（机械设计及理论专业论文）工程机械安全智能监测系统的研究.pdf

摘要 随着电子技术、传感器技术和单片机技术的飞速发展及其在工程机械的中广泛运 用，给工程机械配备可靠性高、性能完善的安全性能监测与隐患预警系统，对工程机 械的工作运行状态进行实时监测和故障的准确预报，己成当务之需。在研究、参考国 内外工程机械现有安全监测系统的基础上，充分利用现代电子、计算机、传感测控等 方面的技术成果，开发了一套新的安全智能监测系统。本系统不仅具有检测、控制、 超限报警等常规功能，而且具有点阵l c d 中文显示功能和数据记录功能，具有较高的 智能水平。 在致力于完善系统功能、提高系统先进性和可靠性的同时，本文运用了“模块化” 设计思想，用户可根据不同工程机械的具体情况动态地增删信息采集点，而无需对主 机系统硬件作任何的变动。整个系统由一个主机和几个子机系统组成，主机与予机之 间运用无线通信技术实现数据的传送。子机完成信息采集点的信号采集和a d 转换等 功能，然后通过无线通信将数据传输给主机。系统主机可将预设值通过键盘输入并传 送给子机，同进对各子机采集的数据进行计算、判断处理后，将结果送往l c d 显示和 报警处理。 在大量分析工程机械安全隐患所表现出的信息特征的基础上，本文对轮胎、发动 机、液压系统等监测参数进行了合理地选取，论述了系统主机和子机的总体方案，硬 件电路和软件程序的设计思想，以及所涉及到的基础知识，并在此基础上对一些关键 部分作了比较详细的剖析。 本系统以m i c r o c h i p 公司生产的p i c l 6 f 8 7 x 单片机为核心，配以相应的处理电路， 用p r o t e l d x p 进行硬件电路的绘制与仿真设计，采用汇编语言编制系统程序编程， 实现了工程机械安全监测与报警功能。另外，本文采取一系列的软硬件保护措施来提 高系统的抗干扰能力。 关键词：工程机械；安全监测系统；单片机；无线通信 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，s e n s o rt e c h n i q u e a n ds i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o r ，a n dt h e i rw i d ea p p l i c a t i o ni nc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y ，i th a sb e e nu r g e n t t h a ts e c u r i t ym o n i t o r i n ga n dm a l f u n c t i o n a l e r t i n gs y s t e mw i t hh i g hr e l i a b i l i t ya n dq u a l i t ym u s t b ei n s t a l l e do n c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ，w h i c hcanr e a l t i m em o n i t o rt h ew o r k i n gc o n d i t i o na n d p r e d i c ti t sm a l f u n c t i o n o nt h eb a s i so ft h es t u d yo nt h es e c u r i t ym o n i t o r i n g s y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，t h i st h e s i si n t r o d u c e san e wo nef o rc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y ，w h i c ht a k e sa d v a n t a g eo ft h et e c h n o l o g yp r o g r e s si nt h ef i e l d so f e l e c t r o n i c ，c o m p u t e r ，s e n s i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h es y s t e mn o to n l y p e r f o r m st h eg e n e r a lf u n c t i o n ss u c ha sd e t e c t i n g ，c o n t r o l l i n ga n ds oo n ，b u t a l s oc a nr e c o r dt h eh i s t o r yd a t ao fo v e r l o a ds t a t e ，a n do u t p u tp a r a m e t e ra n d w o r k i n gc o n d i t i o n sb yt a k i n ga d v a n t a g eo fl c mi n t e r f a c e i no r d e rt om a k et h ef u n c t i o