毕业设计（论文）-液压缸的速度智能检测设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 液压缸的速度智能检测设计液压缸的速度智能检测设计 学生姓名学生姓名： 学号学号： 系系 部：部： 专专 业：业： 指导教师：指导教师： 二零一四年 六 月 樊婧婧 102012121 机械工程系 机械电子工程 刘晓 诚信声明诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导 下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中 列出。 本人签名： 年 月 日 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计题目： 液压缸的速度智能检测设计 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 102012121 学生： 樊婧婧 指导教师（含职称）： 刘晓（讲师） 专业负责人： 张焕梅 1设计的主要任务及目标 通过本次毕业设计使我们了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序，通过对 机电液气综合实验台工作原理以及操作控制的学习，根据液压缸的速度要求，完成 液压系统的设计，结合相关传感器技术，完成对液压缸的速度检测，来验证设计的 合理性。 2设计的基本要求和内容 1、通过阅读相关资料，了解液压系统的工作原理及控制方式。 2、根据液压缸的工作速度，设计液压系统， 3、采用传感器技术对液压缸的速度进行检测，验证设计的合理性。 3主要参考文献 1.苪延年. 液压与气压传动M.苏州市：苏州大学出版社,2005 2.张勤. 液压与气压传动技术M.北京市：机械工业出版社，2001 3.李旭. 基于 VB 的液压缸自动检测系统设计J.机床与液压，2013 4.李新德. 液压缸运行速度低于设定速度的原因J.工程机械与维修，2012 5.李硕卫，张国贤. 现代液压技术的发展现状J.机械工程师，2009 4进度安排 设计（论文）各阶段名称起 止 日 期 选定毕业设计课题，查阅相关资料2013.12-2014.01 撰写开题报告，进行开题答辩2014.02-2014.03 完成液压系统实验台的搭建及初步控制2014.04-2014.04 中期检查与修改2014.05-2014.05 毕业设计总体修改，进行毕业答辩2014.05-2014.06 液压缸的速度智能检测设计液压缸的速度智能检测设计 摘要摘要：本文通过机电液实验台上液压系统的运动，柱塞的伸出、返回，应用 PLC 对液压回路 进行控制，使用传感器进行距离检测，单片机对液压缸的速度进行检测。使用以单片机 STC89C52RC 为控制核心的开发板，采集数据，处理数据，计算出液压缸的平均速度，最终 结果由数码管显示出来，实现对液压缸速度的智能化的检测。由于 PLC 存在较大的 I/ O 响 应滞后的缺陷，造成定位时有较大的随机误差，以及超声波传感器的误差，使得运动精度不 高。应用 C 语言对单片机进行编程，通过单片机对液压缸的速度进行检测，并利用流量传感 器对进出液压缸的流量进行测量，将理论计算出速度和单片机检测的速度进行比较，验证相 关结论。从而实现对液压缸速度进行智能检测。 关键词：关键词： 液压传动 ，PLC 控制，单片机，速度检测，流量 Design of hydraulic cylinder speed detection Abstract: In this paper, by imitating the movement of machine tool feed system, forward, feeding and returning, we design a similar hydraulic transmission circuit and use PLC to control it. Then we use the SCM (Single-chip microcomputer) detection speed of hydraulic cylinder. Using STC89C52RC MCU (Micro Control Unit) development board, after data acquisition and processing, SCN calculates the average speed of hydraulic cylinder. The results displayed on the digital tube. It completes the intelligent detection of hydraulic cylinder speed. Due to the existence of PLC defects larger I/ O response