毕业设计（论文）-装载机控制系统设计.doc

装载机控制系统设计装载机控制系统设计 摘要 铲装作业是装载机工作过程的重要组成部分 决定了装载机作业 的效率和性能 采用计算机技术和电液比例技术来控制工作装置的运动 对铲装 过程中的几个重要参数进行自动控制 进而实现优化工作过程的目标 根据装载 机的工作原理 本课题设计了装载机的单片机控制系统 关键词 电液比例控制 PWM 51单片机 自动控制 Abstract bucketing operations is an important part of the loaderwork process to determine the efficiency and performance of theloader operation Computer technology and electro hydraulicproportional technology to control the movement of the workingdevices automatic control of several important parameters in thebucketing process thus achieving the goal of the optimizationprocess According to the loader works the subject has designed a single chip control system of the loader Key words electro hydraulic proportional control PWM 51microcontroller automatic control 目 录 1前言前言 3 1 1嵌入式单片机的发展 3 1 2本课题的设计背景 3 1 3本文的主要研究内容及研究思路 5 1 4本课题的研究意义 6 2系统开发软硬件概述系统开发软硬件概述 6 2 1PROTEUS仿真软件简介 6 2 2KEIL编译及调试软件简介 7 3装载机控制系统硬件设计装载机控制系统硬件设计 9 3 1高速开关阀对主阀芯位移控制原理 10 3 2控制系统硬件的选择 15 3 2 1单片机的选择 15 3 2 2单片机与高速阀接口电路的设计 15 3 2 3单片机系统中的按键接口 16 3 2 4串行通信接口 17 3 2 5传感器的选用 19 3 2 6A D转换芯片 21 3 2 7装载车灯的控制 略 21 3 2 8电源的设计 21 3 3单片机应用系统的整体设计 22 4装载机控制系统的软件设计装载机控制系统的软件设计 23 4 1软件开发的一般步骤 23 4 2软件设计总体思路 25 4 3软件各模块的设计 26 4 3 1系统的初始化 27 4 3 2手动控制子程序 30 4 3 3自动控制子程序 30 4 4程序的调试仿真 33 5总结及致谢总结及致谢 37 6参考文献参考文献 38 附附 录 录 39 附录 I 控制系统部分源代码 39 附錄 II 系統仿真用原理圖 42 1 1前言前言 1 1 嵌入式单片机的发展嵌入式单片机的发展 单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物 属第四代电子计算机 它具有高性能 高速度 体积小 价格低廉 稳定可靠 应用广泛的特点 它 的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革 因此 单片机的开发应用 已成为高科技和工程领域的一项重大课题 目前 基于单片机的微控制器已广泛应用于家电控制 通讯 工业控制 智能仪器仪表 金融电子等许多领域 1 2 本课题的设计背景本课题的设计背景 装载机属于铲土运输机械类 广泛用于公路 铁路 建筑 水电 港口和 矿山等工程建设 装载机具有作业速度快 效率高 机动性好 操作轻便等优 