no ft h es y s t e mm o r ep e r f e c t ，i m p r o v et h e a d v a n c e s ，a n dg u a r a n t yt h ec r e d i b i l i t y ，m o d u l a r i z a t i o nc o n c e p ti sa d o p t e di n t h i sp a p e rt om a k ei tp o s s i b l ef o ru s e r st oa d df o r m a t i o nu n i td y n a m i c a l l y t om e e td i f f e r e n tn e e d sw i t h o u ta n yc h a n g e so ft h es y s t e m sh a r d w a r e t h e m o n i t o r i n gs y s t e mi sm a d eu po fah o s ts i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o rs y s t e ma n d s e v e r a ls u b o r d i n a t es i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o rs y s t e m s t h es u b o r d i n a t e s i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o ri su s e d t os a m p l ei n f o r m a t i o n ，p e r f o r ma d f u n c t i o n ，a n dt h e n s e n d t h e mt ot h eh o s ts i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o rb y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 。t h eh o s ts i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o rt h r o u g hi n p u tb y k e y b o a r dc a ns e n dp r e p a r e dd a t at ot h es u b o r d i n a t eo n e a f t e rp r o c e s s i n gt h e r e c e i v e dd a t a ，t h eh o s ts i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o rd i s p l a y st h er e s u l t ，a n d s e n d so u tc o n t r o l l i n gs i g n a l s t h i sp a p e rr e a s o n a b l ys e l e c t sm o n i t o r i n gp a r a m e t e ro nt h eb a s i so fm a s s a n a l y s i so ft h ef e a t u r e s o fh i d d e nt r o u b l ei nt h ew o r k i n gc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y ，s u c ha st i r e ，d i e s e le n g i n e ，h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e me t c t h e d e s i g n i n gi d e a ，t h et o t a ls c h e m ea n dt h ec o r r e l a t i v eb a s i ck n o w l e d g eo ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h eh o s ts i n 9 1 e - c h i pm i c r o p r o c e s s o ra n ds u b o r d i n a t e onea r ed i s c u s s e d ，a n ds o m ek e ys e c t i o n sarea n a l y z e di nd e t a i l i i t h i ss y s t e mw i t ht h ec o r eo fp i c l 6 f 8 7 xs i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o r ， f o l l o w e db ys o m ep r o c e s s i n gc i r c u i t s ，w h o s ec i r c u i ti sd