lag, positioning is the big random error. When control the high speed hydraulic cylinder, accuracy is not high. In order to realize the detection of the speed of the hydraulic cylinder by SCM, I use C language to write a program. Moreover, we measure the flow of hydraulic cylinder using the flow sensor. In order to verify the relevant conclusion，we compare the theoretical speed with the speed of the single chip microcomputer detection. Keywords: hydraulic transmission, PLC control, single chip microcomputer, speed detection, flow I 目录目录 1 前言 .1 1.1 液压系统在工业中的应用.1 1.2 智能检测概述.1 1.3 现代测试技术发展趋势及其与传感器的联系 .3 1.4 课题的意义.4 2.1 液压系统.5 2.1.1 液压系统的简介.5 2.1.2 液压系统组成.6 2.2 现代智能检测的原理.11 2.2.1 信号采集和输出.11 2.3 辅助采集.14 3 实验台硬件搭接及速度智能检测 .18 3.1 总体概述.18 3.1.1 交流转直流的方法.18 3.1.2 液压泵驱动模块的用法 .18 3.2 液压速度换接回路的搭建.20 3.3 速度检测.22 3.3.1 速度检测装置及 STC89C52 单片机.22 3.3.2 液压缸的速度直接检测 .25 4 设计结论和成果 .29 4.1 由超声波传感器直接测速与理论上计算速度存在的误差 .29 4.2 开发板所显速度不稳定的原因 .29 4.3 设计成果 .30 结 论 .31 致 谢 .33 附 录 .34 太原工业学院毕业设计 1 前言前言 随着社会的发展，在机械工程领域，微电子技术和计算机技术在机械领域中应 用越来越普及，自动化控制的作用越来越大，给人们带来了越来越多的便利。工程 中，机电一体化的实现对速度的要求越来越高，如何智能的检测速度和控制速度成 为了不可回避的问题。 1.1 液压系统在工业中的应用液压系统在工业中的应用 液压系统一般应用于重型、 大型 、特大型设备，如冶金行业轧机压下系统， 连铸机压下系统等；军工中高速响应场合，如飞机尾舵控制，轮船舵机控制，高速 响应随动系统等工程机械，抗冲击，要求功重比较高系统一般都采用液压系统以上 三个领域是应用液压技术的最大领域。 液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的 过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重 视。液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。 液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为 完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。 液压传动的应用性是很强的，比如装卸堆码机液压系统，它作为一种仓储机械， 在现代化的仓库里利用它实现纺织品包、油桶、木桶等货物的装卸机械化工作。也 可以应用在万能外圆磨床液压系统等生产实践中。这些系统的特点是功率比较大， 生产的效率比较高，平稳性比较好。 1.2 智能检测概述智能检测概述 随着计算机控制技术的普及和发展，智能控制设备和智能仪器仪表在工农业生 产和日常生活中的使用越来越普遍。这些应用都具有一个共同的过程和一个共同的 特点。共同的过程就是信号的采集、传输和处理过程；共同的特点就是使用传感器 完成信号的采集，使用微处理器或单片机（微控制器）完成信号的处理。 近十年来，由于包括微处理器、单片机在内的大规模集成电路的成本和价格不 太原工业学院毕业设计 断降低，功能和集成度不断提高，使得许许多多以单片机、微处理器或微型计算机 为核心的现代检测仪器（系统）实现了智能化，这些现代检测仪器通常具有系统故 障自测、自诊断、自调零、自校准、自选量程、自动测试和自动分选功能，强大数 据处理和统计功能，远距离数据通信和输入、输出功能，可配置各种数字通信接口， 传递检测数据和各种操作命令等，还可方便地接入不同规模的自动检测、控制与管 理信息网络系统。与传统检测系统相比，智能化的现代检测系统具有更高的精度和 性能价格比。 （1） 优点 强大的控制力 智能检测在测量过程中采用了计算机技术，不仅简化了硬件结构，提高了可靠 性，增加了灵活性，而且还使仪器的自动化程度更高。 强大的数据处理功能 智能仪器检测最突出的特点是它的数据处理功能，主要表现在改善测量的精度 及对测量结果的处理两方面。在提高测量精度方面，智能仪器采用软件对测量结果 进行及时的在线处理，对各种误差进行计算和补偿，精度和数据处理的质量都大为 提高。 实现仪器功能多样化 智能检测利用计算机具备的功能，可以使性能得到提高，功能得到扩展。对于 测量所得的数据，可以进行多种运算、比较、逻辑判断等数据处理，然后再按要求 输出显示。 （2） 缺点 从检测技术方面,大量应用新技术和新的物理效应的传感器得到了广泛应用， 如光纤,超声,红外,光电等,应适当引进相应的实验仪器和项目,引导学生了解和掌握 这些新型的检测技术。从单片机方面,MCS-51 系列 8 位单片机由于使用时间长,性能 价格比高等特点,在国内仍然有比较广泛的应用,但是,单片机发展速度极快,大约每 二、三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番,大量其他系列的单片机不断投 入市场,以其多功能、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强 I/O 功能等优 势在设计中占有越来越重要的地位,因此需要增加 AVR,DSP,ARM 等系列单片机的相 关实验。 另一方面，智能检测技术要求实验的成本较高，而且由于器件的误差引起测量 太原工业学院毕业设计 结果的不准确也是不可避免的。 1.3 现代测试技术发展趋势及其与传感器的联系现代测试技术发展趋势及其与传感器的联系 (1)(1)智能化智能化 随着微电子技术的进步、专用集成电路的飞速发展以及 DSP(Digital signal processor)芯片的兴起，超大规模集成的新器件、表面贴装技术、多层线路板印刷、 圆片规模集成和多芯片模块等新工艺以及 CAD、CAM、CAPP、CAT 等计算机辅助 手段的使用，多媒体技术、大机交互、模糊控制、人工神经元网络等新技术也在智 能仪器仪表中得到了广泛应用，使仪器智能化水平不断提高。 （2 2）多传感集成化）多传感集成化 目前，现代测试技术向着多传感集成数据融合技术飞速发展，它具体包括两方 面的内容：基于多传感集成的不同物理量(或环境参量)的检测技术。这是近年来测 试技术的研究重点，如何把多种传感器集中于一个测试系统，综合利用来自多传感 器的信息，便成了智能检测系统中正待解决的问题。目前，其集成方式还没有固定 的模式，归纳起来有三种：集成于芯片中、集成于仪器中和集成于系统中。从现在 国内外的研究看，目前多传感集成的传感类型多属同一类型的信号，适应于不同类 型的多传感集成技术是测试技术的发展趋势，以提高系统的通用性，减少重复设计 开销，从而减低硬件设计成本。 （3 3）网络化）网络化 随着计算机、通讯和网络技术的不断发展，一种涵盖范围更宽、应用领域更广 的全新现代测试技术网络化测试技术逐步形成并目渐清晰，网络化测试技术与 具备网络功能的新型仪器应运而生 ，并使检测技术的现场化、远程化、网络化成为 可能。这种测试网络将现场的智能仪表和装置作为节点，通过网络将节点连同控制 室内的仪器仪表和控制装置联成有机的测试系统，各测控装置负责采集数据并进行 处理，然后将数据通过网络传送给主控机，由主控机进行保存、综合、分析、判断， 从而进行远程检测，集中控制，其功能将远远大于系统中各独立个体功能的总和。 近年来，现场总线控制系统已成为检测技术发展的新热点，它是一种用于各种 现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术，一种用于各种现场仪表与基于计算 机的控制系统之间进行的数据通信系统。现场总线控制系统是全数字化和模块化的 太原工业学院毕业设计 系统，具有完全的开放性，不仅有利于系统性能最佳集成和扩展，并且工程设计、 安装、调试与维护都非常简便，从而降低费用，缩短工期，有利于柔性生产的实现。 1.4 课题的意义课题的意义 本次课题题目为液压缸的速度智能检测，智能检测是现代检测技术的发展方向， 随着计算机控制技术的普及和发展，智能控制设备和智能仪器仪表在工农业生产和 日常生活中的使用越来越普遍。使用传感器完成信号的采集，使用微处理器或单片 机（微控制器）完成信号的处理的技术给我们带来了越来越多的便利。 液压传动以易获得很大的推力或力矩、运动传递平稳、均匀、准确可靠特点,极 其广泛地用于机床的控制中,特别是与 PLC 技术相结合的机床电液控制系统,大大提 高了机床的灵活性和自动化程度,为大规模发展自动化生产线提供了广泛的应用前景。 如何对其速度进行智能检测并控制速度，将很大程度上决定它的自动化程度。 本文的要点现列举如下：本文的要点现列举如下： 第一点: 通过模仿机床进给运动，设计出相应的液压回路。 第二点: 运用接触器模块实现对液压系统的手动控制，并结合接近开关使液压 缸实现自动运动。 