给单片机：当单片机接收到红外传感器信号时，控制继电器动作，驱动油泵注油；当单片机接收到液位传感器信号时，继电器关闭，停止注油，并且控制蜂鸣器报警。另外采用时钟芯片 过单片机编程，设定所需 工作周期，并由 晶显示 器 显示出 工作 时间，在非工作周期内， 注油器 停止注油。 7 3 系统硬件电路的设计 制模块电路设计 片机晶振的选择 晶振的选择： 当选取 6晶振时，其工作的机器周期是 2 当选取 12晶振时，其工作的机器周期是 1执行速度为 6的两倍。 为了提高整个系统的性能选择了 12晶振。 片机复位电路 单片机复位电路分为自动复位和人工复位，为了安全可靠，选取了手动复位与人工复位相结合的方案，其电路图如图 3示： 899R S 图 3片机复位电路图 时模块电路设计 定时模块采用 为时钟电路， 性能特性： 1、工作原理 美国 司推出的一种时钟芯片，它可以精确到每年、每月、每日，甚至是每分每秒，工作电压为 用三线接口与 行 同步通信 ，并可采用突发方式一次传送多个字节的 时钟信号 或 据。 部有一个 31 8 的用于临时性存放数据的 存器 。 升级产品，与容， 但增加了主电源 /后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。 2、结构 在 八个引脚中 ,其中 主电源引脚， 后备电源引脚。后备电源设计的目的是当主电源意外关闭时，可以维持时钟继续运行。供电方式的自动智能注油系统设计与实现 8 8 选择如下：当 压大于 ，由 电；当 压大于 ，由电。 振荡电路引脚，需要外接晶振 32K 赫兹左右。 脚为复位引脚，此引脚实现两种功能，一是允许将数据输入寄存器，二是终止数据传送。当脚为高电平时， 芯片被复位，数据初始化。当 脚为低电平时， I/O 引脚转化为高阻态，数据传送终止。 脚为时钟输入端。 引脚电路图如图 3示： 图 3引脚电路图 时钟电路软件仿真电路图如图 3示： X T A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 5S 7I/C 18V 1 3 0 2 S T A T 23 图 3钟电路软件仿真电路图 示模块电路设计 显示模块使用 晶显示器，能够同时显示 32 个字符（即 16 列 2 行）。 1、 介： 9 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵 型液晶模块。它由若干个 5者 5 点阵 字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。 2、管脚功能： 1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚： 电源地 。 第 2 脚： 5V 电源正极。 第 3 脚： 比度调整引脚。 第 4 脚： 寄存器 选择，高电平、低电平分别代表选择数据寄存器和指令寄存器。 第 5 脚： 读写信号引脚，高电平 1 时代表读，低电平 0 时代表写。 第 6 脚： 为使能端 ,高电平 1 时读取信息，跳变为低电平时执行指令。 第 7 14 脚： 引脚分别为 8 位双向数据端。 15 脚背光正极， 16 脚背光负极。 脚图如图 3示： 图 3脚图 特性： 1、 5V 工作电压，对比度可调 2、 内含复位电路 3、 提供各种控制命令 ,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能 4、 有 80 字节 显示数据存储器 、 内建有 192 个 5阵 的字型的字符发生器 、 8 个可由用户自定义的 5字符发生器 示电路软件仿真电路图如图 3示： 智能注油系统设计与实现 10 10 X T A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 S = lc d 2 D 1L M 0 1 6 1 P A C K * 8 的排阻图 3示电路软件仿真电路图 动模块电路设计 选取 动 5V 继电器，由继电器控制指示灯的亮灭。 高 电平驱动，需要加上拉电阻 2K，一个 片可以驱动多个继电器，即同时控制多路注油器。驱动 电路软件仿真电路图如图 3示： 19 3 A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 9 3 1G 2 E - 0 L U E 11 图 3动电路软件仿真电路图 套检测模块电路设计 手套检测模块采用红外线对射管（ ,技术参数如下： 25射型（非透明物） C 100V 或 5开 100以直接驱动继电 器 ) 线（红外光） 10 5、 触点电抗： 100m 6、 工作温度： 0 7、 工作压力： 、 开关材料： 球液位开关实物图如图 3构图如图 3示： 图 3球液位开关实物 图 3球液位开关实物 4 系统软件设计与实现 在进行智能注油系统设计时，除了大量的硬件设计，传感器的选择外，还有好多工作，就是要根据每个硬件电路编写与之相对应的软件程序。将各个部分通过程序的编写组合到一起。因此系统软件的设计在整个系统中也占有颇为重要的部分。 在单片机运行过程中大体可分为两个类型： 过程控制和数据处理。其中数据的处理包 括数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产 。 对于本系统工作过程中，各传感器及定时电路均开始工作，每当有手套经过时，红外传感器会发出信号给单片机，单片机控制继电器驱动注油器注油。定时电路可以任意设定注油器工作周期、休息周期。另外当浮球液位开关检测到油位过低时，发出信号给单片机，单片机控制继电器停止工作，同时蜂鸣器报警，提醒工作人员，添加油料。 智能注油 系统软件的设计包括主程序 、时钟定时程序、显示程序、手套检测程序和液位检测程序等，还需要对程序 不断的调试修改，及软件仿真。 