点 因此成为工程建设中土石方施工的主要机种之一 对于加快工程建设速度 减轻劳动强度 提高工程质量 降低工程成本都发挥着重要的作用 是现代机 械化施工中不可缺少的装备之一 一一 国内外装载机发展现状及趋势国内外装载机发展现状及趋势 工程机械在它一百多年的发展历程中 经历了三次飞跃和更新换代 首先 内燃机的出现引发了动力革命 继而50年代出现的液体传动 包括液压 液力 传动 引发了传动革命 如今正进行着操纵和控制的革命 工程机械当前面临的主要问题即为操纵和控制 要使工程机械高效节能 就要对发动机 传动系统和工装系统进行控制 合理分配功率 使其处于最佳 工况 为了减轻操作者劳动强度和改善操纵性能 需要采用自动控制 以实现 省力化和自动化 要完成高技能作业 就需要进行工作装置的智能化控制 为 了提高安全性 进行运行状态监测 故障自动报警 便需要安全控制 为避免 操作者在十分恶劣的环境或无法接近的场所中作业 就需要进行远距离控制或 无人驾驶操作 在经历了50到60年的发展后 到20世纪90年代终末期国外轮式装载机技术 已经达到相当高的水平 液压技术 微电子技术和信息技术的各种智能系统已 广泛应用于装载机的设计 计算操作控制 检测监控 生产经营和维修服务等 各个方面 使国外轮式装载机在原来的基础上更加 精致 其自动化程度也得 以提高 进一步提高了生产效率 改善了司机的作业环境 提高了作业舒适性 降低了噪声 振动和排污量 保护了自然环境 综观国外装载机的发展历程 主要有以下特点 1 产品系列化 成套化 更新速度加快 2 采用大量新结构 新技术 使产品的性能日趋完善 3 重视安全性 舒适性和可靠性 4 更加节能与环保 二二 国内装载机发展现状国内装载机发展现状 从1966年我国第一台轮式装载机在柳工诞生到现在 我国的装载机行业已 有四十几年的发展历史 与发达国家近百年的发展历史相比 我国轮式装载机 的研究起步较晚 进程也比较缓慢 其中很多制造技术是陆续从美国 德国和 日本等国家引进的 虽然目前我国装载机生产厂家有很多 成为了世界上装载 机的产销大国 但是大而不强 国内的企业自主研发创新能力普遍较弱 装载 机的生产技术只相当于发达国家上世纪八九十年代的水平 与发达国家的差距 较大 近几年来 国内各生产厂家逐渐认识到技术落后的严重性 为了取得市场 竞争的优势地位 纷纷加大技术投入 加快了新产品的研发速度 采用了不同 的技术路线 在关键部件及系统上技术创新 提高产品的科技含量 形成了有 自己特色的产品 提高产品在国际 国内的竞争力 使产品从低水平 低质量 低价位 满足功能型向高水平 高质量 中价位 经济实用型过渡 还有一些 企业引进了国外具有部分机电一体化功能的工程机械制造技术 并且与国外公 司合资生产各种工程机械 在关键部件及系统上进行技术创新 以摆脱目前产 品设计雷同 无自己特色和优势的现状 目前 我国装载机行业已经能够独立 研制和开发各种新机型 形成了一整套完整的体系 各企业基本上都能够自主 生产高技术水平的第三代产品 这些产品大都采用了先进的电子控制系统 如 柳工集团生产的国内第三代轮式装载机产品ZL50G ZL50G应用了国家级技术创 新项目 装载机高压液压系统技术 使国产机液压系统压力达到了国际上通用 的20MPa 选用了进口一流发动机 提高了可靠性 延长了大修间隔时间 配置 了世界一流水平的变速箱 变矩器和驱动桥 传动系统不仅更卓越 而且寿命 长达1万小时以上 安装了性能可靠的电子监控系统等多项新技术 使装载机的 性能得到很大提升 其主要指标已达到了20世纪90年代中期国际水平 是我国 装载机产品的一大进步 但是与国外先进装载机生产商相比还有不小的差距 需要我们努力赶上 三三 装载机的发展趋势装载机的发展趋势 现代科技日新月异 各种新技术层出不穷 特别是自动化 智能化技术的 出现 为工程机械的改进提供了技术基础 未来装载机将会向以下方向进一步 发展 1 机电一体化 微电子 机器人技术将广泛得到应用 