第三点: 运用 PLC 编程控制，实现对液压系统的自动控制。 第四点: 使用超声波传感器出柱塞运动的距离，并对其编程，使得测出来的速 度显示在 AT89C52 单片机开发板的数码管上。使得随着距离的变化显示出速度。 第五点: 从理论上找到影响液压缸速度的因素，与单片机检测的结果进行比较， 解释结果并得出结论。 太原工业学院毕业设计 2 机电液综合实验台及距离检测机电液综合实验台及距离检测 2.1 液压系统液压系统 2.1.1 液压系统的简介液压系统的简介 液压传动又称为容积式液压传动,是用液体作为介质,利用液体的压力能和动能 来传递能量和进行控制的传动装置.通常把剩用液体压力能的液压系统使用的液体介 质称为液压油. 液压传动元件体积小,重量轻,结构紧凑,容易进行无级调速和容易实 现标准化,系统化,通用化.所以广泛应用于冶金机械,工程机械,矿山机械,农业机械, 汽车,船舶,飞机等.液压系统虽然多种多样,但从能量转换的角度来看,它们的工作原 理和组成基本相同，液压系统的组成主要有： (1)动力元件液压油泵； (2)执行元件液压油缸、液压马达； (3)控制元件液压阀，控制液压油的压力、流量与方向； (4)辅助元件管件、压力表、储能器、滤油器等等； (5)工作介质传递压力的工作介质，通常为液压油，同时还可起润滑、冷却 和防锈的作用。 液压传动装置的不足：液压传动装置的不足： （1）液压元件制造精度要求高 由于元件的技术要求高和装配比较困难，使用 维护比较严格。 （2）实现定比传动困难 液压传动是以液压油为工作介质，在相对运动表面间 不可避免的要有泄漏，同时油液也不是绝对不可压缩的。因此不宜应用在在传动比 要求严格的场合，例如螺纹和齿轮加工机床的传动系统。 （3）油液受温度的影响 由于油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或 低温的环境下工作。 （4）不适宜远距离输送动力 由于采用油管传输压力油，压力损失较大，故不 宜远距离输送动力。 （5）油液中混入空气易影响工作性能 油液中混入空气后，容易引起爬行、振 动和噪声，使系统的工作性能受到影响。 （6）油液容易污染 油液污染后，会影响系统工作的可靠性。 太原工业学院毕业设计 2.1.2 液压系统组成液压系统组成 （1）齿轮泵 图 2.1 外啮合齿轮泵 齿轮泵是依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送液体或使 之增压的回转泵。由两个齿轮、泵体与前后盖组成两个封闭空间，当齿轮转动时， 齿轮脱开侧的空间的体积从小变大，形成真空，将液体吸入，齿轮啮合侧的空间的 体积从大变小，而将液体挤入管路中去。吸入腔与排出腔是靠两个齿轮的啮合线来 隔开的。齿轮泵的排出口的压力完全取决于泵出处阻力的大小。 图 2.2 外啮合齿轮泵原理图 齿轮泵存在的主要问题齿轮泵存在的主要问题 太原工业学院毕业设计 泄漏 外啮合齿轮泵高压腔的压力油可通过齿轮两侧面和两端盖间轴向间隙、 泵体内孔和齿顶圆间的径向间隙及齿轮啮合线处的间隙泄漏到低压腔中去。其中对 泄漏影响最大的是端面间隙，可占总泄漏量的 75%80%。它是影响齿轮泵压力提高 的首要问题1。 径向不平衡力，齿轮泵工作时，排油腔的油压高于吸油腔的油压，从排油腔 起沿齿轮外缘至吸油腔的每一个齿间内的油压是不同的，压力的分布是依次递减的。 可见，泵内齿轮所受的径向力是不平衡的。这个不平衡力把齿轮压向一侧，并作用 到轴承上,影响轴承的寿命。为了减小径向不平衡力的影响，低压齿轮泵中常采取缩 小排油口的办法。 困油，为了使齿轮泵能连续平衡地供油，形成高低压腔隔开，必须使齿轮啮 合的重叠系数 1。这时会出现两对轮齿同时啮合的情况，即前一对轮齿尚未脱离 啮合，后一对轮齿己进入啮合。这样两对啮合的轮齿之间产生一个闭死容积，称为 “困油区” 。齿轮在转动过程中，困油区的容积大小发生变化，容积缩小时，困油区 的油液受到挤压，产生很高压力而从缝隙中挤出，油液发热，并使轴承等零件受到 额外的负载。容积增大时，困油区形成局部真空，使溶于油液中的气体析出，形成 气泡，产生气穴，使泵产生强烈的噪声。这种不良现象叫做“困油”现象。 为了消 除困油现象，通常在两侧端盖上开消除困油的卸荷槽。 （2）液压缸 执行元件，依靠压力能转换为机械能，用于驱动工作机构作往复直线运动。其 结构简单，工作可靠，能与各类泵相配合，能实现多种机械运动，应用广泛。 液压缸按结构特点分为：活塞式、柱塞式和组合式。 按作用方式分为：单作用和双作用式。 密封装置：主要防止液压油的泄露，密封装置的优略直接影响液压缸的工作性 能。 常用的密封方法： 间隙密封：依靠运动零件配合面间的微小间隙来防止泄露。 活塞环密封：依靠装在活塞环形槽内的弹性金属环紧贴刚桶内壁实现密封。 （3）液压控制阀 液压控制阀是液压系统中用来控制液流方向、压力和流量的元件。