r a w na n ds i m u l a t e d b yp r o t e l d x p ，a n dw h o s em o n i t o r i n gp r o g r a mi sp r o g r a m m e db ya s s e m b l e rl a n g u a g e c o m p l e t e st h ef u n c t i o no fs e c u r i t ym o n i t o r i n ga n dm a l f u n c t i o na l e r t i n go ft h e c o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y m o r e o v e r t h i s p a p e ra d o p t s as e r i e s o f s o f t w a r e 。a n d 。h a r d w a r e p r o t e c t i r e m e a s u r e ss oa st o i m p r o v e t h e a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h es y s t e m k e y w o r d ：c o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y ；s e c u r i t ym o n i t o r i n g s y s t e m ；s i n g l e - c h i p m i c r o p r o c e s s o r ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i n 幸留静謦浇 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。 除r 文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写的成果作品，也不包含为获得中南林学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全 意识到本声明的法律后果出本人承担。 作者签名： 卅7 年， 专鞫舟浚法 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向陶家 有关部门或机构送交论文的复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： 1 、 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、 不保密口。 1 醌 作者签名： 移f 年以鼻。1 日 导师签名：试啄弋， x 吖年b 月l r 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不 包含为获得中南林学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 此说明在论文送审时。对于这点作者已做出承诺，鉴于保密原则，此处没有作 者本人签字。 日期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件或电 子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林学院可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 此说明在论文迸审时，对于这点作者和导师已做出承诺，鉴于保密原则，此处 没有作者和导l l i l i 本人的签字。 日期： 中南林学院2 0 0 5 届工学硕士毕业论文第1 页共8 0 页 1 绪论 工程机械作为各项基础设施建设必须的施工机械装备。在国民经济与国家建 设中占据重要地位。在我国，西部大开发，西气东输，青藏铁路、南水北调等 一大批工程给工程机械的发展带来了巨大的市场前景，东部和沿海发达省份的城 镇化建设及大中城市的老城区改造工程更是为各类工程机械的发展注入了活力， 加快发展我国的工程机械产业，提高我国工程机械产品质量对国民经济发展有着 很现实的意义。 工程机械的运行环境通常都比较恶劣，在恶劣的环境中如何避免和及时发现 及排除工程机械故障或隐患，使工程机械具有感知和信息处理能力，对故障和安 全隐患进行自动报警，从而提高其运行的可靠性，这已成为业内非常关注的焦点 问题。给工程机械配备可靠性高、性能完善的安全隐患智能检测与预警系统，对 工程机械的工作运行状态进行实时监测和故障或隐患的准确预报，已成当务之需。 随着液压传动与控制在工程机械上的广泛应用0 1 ，我们对液压系统的稳定性 和可靠性提出了更高的要求。但由于液压系统各元件在封闭的油路内工作，其运 行状况存在隐蔽性、可变性和难于判断性，这给液压系统的使用和维修带来了许 多技术难题。因而，加强对液压系统运行状态的监测，及时了解和掌握系统的运 行情况，判断出故障的原因和部位，并能预测系统未来的技术状态，这显得特别 地重要。 发动机在运行过程中必须要得到润滑系统的充分润滑和冷却系统的适宜冷却 。