以大规模集成电路为代表的现代微电子技术和其它高新技术在装载机上将 得到越来越广泛的应用 进一步促进装载机技术的进步 工程机械电子技术 传感器技术 电子控制理论也将得到迅速发展 2 液压技术将得到进一步普及 液压技术将得到进一步发展和应用 并继续朝着高速 高压 大流量 大 功率 静动态特性好等更高水平发展 3 产品将更加节能 环保 一些节能新技术和新方法 如代用燃料 节能装置将更深入地试验研究并 推广应用 进一步降低能耗 提高作业经济效益 4 产品具有安全性 舒适性和可靠性的特点 装载机的安全性 舒适性和可靠性将得到更广泛的重视 多用途 多功能 装载机的研制 开发工作将得到进一步加强并取得新的突破 4 1 3 本文的主要研究内容及研究思路本文的主要研究内容及研究思路 本文主要解决装载机铲斗在任意位置卸载后的自动放平问题 具体内容为 在尽可能较小改变装载机原有工作装置主要结构的基础上 利用装载机本身自 带的蓄电池 使用51系列单片机作为控制系统的核心 设计装载机的单片机控 制系统 并编制与之相配套的软件系统 设计人机互动部分 将控制手柄等各 种人所发出的指令进行解释处理 达到实现铲斗自动放平的最终目的 研究思路主要为 控制系统对输入的信号进行加工处理 输出PWM信号驱动 电液控制系统 电液控制系统做出相应动作控制铲斗的状态 状态传感器传回 反馈信号给控制系统 控制系统进行判断后 根据不同情况进行相应的修正动 作 利用系统的高速处理信息的能力 实时调整工作装置的角度 实现工作装 置的自动放平功能 1 4 本课题的研究意义本课题的研究意义 随着科技的不断发展 工程机械的自动化程度必然会越来越高 实现机电 液一体化是发展的必然趋势 我国在这方面还比较落后 加快新产品的研究与 开发 提高产品的质量 是我国装载机行业的必经之路 本文针对目前装载机 只能在最高位卸载后自动放平 而在其他任意位置不能自动放平的这个问题 设计了以单片机为核心的控制系统 配套相应的软件 并定义了低位区 高位 区和自动控制区 圆满地解决了这个问题 该问题的解决可有效的提高工作精 度和工作效率 减少人为的操作 降低工作人员的劳动强度 实现工作装置部 分自动化 提高装载机科技含量 增加产品竞争力的目的 2 2系统开发软硬件概述系统开发软硬件概述 2 1 Proteus 仿真软件简介仿真软件简介 Proteus ISIS 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件 9 它运行于 Windows 操作系统上 可以仿真 分析 SPICE 各种模拟器件和集成电 路 该软件的特点是 实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合 具有模 拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的仿真 RS232 动态仿真 I2C 调试器 SPI 调试器 键盘和 LCD 系统仿真的功能 有各种虚拟 仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器等 支持主流单片机系统的仿真 目前支持的单片机类型有 68000 系列 8051 系列 AVR 系列 PIC12 系列 PIC16 系列 PIC18 系列 Z80 系列 HC11 系列以及各种外围芯片 提供软件 调试功能 在硬件仿真系统中具有全速 单步 设置断点等调试功能 同时可 以观察各个变量 寄存器等的当前状态 因此在该软件仿真系统中 也必须具 有这些功能 同时支持第三方的软件编译和调试环境 如 Keil C51 uVision2 等软件 具有强大的原理图绘制功能 总之 该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软件 功能极其强大 Proteus 主要用于绘制原理图并可进行电路仿真 Proteus ARES 主要用于 PCB 设计 