借助于这些 阀，便能对液压执行元件的启动和停止、运动方向和运动速度、动作顺序和克服负 太原工业学院毕业设计 载的能力等进行调节与控制，使各类液压机械都能按要求协调地工作。 普通单向阀 普通单向阀是只允许液流单方向流动而反向截止的元件。液压系统中对普通单 向阀的要求主要是液流正向通过阀时压力损失小；反向截止时密封性能好； 动作灵敏，工作时冲击和噪声小等。 图 2.3 普通单向阀 几种常见换向阀 机动换向阀 机动换向阀又称行程阀。这种阀需安装在液压缸的附近，在液压缸驱动工作部 件的行程中，靠安装在预定位置的挡块或凸轮压下滚轮通过推杆使阀芯移位，换向 阀换向。机动换向阀结构简单，动作可靠，换向位置精度高。但由于必须安装在液 压执行元件附近，所以连接管路较长，使液压装置不紧凑。 手动换向阀 手动换向阀是用手动杠杆操纵阀芯换位的换向阀。按换向定位方式不同，分为 弹簧复位式和定位复位式。在手动操纵结束后，弹簧力的作用使阀芯能够自动回复 到中间位置；后者由于定位弹簧的作用使钢球卡在定位槽中，换向后可以实现位置 的保持。手动换向阀结构简单，动作可靠。一般情况下还可以人为地控制阀开口的 大小，从而控制执行元件的速度，在工程机械中得到广泛应用。 图 2.3 手动换向阀 太原工业学院毕业设计 电磁动换向阀 电磁动换向阀简称电磁换向阀，是靠通电线圈对衔铁的吸引转化而来的推力操 纵阀芯换位的换向阀。如图 2.4 二台肩结构的三位四通 O 型中位机能的电磁换向阀， 阀体的两侧各有一个电磁铁和一个对中弹簧。图示为电磁铁断电状态，在弹簧力的 作用下，阀芯处在常态位（中位） 。当左侧的电磁铁通电吸合时，衔铁通过推杆将阀 芯推至右端，则 P、A 和 B、T 分别导通，换向阀在图形符号的左位工作；反之，右 端电磁铁通电时，换向阀就在右位工作。 电磁铁不仅有交流和直流之分，而且有干式和湿式之别。交流电磁铁结构简单、 使用方便，启动力大，动作快，但换向冲击大，噪声大，换向频率不能太高（约 30 次min） ，当阀芯被卡住或由于电压低等原因吸合不上时，线圈易烧坏。直流电磁 铁需直流电源或整流装置，但换向冲击小，换向频率允许较高（最高可达 240 次 min） ，而且有恒电流特性，电磁铁吸合不上时线圈也不会烧坏，故工作可靠性高。 图 2.5 三位四通换向阀 直动式溢流阀 太原工业学院毕业设计 图 2.6 普通直动式溢流阀 图 2.6 为锥阀式和滑阀式普通直动型溢流阀的结构原理。对于锥阀式溢流阀， 图 a，当进油口 P 的油液压力不高时，锥阀芯 2 被弹簧 3 压紧在阀座上，阀口关闭。 当进口油压 P 升高到能克服弹簧阻力时，便推开锥阀芯使阀口打开，油液就从回油 口 T 流回油箱（溢流） ，进油压力 P 也就不会继续升高。对于滑阀式直动溢流阀图 b，其工作原理与锥阀式类似，进口的压力油通过阀体内的通道 a 引入阀芯下端，直 接与上端的弹簧相互作用，弹簧腔的泄漏油与出油口相连。当进口油压升高到能克 服弹簧阻力时，便推动阀芯运动，油液就由进油口 P 流入，从回油口 T 流回油箱。 当通过溢流阀的流量变化时，阀口开度变化，弹簧压缩量也随之改变。在弹簧压缩 量变化甚小的情况下，可以认为阀芯在液压力和弹簧力作用下保持平衡，溢流阀进 口处的压力 P 基本保持在弹簧调定值。拧动调压手轮 4 改变弹簧的预压缩量便可 调整溢流阀的溢流压力。 这种溢流阀因为其作用在阀芯上的液压力直接和调压弹簧力抗衡，所以称为直 动式溢流阀。由于液压力直接作用于弹簧的结构原因，需要的弹簧刚度很大，当溢 流量较大时，阀口开度增大，弹簧的压缩量增大，控制的油液压力波动大，手轮调 节所需力量也大。所以普通直动型溢流阀适用于低压小流量系统。 液压系统中维持定压是溢流阀的主要作用，它常用于节流调速系统中，和流量 控制阀配合使用，调节进入系统的流量，并保持系统的压力基本恒定。 液压系统对溢流阀的性能要求 定压精度高 灵敏度要高 工作要平稳，且无振动和噪声 太原工业学院毕业设计 当阀关闭时，密封要好，泄漏要小 单向调速阀 单向调速阀如图所示，它带压力补偿装置，能维持稳定的流量，不受出入口压 力差变化影响，能够精确地控制执行元件的速度。单向调速阀使一个方向的流量可 以调节，而反向可自由流动，根据标牌刻度可方便调节或重新设定流量。适合控制 机械动 作快速、慢速及快速返回之用，非常适于工具机使用。 图 2.7 单向调速阀 2.2 现代智能检测的原理现代智能检测的原理 尽管现代检测仪器和检测系统的种类、型号繁多，用途、性能千差万别，但它 们的作用都是用于各种物理或化学成分等参量的检测，其组成单元按信号传递的流 程来区分：通常由各种传感器（变送器）将非电被测物理或化学成分参量转换成电 信号，然后经信号调理（信号转换、信号检波、信号滤波、信号放大等） 、数据采集、 信号处理后显示并输出（通常有 420 mA、经 DA 转换和放大后的模拟电压、开 关量、脉宽调制 PWM、串行数字通信和并行数字输出等） ，由以上设备以及系统所需 的交、直流稳压电源和必要的输入设备（如拨动开关、按钮、数字拨码盘、数字键 盘等）便组成了一个完整的检测（仪器）系统，其各部分关系如图 2.8 所示。 