3 ，干摩擦或是润滑不良都会大大加速摩擦副的磨损“1 ，从而大大缩短使用寿命， 这就要求我们加强对发动机的实时检测。 轮胎是工程机械行驶系的主部件之一，用于轮胎的维修费用约占工程机械维 修费用的2 5 。1 。如果给轮胎配备一套动态监测系统，使轮胎具备一定智能，能 自动进行报警，这无疑能大大减少工程机械停机维修时间和可观的维修使用费。 针对工程机械现有安全状况存在的诸多不足，本文设计了套新的工程机械 安全智能监测系统，以提高工程机械故障的自我检测能力，这对提高工程机械产 品的技术质量和使用寿命有一定的现实意义。 本文运用了“模块化”的设计思想，采用主机实行控制与显示，信息采集由 子机完成，并根据安全性能状况的需求来设立信息采集点，运用无线通信技术实 现主机与从机之间的数据传送，这样就增强了系统的灵活性与应用范围。 刘道寿：工程机械安全智能髓测系统的研究 第2 页共8 0 页 1 1 工程祝械发展及课题的提出 1 1 1 工程机械发展概述 工程机械发展至今，大致经历了】四个阶段”3r 第一阶段以满足减轻劳动强度 为目的的机械驱动阶段。机械设备以机械传动为特点，结构笨重，功能单一，作 业效率低下。第二阶段以提高生产率为目的，机械设备采用液压传动，即液压驱 动阶段。这一阶段的工程机械为第三阶段的发展奠定了基础，设备的作业效率提 高很快，从此，液压元件行业的技术进步一直伴随着工程机械的发展。第三阶段 为工程机械的电子控制阶段，该阶段工程机械的控制精度及机械作业效率大大提 高。近年来，随着计算机技术和信息技术在工程机械中的广泛运用。工程机械的 发展进入到了第四阶段。 使工程机械具有信息处理能力，具有感觉和认识能力，能自我适用，向着自 动化和智能化的方向发展，并由此引进具有良好控制和处理能力的电子技术来改 造工程机械。电子化、自动化和机器人化是工程机械产品发展的方向，是不可抗 拒的技术潮流”“1 。 1 1 2 电子控制技术在工程机械中的应用概况 目前以微机或微处理器为核心的电子控制装置在现代工程机械中的应用已相 当普及，电子控制技术已深入到工程机械的许多领域，如摊铺机及平地枫的自动 找平系统控制，摊铺机的自动供料和设备称重计量过程的自动控制，挖掘机的电 子功率优化，柴油机的电控喷油，装载机、铲运机交速器的自动控制，工程机械 的状态监控与故障自诊等。其作用归纳起来有如下几个方面。 1 提高作业精度。为保证成品料的级配精度，现代沥青及水泥混凝土拌合设 备广泛采用了微机控制的电计量系统，使计量过程实现了自动化。自找平系统的 应用，使沥青混凝土摊铺机的旌工质量有了较大的提高；超声波技术的应用使沥 青混凝土摊铺机的供料实现了自动调节，进步提高了摊铺质量。推土机铲刀、 平地机刮刀、铲运机铲斗刀刃的微机控制，不仅提高了作业精度和作业效率，而 且也减轻了操作人员的劳动强度。 2 作业过程的自动化或半自动化。工程机械实现自动控制或半自动控制，可 以减轻操作者的劳动强度，提高生产效率，并减少因操作者的经验不足对作业精 2 中南林学院2 0 0 5 届工学顾+ 毕业论文第3 页共8 0 页 度的影响。例如日本三菱公司的挖掘机设有挖掘轨迹微机控制系统，操作者在控 制板上设定好铲斗运动轨迹的形状后，微机控制系统能够根据各种角度传感器的 信号，自动控制动臂、斗杆和铲刀的运动，实现各种特定形状和断面沟槽、斜面 的精确挖掘，使挖掘作业实现自动化。 3 节能降耗、提高生产率。传统工程机械的能量利用率较低，例如液压挖掘 机的燃油能量利用率仅为2 0 左右，如此低的能量利用率迫使工程机械的、发展必 须着眼于节能。日本小松公司挖掘机采用的新型节能器( o l l s 系统) ，具有良好 的节能效果，燃油可节省2 3 ；日本日立公司的节能控制系统可节省燃料1 2 1 8 ，生产率提高2 0 ；美国卡特彼勒公司挖掘机采用了卡特电子功率控制系统， 通过对发动和泵的等综合控制，使功率的利用率可达9 8 ，同时生产率也大提高。 4 柴油机的控制。随着对工程机械施工质量和生产率要求的不断提高，传统 的机械式传动及机械一液压式调节方式已不能满足工程机械用柴油机的要求。因 此，电子控制喷油量、喷射时间的控制装置和能够高压喷射的组合蓄压式喷射装 置等已在工程机械用柴油机上使用。电控系统的优越性就在于它能够实现多功能 的自动调节，并改善柴油机低速、低负荷时的燃料使用的经济性，减少故障，提 高可靠性。 5 电子监控、自动报警及故障自诊。即对工程机械的发动机、传动系统、工 作装置、制动系统和液压系统等的运行状态不停地进行监控，一旦出现异常现象， 能自动报警并能指出故障部位。给工程机械配备电子监控系统是工程机械发展的 一个新趋势。 6 其他应用。某些国外生产的推土机、装载机、铲运机等采用了电子控制的 自动变速器，它能够根据外负荷的变化情况自动改变系统的传动比，这不仅充分 利用了发动机的功率，提高了燃油经济性，而且也简化了操作，降低了劳动强度。 为有效地防止翻车和断臂事故，提高了作业的安全性，现代起重机上广泛采用了 微机控制的力矩控制器。为实现无人驾驶，使工程机械能在危险地带或入无法接 近的地点进行作业，某些国外工程机械上还设蜃了无线遥控装置。 1 1 3 工程机械运行状态实时监测技术的发展 人类使用机械设备的初期，机械设备在施工生产过程中的地位还不很重要， 机械设备的故障停机对生产的影响也不十分大，因此，人们只在故障出现以后才 对其进行维修，即所谓的事后修理。