13 程序的设计 智能注油系统的软件设计首先是各种初始化，然后使单片机采用查询方式，查询 脚是否接收到了红外传输信号。接收到信号说明单片机已经检测到 套，此时注油器就开始注油一次。当单片机查询到 脚有中断信号时，说明油位已经过低，此时单片机控制注油器停止工作，同时蜂鸣器报警，提醒工作人员添加油料。单片机引脚 别接时钟芯片引脚 I/O、 完成时钟电路；单片机引脚 7 引脚 以完成显示电路。 主程序流程图如 图 4示： 开 始程 序 初 始 化是 否 设 定 工 作 周 期设 定 工 作 时 间 检 测 信 号 有 无液 位 检 测 信 号 有 无Y 注 油 注 油停 止 注 油 、 蜂 鸣 器报 警图 4程序流程图 钟程序设计 单片机引脚 别接时钟芯片引脚 I/O、 完成时钟电路。 时钟芯片与单片机进行通信时，首先单片机向时钟芯片发送命令指令，此时最高位 须为高电平 1，假如最高位为低电平，则禁止单片机写入，即为写保护状态。当 为低电平时，采用时钟数据，当 为高电平时采用 据；1 为输入或 者输出的特定寄存器。 智能注油系统设计与实现 14 14 示程序设计 系统选用 显示器 ，单片机引脚 7 引脚以完成显示电路。 显示电路程序见附录。 套检测程序设计 手套检测所用传感器为 红外线对射管（ 发射管有两条引线，分别接正负极，接收管三条引线，分别为正负极两条，及信号线一条。手套检测程序流程图如图 4示： 开 始程 序 初 始 化是 否 检 测 到 手 套 注 油停 止 注 油如图 4套检测程序流程图 手套检 测程序如下： Z=0)if(1); 00); ; Z=0); ; ; 15 位检测程序设计 液位检测传感器选用为 浮球液位开关，其输出为开关量，而不是信号量，故在输出端与单片机引脚之间，串联一 5K 电 阻，以防止电路过大，烧坏单片机。液位检测流程图如图 4示： 开 始程 序 初 始 化液 位 是 否 过 低 注 油 、 蜂 鸣 器报 警允 许 注 油图 4位检测流程图 液位检测程序如下： W) ; ); ; 0); ; 智能注油系统设计与实现 16 16 结论 设计实物经过调试，工作正常。系统通电后，首先设计出工作和停息时间 。在工作时间内，当红外对射管检测到手套经过时，继电器工作，指示灯发亮一次；当在停息时间内，不管有无手套经过，继电器均停止工作，指示灯一直熄灭。当油位过低时，蜂鸣器报警，继电器停止工作，指示灯熄灭。总体来说达到了所需要求。 但由于时间问题，和个人能力有限，智能注油系统还有很多方面有待提高，具体有一下几点： （ 1） 没有具体介绍红外对射管所涉及的原理，这在系统应用中也比较重要，有利于更加深刻的了解注油系统的工作原理。 （ 2） 对于时钟部分的定时功能，只能单纯的设定工作时间周期，和停息周期，周而复始，而不能规定具体工作日期。 （ 3） 硬 件布线可进一步优化，使得硬件系统外观更加简约；程序方便可进一步简化，提高单片机运行速度。 在制作只能注油系统时，需要考虑到很多因素，诸多细节。在每一个环节都可能出现意料之外的事情，有时候一个引脚的意外短路，就需要花上半天的时间来检测每一个焊点，每一根导线。几句程序的错误，就可能要花几天的时间去调试。通过对注油系统硬件和软件方面的制作，不仅积累了很多经验，巩固了专业课知识，做到了知行合一，而且锻炼了自己的动手能力，为以后工作打下了坚实的基础。本文还有很多不足之处，恳请专家和老师的批评和指正。 参考文献 1 李朝青 M京航空航天大学出版社， 2006. 2 余永权，汪明慧 M子工业出版社，2003. 3 何希才 M子工业出版社， 2001. 4 仉大志 . 谈 子注油器及其管理 .世界海运 2013 年第 4 期 5 宫宇龙 ， 周瑞涛 ， 吕松 . 基于 电控气缸注油器设计与仿真 .起重运输机械 2012 年第 9 期 6 陈智君 ， 吴丹雯 . 电控注油器控制系统研发 .中国航海 2012 年第 2 期 7 童诗白 ， 华成英模拟电子技术 基础 M北京：高等教育出版社， 2001. 8 戴佳等 片机 C 语言应用程序设计 M电子工业出版社 ,2003. 9 杨泽荣 602显示设计 .科学与财富 2013年 第12期 10 王凯， 马明涛 商情 2011年 第15期 17 11 胡学海主编 . 单片机原理及应用系统设计 2008. 12 张洪润，蓝清华 单片机应用技术教程 M北京：清华大学出版社， 1997. 13 范久臣 实时时钟芯片在单片机系统中的应用 J沈阳教育学院学报，2005. 14 周正华 片机 味制作详解 M北京航空航天大学出版社，2011. 15侯伯亨 ,刘凯 ,顾新 件描述语言与数字逻辑电路设计 M安电子科技大学出版社， 2009. 智能注油系统设计与实现 18 18 附录 1 硬件仿真图及实物图 X T A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 S = lc d 2 D 1L M 0 1 6 1 P A C K 5S 7I/C 18V 1 3 0 2 S T A S T A * 8 的排阻 T 13 55 5 0B U Z 1B E 1S W S 1G 2 E - 0 L U 2S W S 9 0 3 A 19 附录 2 部分源程序： #=0123456789; /数字代码 H,N,TD,26; =; 11; /钟输入 10; /据输入 12; /位端口 14; /置模式选择位 15; /增加 16; /减小 17; Z=; B=; i)/1 毫秒延时 j,k; j=76;j1; k=29;k1; n) /延时若干微秒 i; i=0;i=1; ; ; ; ); ; ; i,); i=0;i=1; 1) 0 21 ; ); ; ); ; ; ; ); ; ; ; if( /判断