太原工业学院毕业设计 图 2.8 现代检测系统一般组成框图 2.2.1 信号采集信号采集和输出和输出 信号采集（系统）在检测系统中的作用是对信号调理后的连续模拟信号进行离 散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同时以一定的方式把 这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。数据采集系统通常以各类模 数（AD）转换器为核心，辅以模拟多路开关、采样保持器、输入缓冲器、输出 锁存器等。数据采集系统的主要性能指标是： （1）输入模拟电压信号范围，单位 V； （2）转换速度（率） ，单位 次s； （3）分辨率，通常以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征； （4）转换误差，通常指实际转换数值与理想 AD 转换器理论转换值之差。 信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤 波、放大等，以方便检测系统后续环节处理或显示。例如，工程上常见的热电阻型 数字温度检测（控制）仪表，其传感器 Ptl00 的输出信号为热电阻值的变化。为便于 处理，通常需设计一个四臂电桥，把随被测温度变化的热电阻阻值转换成电压信号； 由于信号中往往夹杂着 50 Hz 工频等噪声电压，故其信号调理电路通常包括滤波、 放大、线性化等环节。需要远传的话，通常采取 DA 或 VI 电路将获得的电压信 号转换成标准的 420 mA 电流信号后再进行远距离传送。检测系统种类繁多，复 杂程度差异很大，信号的形式也多种多样，各系统的精度、性能指标要求各不相同， 它们所配置的信号调理电路的多寡也不尽一致。对信号调理电路的一般要求是： （1）能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号； 太原工业学院毕业设计 （2）信噪比高，抗干扰性能要好。 信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节， 其作用和人的大脑相似。现代检测仪表、检测系统中的信号处理模块通常以各种单 片机、微处理器为核心来构建，对高频信号和复杂信号的处理有时需增加数据传输 和运算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器（DSP）或直接采用工业控制计算 机。 信号输出 通常人们都希望及时知道被测参量的瞬时值、累积值或其随时间的变化情况， 因此，各类检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的当前值后通常均需 送至各自的显示器作实时显示。显示器是检测系统与人联系的主要环节之一，显示 器一般可分为指示式、数字式和屏幕式三种。 下图所示就是一个机电一体化试验平台。便可以在该平台上基于一般机电一体 化系统，实现现代系统搭建以及实验。 我在机电液实验台上完成了液压回路的手动控制： 图 2.9 机电液综合实验台 (1)交流电源模块 DB-1：电源模块可为系统提供 380V 三相交流和 220V 交流电。 (2)液压泵驱动模块 DB-5：该模块为液压泵控制模块，有手动控制和自动控制 两种方式控制液压泵的启停。 (3)直流电源模块 DB-2：可将 220V 交流电转化为直流电，为其他模块和元器件 提供所需要的 DC 5V,DC 12V,DC 24V 电压。 太原工业学院毕业设计 (4)按钮控制模块 DB-9：内设 8 个按钮，2 个旋钮开关，1 个急停开关。 (5)接触器模块 DB-6：用于控制电路的的通断，需用 24V 的直流电,有 5 个常开 触点 4 个常闭触点。 (6)可编程控制器模块 DB-8：该模块为西门子 S7-200 CPU224 CN 可编程控制器 模块，输入相对应的程序就可以实现自动控制。 (7)智能流量积算仪：它接收相对应的流量传感器发送的频率信号，并转换成 1- 5V 的标准电压信号，并且可以显示实时数据。 (8)时间/热继电器模块 DB-7：主要完成液压继电器控制应用实验、气动回路继 电器控制实验、机电类电气控制实验等主要辅助实验模块。 (9)传感器应用模块 DB-14；安装有电容式，电感式，光电式，霍尔传感器各一 个，控制电压为 DC 24V。 2.3 辅助采集辅助采集 （1）接近开关 接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检 测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号 接近开 关的核心部分是“感辨头” ，它对接近的物体有很高的感辨能力，是一种非接触测量。 