随着机械化程度的提高，机械设各在施工生 产过程中的地位日益重要，一旦故障停机，给生产造成较大的损失。通过生产实 刘道寿：工程机械安全智能监测系统的研究 第4 页共8 0 贞 践，人们认识到机械的零、部件的寿命大约有个固定范围，机械设备的故障与使 用大致有一定关系，于是对机器进行定期修理。”1 。 随着工程机械大型化和智能化的发展“1 ，两种做法已远远满足不了工程机 械的需要。早期( 如目前国内) 的工程机械的监控采用传感器接一个电流电压表， 或串接一只l e d 、灯泡组。典型的检测点仅仅包括发动机转速、燃油油位、发动 机温度、主泵压力等3 4 处。随着传感器性能的提高和电子技术的飞速发展，国 内外对工程机械的工况监测技术已做过很多研究m ，并开发出了不同的监控装 备。 1 国外比较典型的产品有：神户制钢的s k - - 2 2 0 挖掘机的工况监控系统； 日本小松公司的p c 2 0 0 - 5 型挖掘机所采用电子监控系统；( 国d l l r 型履带推土机 监测系统；卡特彼勒的新型蜂测系统( c m s ) 。 2 目前在我国，各种工程机械仍广泛采用仪表显示其运工作情况，监测系统 并没普及。比较典型的监测装置有：济南军区1 9 9 0 年研制的c j q = i i 型工程机 检测仪：天津工程机械研究所的e m s - a 型电子监测器；山东推土机总厂工程 机械研究研制的t j k - 1 推土枫监控器。 对国内同类产品的性能进行比较分析得出：目前国内工程机械监测系统是以 8 0 5 1 单片机或p l c 作为控制核心，辅以其它外围电路进行逻辑控制，主要存在如 下几点不足之处： 1 因各检测参数比较分散，采用有线与控制芯片进行信号输送，干扰容易窜 入信号中，同时也增加了布线的难度。 2 没有对轮胎进行监测。 3 监测系统设计不规范，通用性差。 1 1 4 轮胎监测技术的发展 轮胎是轮式工程机械的重要组成部分，车辆通过轮胎与路面接触，因此轮胎的 气压对汽车的综合性能有着重要的影响。对轮胎气压监测的研究始于汽车交轮胎， 据统计，大约有6 的交通事故是由轮胎引起的，而其巾又有8 确是由于轮胎气压不 足引起的“”。美国一法案规定，从2 0 0 3 年l1 月起，所有新获准通行的轿车和轻型商 用车，都应安装一套轮胎压力监测系统“”。 对轮胎充气压力实时监测与报警系统的研究日本和美国等西方国家走在了前 列，自上一个世纪八十年代，日本与美国学者就进行了较为深入的研究，提出了较 4 中南林学院2 0 0 5 届工学硕士毕业论文第5 页共8 0 页 为详细、合理的设计方案并给出了一些非常有价值的数据”7 ”“。但我国在乘用 车方面的研究远远落后于西方国家，已经研究出的轮胎充气压力监测与报警系统 由于技术复杂，价格昂贵，抗干扰性差，不宜推广。目前，轮胎监测系统有直接型 及间接型两种。 1 直接型轮胎监测系统需要在每个轮胎中安装传感器，直接测量轮胎的气压和 温度，经胎内微控制器数据处理后通过发射器发射出去。 2 间接型轮胎监测系统不需要额外安装传感，目前主要是借用a b s 中的轮速传 感器测量4 个车轮的转速。当某个轮胎的压力下降时，滚动半径减少，车轮转速相 应增大，系统主要是通过比较两条对角线上车轮转速的总和来判断是否出现压力下 降。 通过实际应用比较可知：虽然直接型需要额外的硬件设备，价格相对昂贵，但 其可靠性远远高于间接型”“。 1 1 5 工程机械智能安全监测系统的提出 针对国内现有工程机械安全监测存在的诸多不足，本文设计了一套新的安全 智能动态监测系统。与以前的监测系统相比，本系统具有以下优点： 1 运用了“模块化”设计思想，整个系统由主机和子机构成，在不改变主机 硬件的前提下，用户可根据具体机型需要来确定子机的数量、功能及位置，这样 既规范了安全监测系统的设计，又增强了系统应用的灵活性。 2 在数据传输方面采用了无线通信技术，有利于提高系统的抗干扰能力，同 时减少了布线的难度。 3 增加了对轮胎的监钡4 。 1 2 机械故障常用诊断方法 提到工程机械的故障隐患分析，就不得不提机械故障诊断方法。按检测手段 分，机械故障诊断的常用方法有：直观检查法、振动检测法、噪声检测法、温度 检测法、压力检测法、润滑油或冷却液金属含量分析法、金相分析法。2 “”。 1 直观检查法 由检查人员通过观察发动机及零件的外观色泽和表面状态来进行故障的分 析，这种方法简单实用，但要求检查人员必须具有丰富的经验。 2 振动检测法 刘道寿：工程机械安全智能监测系统的研究 第6 页共8 0 页 以发动机振动作为信息源，在发动机运行过程中，通过振动参数的变化特征 来判别机器的运行状态。 3 噪声检测法 此法的本质与振动检测法是一致的，因为噪声主要是由振动产生的。此法虽 简单，但易受环境噪声影响，不如振动检测法准确。 4 温度检测法 以可观测的机械零件的温度作为信息源，在机器运行过程中，通过温度参数 的变化特征判别机器的运行状态。 5 压力检测法 以机械系统的气体、液体的压力作为信息源，在机器运行过程中，通过温度 参数的变化特征判别机器的运行状态。 6 润滑油或冷却液金属含量分析法 在机器运行过程中，以润滑油或冷却液中金属含量的变化，刿别机器的运行 状态。 7 金相分析法 某些运动的零件，通过对其表面层金属显微组织、残余应力、裂纹及物理性 质进行检查，研究变化特征，判别机器设备存在的故障及形成原因。 