ISIS 的主界面主要包括 1 是电路图概览区 2 是元器件列表区 3 是绘图区 绘制电路图的过程如下 单击 2 区的 P 命令即弹出元器件选择 Pick Devices 对话框 Proteus 提供了丰富的元器件资源 包括 30 余种元器件库 有些元器件库还具有子库 利用该对话框提供的关键词 Keywords 搜索功能 输入所要添加的元器件名 称 即可在结果 Results 中查找 找到后双击鼠标左键即可将该元器件添到 2 区 待所有需要的元器件添加完成后点击对话框右下角的 OK 按钮 返回主 界面 接着在 2 区中选中某一个元器件名称 直接在 3 区中单击鼠标左键即可 将该元器件添加到 3 区 由于是英国的软件 特别要注意的是绘图区中鼠标的操作和一般软件的操 作习惯不同 这正像是司机座位和人行道走向和国内不同一样 单击左键是完 成在 2 区中被选中的元器件的粘贴功能 将鼠标置于某元器件上并单击右键则 是选中该元器件 呈现红色 若再次单击右键的话则删除该元器件 而单击左 键的话则会弹出该元器件的编辑对话框 Edit Component 若不需再选中任何 元器件 则将鼠标置于 3 区的空白处单击右键即可 另外如果想移动某元器件 则选中该元器件后再按住鼠标左键即可将之移动 元器件之间的连线方法为 将鼠标移至元器件的某引脚 即会出现一个 符号 按住鼠标左键后移动鼠标 将线引至另一引脚处将再次出现符号 此时单击鼠标左键便可完成连线 连线时在需拐弯的地方单击鼠标左键 即可实现方向的改变 绘制好电路后 可利用 1 区的绿色边框对 3 区的电路进 行定位 2 2 Keil 编译及调试软件简介编译及调试软件简介 目前流行的 51 系列单片机开发软件是德国 Keil 公司推出的 Keil C51 软件 它是一个基于 32 位 Windows 环境的应用程序 支持 C 语言和汇编语言编程 其 6 0 以上的版本将编译和仿真软件统一为 Vision 通常称为 V2 Keil 提 供包括 C 编译器 宏汇编 连接器 库管理和一个功能强大的仿真调试器等在 内的完整开发方案 由以下几部分组成 Vision IDE 集成开发环境 包括工 程管理器 源程序编辑器 程序调试器 C51 编译器 A51 汇编器 LIB51 库 管理器 BL51 连接 定位器 OH51 目标文件生成器以及 Monitor 51 RTX51 实 时操作系统 应用 Keil 进行软件仿真开发的主要步骤为 编写源程序并保存 建立工 程并添加源文件 设置工程 编译 汇编 连接 产生目标文件 程序调 试 Keil 使用 工程 Project 的概念 对工程 而不能对单一的源程序 进行编译 汇编 连接等操作 工程的建立 设置 编译 汇编及连接产生目标 文件的方法非常易于掌握 首先选择菜单 File New 在源程序编辑器中输 入汇编语言或 C 语言源程序 或选择 File Open 直接打开已用其他编辑器 编辑好的源程序文档 并保存 注意保存时必须在文件名后加上扩展名 asm a51 或 c 然后选择菜单 Project New Project 建立新工程并保 存 保存时无需加扩展名 也可加上扩展名 uv2 工程保存后会立即弹出一个 设备选择对话框 选择 CPU 后点确定返回主界面 这时工程管理窗口的文件页 Files 会出现 Target1 将其前面 号展开 接着选择 Source Group1 右击鼠标弹出快捷菜单 选择 Add File to Group Source Group1 出现 一个对话框 要求寻找并加入源文件 在加入一个源文件后 该对话框不会消 失 而是等待继续加入其他文件 加入文件后点 close 返回主界面 展开 Source Group1 前面 号 就会看到所加入的文件 双击文件名 即可打开 该源程序文件 紧接着对工程进行设置 选择工程管理窗口的 Target1 再选 择 Project Option for Target Target1 