接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应 快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、 体积小、安装、调整方便；但是 触点容量较小、输出短路时易烧毁。 我在机电液实验室实现柱塞的自动返回和自动伸出所用的接近开关如下图所示。 图 2.10 接近开关 （2）涡轮流量计 涡轮流量计是速度式流量计中的主要种类,当被测流体流过涡轮流量计传感器时， 太原工业学院毕业设计 在流体的作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，同时，叶片周期 性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量，根据电磁感应原理，在线圈内 将感应出脉动的电势信号，即电脉冲信号，此电脉动信号的频率与被测流体的流量 成正比。由于电脉动信号比较微弱，需要放大，所以使用 LWF 型放大器，其通过信 号检测装置检出涡轮转动信号，转换成电信号，进行信号处理后输出电脉冲信号， 供流量积算仪表或计算机显示、计算流量。 图 2.11 涡轮流量计安装 （3）距离检测装置 超声波传感器模块作为在此实验中的距离检测装置。采用的是锐志电子的超声 波模块。 图 2.12 超声波传感器模块 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时 开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射 太原工业学院毕业设计 波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 v ,而根据计时器记录的测出发射 和接收回波的时间差t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离 S ,即: S = vt /2 图 2.13 超声波测速系统框图 该系统由单片机定时器产生 40KHZ 的频率信号、超声波传感器、接收处理电路 和显示电路等构成。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工 作。工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为 40kHz 的 10 个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉 冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计 数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差t。 超声波发生器 T 是一个超声频电子振荡器, 当把振荡器产生的超声频电压加到 超声换能器的压电陶瓷上时, 压电陶瓷组件就在电场作用下产生纵向振动。压电组 件在超声振荡时, 仿佛是一个小活塞, 其振幅很小, 约为(1 10. 2) Lm,但这种 振动加速度很大, 约(10 103 ) g n , 于是把电磁振荡能量转化为振动能量, 这种 巨大的超声波能量, 沿着特定方向传播出来。其关键技术是使超声波波束变细, 除 待测物外不受其它构造物的影响。超声传感器是产生超声波必需的能量转换装置, 它把超声电磁振荡的能量转换为声波。.通过上述超声换能结构, 配以适当的收发电 路, 可以使超声能量的定向传输, 并按预期接收反射波,实现超声遥控、测距、防盗 等检测功能 。 太原工业学院毕业设计 （4） 距离检测在实验台上的实现 将超声波传感器模块装在液压缸的柱塞上，使其随柱塞一起运动，实现距离的 检测。通过柱塞的运动，传感器模块发出信号，遇到障碍物返回，再接收信号测量 距离。所测距离程序包含在测速程序中。 图 2.14 距离检测装置的实物安装 太原工业学院毕业设计 3 实验台硬件搭接实验台硬件搭接及速度智能检测及速度智能检测 3.1 总体概述总体概述 设计的整体思路如下： 第一步，基于昆山巨林科教实业有限公司的机电液气综合试验台设计出接触器控 制回路，进一步了解相应原件和模块的使用方法； 第二步，搭接所用的液压回路，在实现接触器控制的基础上，通过 PLC 编程进行 控制，并加入接近开关，实现柱塞的自动运动； 第三步，采用超声波传感器，测出柱塞移动的距离。 第三步，在单片机开发板上编写和调试测速程序，进行初步的速度检测； 第四步，从理论上找到影响速度的相关参数，并对其控制，实现对速度的调节， 最终通过对速度的检测来验证先前的理论。 现将液压换接回路及其控制系统所要用到的元件使用方法简要介绍如下： 3.1.1 交流转直流的方法交流转直流的方法 3.1.2 液压泵驱动模块的用法液压泵驱动模块的用法 （1）液压缸硬件接线方法 太原工业学院毕业设计 图 3.2 液压泵驱动模块接线图 （2）PLC 硬件接线方法 图 3.3 PLC 硬件接线 按图 3.3 连好电路，即可用电 脑通过相关软件对 PLC 进行编程， 并通过串口将 PLC 程序下载到可编 程控制器模块。 