在以上方法中，直观检查法适合于有丰富经验的检查人员，润滑油或冷却液 金属含量分析法、金相分析法在离线人工分析中应用较多，振动检测法、噪声检 测法、温度检测法、压力检测法则适合在线计算机监视诊断，但对于结构复杂的 机械会因其结构的复杂性而给振动检测的实施带来困难。因此，在进行工程机械 的故障隐患分析过程中，温度和压力将作为安全性能影响因素的主要信息。 1 3 智能检测系统及相关技术的研究 研究“工程机械安全智能监测与预警系统”的关键在于使其实现智能化和集 成化，从而能对影响工程机械安全使用性能的主要因素的变化情况进行在线检测 和实时处理。基于这一考虑，开展对智能检测系统及相关技术的研究将十分重要。 对本系统的研究来说，它既可以提供基本的理论依据，也可以提供基本的技术指 导。 6 中南林学院2 0 0 5 届工学硕士毕业论文第7 页共8 0 页 1 3 1 检测及其智能化发展 检测是人类认识物质世界，改造客观环境、提升创新能力的重要手段。远古 时期，人类就知道利用自己的指幅和臂长为标准以确定其他物体的长度，后来又 发明了观察时间的日晷和测定方向的司南。随着人类认识能力和科技水平的提高， 检测技术及其设备获得了迅猛的发展。特别是信息时代的到来，检测技术作为信 息技术的基础性技术起着极其重要的作用，钱学森院士对新技术革命的论述中说： “新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术和通讯 技术三部分组成。测量技术则是关键和基础。” 现在检测技术已不再单单是原始意义上的测量，己广泛运用了信息技术( 即 传感器技术、计算机技术、和通讯技术) ，正朝着微机化和智能化的方向发展。较 简单的微机检测系统的硬件组成的基本形式如图1 1 所示啉1 。图中被测参数经传 感器转换成模拟信号，经信号调理、a d 转换后以微机要求的数字形式送入单片 机进行处理，再送到磁带机、打印机等数据记录器记录下来，同时可进行数据显 示和声光报警。 图1 1 简单微机化检测系统框图 所谓智能检测，应当包含参数测量、性能检验、信息处理、故障诊断、隐患 预警和决策输出等多项内容，具有比传统的“测量”远为丰富的内涵，是检测设 备模仿人类专家综合处理能力的结晶。从广义上说，智能检测系统包括以单片机 为核心的智能仪器、以p c 机为核心的自动测试系统和目前发展势头迅猛的专家系 统。从整体上说，检测系统充分利用了计算机资源，在人工最少参与的条件下尽 量以软件控制来实现系统功能。智能检测呈现出了一些新特点和新功能： 1 自动对零功能 在每次采样前对传感器的输出值自动清零，从丽大大降低因检测系统漂移变 化造成的误差。 2 自动量程切换功能 可根据测量值的大小改变测量范围，在保证测量范围同时提高分辨率。 刘道寿：工程机械安全智能监测系统的研究 第8 页菇8 0 负 3 多点快速测量 目前，高速a d 转换的采样速度在2 0 0 m h z 以上，3 2 位p c 机的时间频率也在 5 0 0 m t t z 以上，这些都为智能检测系统的多点快速测量提供了条件。 4 数字滤波功能 利用计算机对测量数据进行处理，可抑制各种干扰和脉冲信号。 5 自动修正误差 许多传感器和控制器的特性是非线性的，且受环境参数变化的影响比较严重， 从而给仪器带来误差。采用计算机技术，可以依靠软件进行在线或离线修正。 6 数据处理功能 利用计算机可以实现传统仪器无法实现的各种复杂的处理和运算功能。比如 统计分析、检索排序、函数变换、差值近似和频谱分析等。 7 多媒体功能 选用计算机的多媒体技术，可以使仪器具有声光和语言等功能，增强检测系 统的个性和特色。 8 通信功能 利用计算机的数据通信功能，可以大增强检测系统的外部接口功能和数据传 输功能。 9 自我诊断与故障报警功能 典型的智能检测系统通常由主机、分机和相应的软件组成，其硬件系统的结 构如图1 2 所示。”。不同类型的被测信号先经各种传感器转换成相应的电信号， 经a d 转换后送单片机( 分机) 进行初步数据处理。单片机( 从机) 则通过数据 通信电路将数据传输到主机，实现检测系统的数据分析和测量结果的存储、显示、 打印、绘图以及与其他计算机系统的联网通信。 中南林学院2 0 0 5 届t 学硕士毕业论文 第9 页共8 0 页 传感器1 叫信 ：二_ 号i 堕 传譬器2 叫望r羹l 片 机 ： 由 电 h 主 传感器n 路路l 机 一 焉 传感器1b -信 数机 号 单据 、 i 传感器2p -调 一鬟一赢卜 通： 工 理信r控 电i 电 接i 机 l 传感器n 1 -路 i 路口 或 i 一苴 片 传感器1l -信 机 号 萱 一 1 传感器2 卜调 鬟 片 理 机 电电 传感器n l 路 路 图1 2 典型智能检测系统框图 本课题“工程机械安全智能动态监测系统”的整体构思就是依照图1 2 所示 方案进行规划的，可以说，此图所示方案为本系统的研究工作奠定了原理与方法 上的坚实基础。 1 3 2 传感器技术 1 3 2 1 传感器的定义 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通 信技术和传感器技术等。计算机相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感 器就相当于人的感官。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律 将这些信息转换成可用信号的装置；从狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换 成电信号的装置啪1 。 