或点右键弹出快捷菜单再选择 该选项 打开工程属性设置对话框 共有 8 个选项卡 主要设置工作包括在 Target 选项卡中设置晶振频率 在 Debug 选项卡中设置实验仿真板等 如要写 片 还必须在 Output 选项卡中选中 Creat Hex Fi 其他选项卡内容一般可 取默认值 工程设置后按 F7 键 或点击编译工具栏上相应图标 进行编译 汇 编 连接以及产生目标文件 成功编译 汇编 连接后 选择菜单 Debug Start Stop Debug Session 或按 Ctrl F5 键 进入程序调试状态 Keil 提供对程序的模拟调试 功能 内建一个功能强大的仿真 CPU 以模拟执行程序 Keil 能以单步执行 按 F11 或选择 Debug Step 过程单步执行 按 F10 或选择 Debug Step Over 全速执行等多种运行方式进行程序调试 如果发现程序有错 可采用在线汇编 功能对程序进行在线修改 Debug Inline Assambly 不必执行先退出调试 环境 修改源程序 对工程重新进行编译 汇编和连接 然后再次进入调试状态 的步骤 对于一些必须满足一定条件 如按键被按下等 才能被执行的 难以 用单步执行方式进行调试的程序行 可采用断点设置的方法处理 Debug Insert Remove Breakpoint 或 Debug Breakpoints 等 在模拟调试程序后 还须通过编程器将 hex 目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行 状况 Keil 软件 Eval 版 免费产品 的功能与商业版相同 只是程序的最大代 码量不得超过 2kB 但对初学者而言已是足够 Keil 软件由于其强大的软件仿 真功能 友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎 有 人甚至认为 Keil 是目前最好的 51 单片机开发应用软件 3 3装载机控制系统硬件设计装载机控制系统硬件设计 装载机工作装置中动臂 铲斗的运动状态是由动臂油缸和转斗油缸来控制 的 所以铲斗的自动放平的实现必须以油缸的自动控制为基础 装载机的工作 装置是一个两自由度的机构 铲斗的位置和角度由动臂油缸和转斗油缸的给进 量来确定 动臂油缸主要控制动臂的举升位置 转斗油缸主要控制铲斗相对于 动臂的角度 实际操作中只要检测动臂举升的角度和铲斗与动臂的角度 就可 以判断出铲斗的位置和角度 需要注意的是 在装载机的正常工作状态下 这 两个角度并不是相互独立的 装载机的动臂位置角可以独立地控制铲斗的位置 而铲斗与动臂的角度则 需要根据动臂位置角的大小来决定 为了实现铲斗的自动放平 需要在原有的液压系统上 增加电液控制功能 对转斗油缸进行自动控制 由计算机系统采集到的动臂和铲斗的角度信息通过 处理后发送给电液控制系统 电液控制系统对转斗油缸的长度进行控制 从而 来控制铲斗的角度 电液控制系统很好的融合了液压能传递较大功率的优越性 与计算机控制的精确 灵活性 是日后装载机的发展方向 电液比例阀包括比例流量阀 比例压力阀 比例换向阀等 根据工程机械 液压操作的特点 以结构形式划分的电液比例阀主要有两类 一类是滑阀式比 例阀 另一类是螺旋插装式比例阀 滑阀式比例阀是机械液压系统最基本的元件 该类阀一般能实现方向与流 量的调节 是一种复合阀 电液滑阀式多路阀是一种比较理想的电液转换控制 元件 它不仅保留了手动多路阀的基本功能 还增加了电反馈的比例伺服操作 和负载传感等先进的控制手段 应用非常广泛 目前的电液控制中 随着计算机的广泛应用 数字式比例元件及其控制系 统得到快速发展 数字电液比例控制系统采用的数控元件可分为四种类型 模 拟式比例阀 组合式数字阀 步进式数字阀和高速开关阀 高速开关阀早期主 要应用在一些要求快速操作的液压系统 因为其数字化的特征在计算机控制的 液压系统中受到重视 高速开关阀采用脉宽调节 PWM 控制 