太原工业学院毕业设计 3.2 液压速度换接回路的搭建液压速度换接回路的搭建 （1）原理图与接触器控制接线图 图 3.4 换向回路原理图 图 3.5 接触器控制接线 （2）接线实物图 图 3.6 速度环节回路的手动控制接线图 太原工业学院毕业设计 SB2 KM1得电 KM2失电 YA1得电 电磁阀左位工作 液压杆伸出去 SB1 KM1失电 KM2失电 YA1、YA2都失电 电磁阀中位工作 液压杆不动 液压泵卸荷 SB3 KM2得电 KM1失电 YA2得电 电磁阀右位工作 液压杆缩回来 图 3.6 PLC 硬件接线图 表 3-1 PLC 控制 IO 分配表 输入对应开关 功能描述输出 对应开关 I0.0 SB5 柱塞伸出Q0.1 YA1 I0.1 SB6 柱塞退回Q0.2 YA2 I0.2 SB7 总开关Q0.3 KM1 I0.3 SQ1 伸出Q0.4 KM2 I0.4 SQ2 退回 按照表 3-1 对 PLC 模块进行编程，然后将编写好的的程序下载到可编程控制器 模块。应用 PLC 控制速度换接回路，实现的功能与速度换接回路应用接触器加上传 感器控制的功能相同。实现液压缸模仿机床进给系统的运动。首先是液压缸快进， 然后是液压缸返回。在无人为干预下，可以实现循环往复运动，如需要人为干预， 可根据 IO 分配表对按钮控制模块进行操作。PLC 硬件接线图如图所示（PLC 程序见 太原工业学院毕业设计 附录一） 。 3.3 速度检测速度检测 3.3.1 速度检测装置及速度检测装置及 STC89C52 单片机单片机 速度是衡量物体运动快慢大小的物理量，平均速度时路程与时间的比值。本次 设计的速度检测装置用来测量液压缸的平均速度。此装置是在单片机开发板上完成 的。应用开发板上的数码管显示速度的大小。通过对单片机 STC89C52RC 编写程序 实现速度大小的计算，然后将其结果输给数码管。此次设计所用的开发板如图： 图 3.7 单片机开发板 太原工业学院毕业设计 ATS89C52 单片机： 图 3.8 STC89C52 单片机 单片机的引脚如图 3.8 所示，因为受到集成电路芯片引脚数目的限制，所以许 多引脚配置双功能，功能简要说明如下 （1）VCC： STC89C52RC 电源正端输入，接+5V。 （2）VSS：电源地端。 （3）XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。 （4）XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加 入一 20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。 （5）RESET：STC89C52RC 的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只 要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，STC89C52RC 便能 完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并 且至地址 0000H 处开始读入程序代码而执行程序。 （6）EA/Vpp：EA为英文External Access的缩写，表示存取外部程序代码之 意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存 于外部 EPROM 中）来执行程序。因此在 8031 及 8032 中，EA 引脚必须接低电平， 太原工业学院毕业设计 因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成 高电平。此外，在将程序代码烧录至 8751 内部 EPROM 时，可以利用此引脚来输入 21V 的烧录高压（Vpp） 。 （7）ALE/PROG：ALE 是英文Address Latch Enable的缩写，表示地址锁存器 启用信号。STC89C52RC 可以利用这支引脚来触发外部的 8 位锁存器（如 74LS373） ， 将端口 0 的地址总线（A0A7）锁进锁存器中，因为 STC89C52RC 是以多工的方式 送出地址及数据。平时在程序执行时 ALE 引脚的输出频率约是系统工作频率的 1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录 8751 程序代码时，此 引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。 （8）PSEN：此为Program Store Enable的缩写，其意为程序储存启用，当 8051 被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0） ，会送出此信号以便