现代电子技术和计算机为信息转换与处理提供了十分完善的手段，使检测与 控制技术发展到一个崭新的阶段，但如果没有各种精确可靠的传感器去检测原始 数据并提供真实的信息，那么，计算机也无法发挥其应有的作用。 现在计算机和通信技术发展极快，掌握这些技术的工程技术人员也非常多， 但精通传感器技术的工作者却很少，这是因为传感器技术都需要使用模拟技术， 而模拟技术有很多问题还有待解决。为了适应现代科学技术的发展，世界众多国 9 刘道寿：工程机械安全智能监测系统的研究 第1 0 页共8 0 页 家都把传感器技术列为现代关键技术之一。 1 3 2 2 传感器的作用 1 信息的收集 科学研究中的计量测试，产品制造与销售中所需的计量等都要经测量才获得 准确的定量数据。 对某种特定要求，需要检测i b 标物的存在状态，并把某状态信息转换为数据。 对系统或装置的运行状态进行监测，发现异常情况时，发出报警信号并启动保护 电路，这样可以对系统或装置进行安全管理。 判断产品是否合格或人体各部位的异常诊断等都需由传感器的测量来完成。 2 信息数据的转换 把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信号数据转换 成计算机、传真机等能够处理的信号数据，或者读出记录在各种媒介体一h 的信息 并进行转换。例如，磁盘与光盘的信息读出磁头就是一种传感器。 3 控制信息的采集 对控制系统的某种状态的信息进行检测，并由此控制系统的状态或者跟踪系 统变化的目标值。 1 3 2 3 传感器的分类 用于测量和控制的传感器种类繁多。”：一种被测量，可以用不同的传感器来 测量；而同一原理的传感器，通常又可以测量多种非电量。因此，分类的方法也 五花a f 3 ，目前流行的分类主要有以下几种： 1 按能量关系分，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两类。无源传感 器只是被动地接收来自被测物体的信息，有源传感器则可以有意识地向被测物体 簏加某种能量，并将来自被测物体的信息变换为便于检测的能量后再进行检测。 2 按基本效应可分为物理型、化学型、生物型传感器。 3 按构成原理可分为结构型和物性型传感器。结构型传感器是基于某种结构 的变化的一种传感器。例如，电容压力传感器就属于这种传感器，当外加压力改 变时，电容极叛发生位移，电容量发生变化，如果谐振装置中采用这种电容、其 谐振频率就随电容量发生变化，检测谐振频率的变化就能测量压力的大小。物性 型传感器是一种利用物质具有的物理或化学特性的传感器，它对压力、温度、电 场、磁场等有一定依赖关系，并能进行变换。这种传感器一般没有可动结构部分， 易小型化，故也被称作固态传感器。 1 0 中南林学院2 0 0 5 届工学硕士毕业论文第1 1 页共8 0 页 4 按作用原理可分为应变式、电容式、压电式、热电式等。 5 按输入量可分为位移、压力、温度、流量、气体等。 6 按输出量可分为模拟式和数字式。 1 3 2 4 传感器的特性 传感器的特性包括静态特性和动态特性。静态特性表示传感器在被测量各个 值处于稳定状态时的输出输入关系，动态特性反应的是传感器对于随时问变化的 输入量的响应特性。 1 静态特性 对传感器静态特性的基本要求是输人为0 时，输出也应为0 ，输出相对于输 入应保持一定的对应关系。主要的静态特性有： ( 1 ) 灵敏度与信噪比( s n ) 传感器应具有必需的灵敏度，较大的信噪比。信噪比( s n ) 指的是传感器输 出信号中的信号分量与噪声分置的平方平均值之比，s n 小、信号与噪声就难 以分清，若s n = 1 ，就完全分辨不出信号与噪声。因此，s n 至少要大于1 0 。 ( 2 ) 线性度 输入与输出量之间的线性比例关系，称为线性关系。 ( 3 ) 回差( 时滞) 回差是反映传感器在正( 输入量增大) 反( 输入量减少) 行程过程中输出 输入曲线的不重合程度的指标。 ( 4 ) 稳定性 或称长其稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。 ( 5 ) 分辨力 分辨力是传感器在规定测量范露内所能检测出的被测输入量的最小变化量。 有时用该值相对满量程输入之百分数表示，则称为分辨率。 ( 6 ) 漂移 漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关、不需要 的变化。包括零点漂移和灵敏度漂移。 2 动态特性 传感器要检测的输入信号是随时间而变化的，传感器的特性应能跟踪输入信 号的变化，这样才可以获得准确的输出信号。如果变化太快，就可能跟踪不上。 这种跟踪输入信号变化的特性就是响应特性、即为动态特性。动态特性是传感器 刘道寿：工程机械安全智能监测系统的研究 第1 2 页共8 0 页 的重要特性之一。 1 3 2 5 传感器的发展趋势 传感器的发展，一方面要满足各领域日益增长的对未知量精确测量的需要； 另一方面还要适应飞速发展的信息传递与处理技术。其发展将沿以下几个方向进 行1 ： 1 高精度。” 为了提高测控精度，就必须使传感器的精度尽可能提高。 2 微型化 传感器具有尽可能小的尺寸，一方面可以测量某些不易测过的量，另一方面 还可减少对被测量的影响。 