只要控制脉冲频率 或脉冲的宽度 开关阀就能像其它的流量阀一样 对流量或其他量进行连续的 控制 因为其具有的这个优点 高速开关阀成为一种广泛使用的数字阀 虽然 当前普通的电磁阀也具有同样的开关数字特征 但普通电磁阀的响应时间较慢 而开关元件的响应速度直接影响系统的稳定性 响应速度越抉 稳定性越好 控制精度也越高 所以普通的电磁开关阀作为PWM控制元件并不是特别理想 本课题研究所用的数字电液比例控制系统就是通过高速开关阀作为先导阀 与多路换向阀组成的一种数字电液比例换向阀 这种数字高速开关阀 具有结 构简单 价格低廉 工作可靠 寿命长 易于维修 抗污染能力强 可在恶劣 的环境下工作等特点 特别是高速开关阀具有较高的响应速度 重复误差小 可直接采用计算机数字控制 省去了数字量与模拟量的转换 这样就可以应用 低价的计算机系统和高速开关阀构成高可靠性 适用于工程机械的数字电液比 例控制系统 高速开关阀有很多种控制方式 目前常用的是PWM的方式 本文也 是采用这种方式 3 1 高速开关阀对主阀芯位移控制原理高速开关阀对主阀芯位移控制原理 装载机工作装置的数字电液比例控制系统主要由计算机系统 功率放大器 数字高速开关阀 主换向阀和动臂油缸及铲斗油缸等部分组成 系统采用高速 开关阀做为先导级 控制多路阀主阀芯的位移 油缸获得与主阀芯位移成比例 的输出流量 从而控制工作装置的运动速度及方向 上图所示为高速开关阀原理图 当开关阀通电时 衔铁和顶杆向左移动 推动回油阀钢球关闭回油口 进油阀钢球同时也向左移动 打开进油口 进油 口和控制口接通 油液向相应的控制腔注入 当开关阀断电时 开关阀的阀芯 在进油口油液的压力作用下将进油口关闭 控制口和回油口接通 控制腔的油 液回流向油箱 一个理想的开关阀 在一个调制周期T内 电压波形与阀芯的位移应该完全 相同 但是由于高速开关阀受电磁铁的响应能力及阀芯运动时间的影响 实际 的阀芯响应不能实时地跟随脉宽信号的变化 而是有一定的滞后 并且其响应 特性随脉冲调制周期 或频率 和占空比变化很大 如图3 4所示为调制周期 较大时 阀芯位移与占空比之间的关系曲线 其中的横坐标t为时间 纵坐标Xv 为阀芯位移 图b表示阀芯对脉宽调制信号做出完全响应的情况 实际上阀芯在 吸合和释放过程中并非匀速运动 图中表示成匀速仅为简化结果 通常用开启 时间ton表示从线圈加上电压的时间开始 一直到阀开启至阀芯最大位移处的时 间 toff表示从线圈断电到阀芯完全关闭所需要的时间 由图b可得 式中t1 t2 t3和t4分别为电磁铁电流增长到阀芯可以移动的滞后时间 阀芯开启运动时间 电磁铁电流衰减到阀芯可以移动的时间和阀芯关闭运动时 间 以PWM信号控制下的高速开关阀的阀芯平均位移与占空比之间的静态特性曲 线如图3 5所示 其中横轴表示占空比 纵轴表示阀芯的平均位移 如果实际应用的系统中油液压力较大 油缸的泄漏不可忽略时 需要考虑 油液的可压缩性和油缸的泄漏 本文需要用电控的方法来实现铲斗的自动放平 而实际装载机的液压系统 中 动臂油缸与转斗油缸的控制阀之间有干涉 即一个阀如果不是处于中位 则另一个阀不能工作 也就是说 同一时刻动臂油缸与转斗油缸只有一个可以 工作 这样当处于工况III和工况IV时 转斗油缸被锁住 无法进行操作 如图 3 5 改造可采用两种方式 一种是增加一个供油泵 将原来干涉的油路分开 每个阀都有独立的油泵供油 另一种是增加一个三位四通阀和一个小油泵 并 联在转斗液压缸的油路上 对液压缸的长度进行调节 本文采用后一种方式 下图即为改造后的液压系统 改造可采用两种方式 一种是增加一个供油泵 将原来干涉的油路分开 每个阀都有独立的油泵供油 另一种是增加一个三位四通阀和一个小油泵 并 联在转斗液压缸的油路上 对液压缸的长度进行调节 本文采用后一种方式 下图即为改造后的液压系统 3 2 控制系统硬件的选择控制系统硬件的选择 3 2 13 2 1 单片机的选择单片机的选择 单片机选用美国Atmel公司生产的AT89C52芯片 