3 集成化3 一种是将传感器、放大器与补偿电路等集成在同一芯片上，既减少体积，又 能增加抗干扰能力；另一种是将同类传感器集成在同一芯片上，构成多维陈列式 传感器，实现多维测量。 4 数字化。” 便于与计算机直接联机。 5 智能化。” 所谓智能化传感器是以专用微处理器控制的、具有双向通信功能的传感器系 统。它不仅具有信号检测、转换和处理功能，同时还具有存储、记忆、自补偿、 自动诊断等多种功能。 6 研究生物器官，开发生物传感器嘟嘲 利用化学效应和生物效应开发出可供实用的化学传感器和生物传感器，这在 国外已初具规模，在国内则是有待进一步开拓的新领域。 1 3 3 单片机技术 单片机是把微型计算机主要部分( 微处理器、一定容量的r a m 和r o m 以及i o 口、定时器等) 都集中在一个芯片上的单芯片微型计算机。”，简称为单片机，由 于其结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫单片微控制器。 1 3 3 1 单片机的主流产品及特点 单片机经过二十多年的发展，到今天可以说是种类繁多。，性能各异。在欧 美，有n a t i o n a ls e m i c o n d u t o r 的c o p 8 系列单片机；美国s c e n i x 公司的8 位单 中南林学院2 0 0 5 届工学颁士毕业论文第1 3 页共8 0 页 片机系列；p h i l i p s 的5 l 系列单片机；a t m e l 的a t 8 9 系列单片机和最新推出的 a t 9 0 系列单片机；美国a m d 公司的1 8 6 系列1 6 位嵌入式微控制器；s t m i c r o e l e c t r o n i c s 公司的s t 6 2 系列单片机；m i c r o c h i p 的p i c 系列单片机； m o t o r o l a 的各个系列单片机以及i n f i n e o nt e c h n o l o g i e s 的c 5 0 0 和c 1 6 6 系列等。 在日本，有t o s h i b a 公司开发了从4 位到6 4 位的多系列单片机；日立公司也有从 4 位到3 2 位的单片机；另外还有f u j i t s um i c r o e l e c t r o n i c s 的f z m c - - s l 微控制 器系列产品；o k ie l e c t r o n i c s 的m s m 8 0 、m s m 6 6 、m s m 6 3 系列单片机：n e c 的7 5 x 、 7 8 x 系列微机。在台湾地区，主要有w i n b o n d 公司的w 7 4 1 w 5 3 6 、w 7 8 w 7 7 等系 列产品微控制器；h o l t e k 的h t 4 6 4 7 4 8 4 9 c x x 系列微控制器：e m c 公司的e 7 8 系列单片机等。在韩国，主要有h y u n d a im i c r o e l e c t r o n i c s 的g m 5 8 0 0 、g m 5 3 0 系列微控制器；另外还有l g 等公司也生产单片机。其中8 位单片机的销售量最大， 占总销售量的6 5 ，仍是当前单片机应用的主流o “。 1 m o t o r o l a 单片机 m o t o r o l a 是世界上最大的单片机厂商，品种全、选择余地大、新产品多是其 特点。在8 位机方面有6 8 h c 0 5 和升级产品6 8 h c 0 8 ，6 8 h c 0 5 有三十多个系列，二 百多个品种，产量己超过2 0 亿片。8 位增强型单片机6 8 h c i i 也有三十多个品种， 年产量在i 亿片以上，升级产品有6 8 h c l 2 。1 6 位机6 8 h c l 6 也有十多个品种。3 2 位单片机的6 8 3 x x 系列也有几十个品种。近年来，以p o w e r p c 、c o l d f i r e 、m c o r e 等为c p u 。将d s p 做为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。目前仍是单片机的首 选牌品。m o t o r o l a 单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较i n t e l 类单 片机低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣 的环境。m o t o r o l a8 位单片机过去的策略是以掩膜为主的，最近推出o t p 计划以 适应单片机发展新趋势，在3 2 位机上，m c o r e 在性能和功耗方面都胜过a r m 7 。 2 8 0 5 1 类单片机 8 0 5 1 类单片机最早由i n t e l 公司推出，是用量最大的几种单片机之一。由于 i n t e l 公司在嵌入式应用方面将重点放在1 8 6 、3 8 6 、奔腾等与p c 类兼容的高档 芯片的开发上，8 0 5 1 类单片机主要由p h i l i p s 、三星、华邦等公司接产。这些公 司都在保持与8 0 5 1 单片机兼容的基础上改善了8 0 5 1 许多特性( 如时序特性) 。提 高了速度、降低了时钟频率，放宽了电源电压的动