AT系列单片机是当今世界 上新型的电擦写8位单片机 该产品和Intel的MC 51系列单片机完全兼容 内部含有Flash存储器 有超强的加密功能 完全替代8751 52和87C51 52 低 电压 低电流 低功耗 有DIP PLCC QRP封装形式 有民用级 工业级 汽车 级 军品级等多种产品规格 它的特性表现在如下几个方面 1 内部含Flash存储器 由于内部含Flash存储器 编程错误亦无废品产生 因此在应用系统的开发 过程中可以十分容易地进行程序的修改 大大缩短了应用程序的开发周期 2 与80C51引脚兼容 AT89系列单片机的引脚与80C51是一样的 所以当用AT89系列单片机取代 80C51时 可以直接代换 3 可反复进行系统试验 每次试验可以编入不同的程序 从而使设计不断优化 而且随应用系统的 变化 还可以方便地进行程序升级 4 价格低廉性能稳定相对于英特尔公司的MCS 51系列产品有更高的性价 比 结合本课题的实际情况 芯片须有一定的内部ROM区以保存单片机程序 芯 片中程序的读写必须方便 当调试中发现程序存在问题时便于改正和重写 鉴 于Atmel单片机具有集成度高 系统结构简单 工艺特性好 可靠性和处理功能 强 速度快等优点 可以满足本课题的需要 故本电路以AT89C52芯片为核心构 成控制单元 3 2 23 2 2 单片机与高速阀接口电路的设计单片机与高速阀接口电路的设计 单片机对高速阀的控制任务就是将供给流量按程序要求转化为占空比信号 输出到高速阀电路中 高速阀电路根据这些脉冲信号产生一系列的开关驱动信 号 此信号通过功率放大 使开关阀磁铁按特定频率励磁 实现了控制主阀流 量的要求 如图4 1 如果高速阀的驱动电流比较大 需要在控制芯片与高速阀 的连接处有信号放大电路 3 2 33 2 3 单片机系统中的按键接口单片机系统中的按键接口 键盘是单片机应用系统最常用的输入设备 操作人员可以通过键盘向单片 机系统输入指令 地址和数据 实现简单的人机通信 在图4 2中 当按键未被按下时 P1 1输入为高电平 S闭合后 电路不会 马上稳定地接通 断开时也不会马上断开 而是有一连串的抖动 这种抖动对 人来说是感觉不到的 但对单片机能够感应到 按键抖动会引起一次按键被误 读多次 为了确保单片机对键的一次闭合仅作一次处理 必须进行消抖处理 在键闭合稳定时取键状态 当键释放稳定后再进行处理 按键的抖动 可用硬 件或软件两种方法消除 由于本设计使用的按键较少 所以采用硬件消抖 如 图所示 本文采用基本RS触发器来实现按键的消抖 基本RS触发器实际上是由两个 与非门按一定方式连接所构成 设单刀双掷开关原来与A点接通 这时触发器的 状态为1 当开关由A拨向B时 其中有一短暂的浮空时间 这是触发器保持原来 的状态不变 触点与B接触时 B点的电位由于振动而产生 毛刺 但是首先是 A点已经为高电平 B点一旦出现低电平 触发器的状态即翻转为0 即使B点再 出现高电平 也不会改变触发器的状态 所以Q端的电压波形不会出现 毛刺 现象 实际可采用74LS00芯片作为两个按键的消抖芯片 74LS00芯片集成了四个 与非门 通过一定的连接恰好可以满足两个按键的消抖需要 3 2 43 2 4 串行通信接口串行通信接口 几个数据处理设备 计算机主机与外部设备 之间的信息交换称为数据通 信 计算机与外部设备 计算机之间的数据通信经常发生 数据通信由两种不 同的方式 即并行方式和串行方式 本课题采用串行方式 串行方式是指数据的各位在一条传输线上分时传送 只需一根数据线 外 加若干条控制线和一根地线 因为数据是在一条数据线上一位一位分时传送 所以一个字节数据 至少得分8次才能传送完毕 串行通信必须实现的基本功能是 数据发送时 把并行数据变成串行数据 发送到线路上去 在接收时 把串行数据变成并行数据 送入计算机或其他的 智能设备处理 串行通信比并行通信传输速度低 但技术的发展 使串行通信 也能达到很高的速度 完全能满足一般数据通信对传输速度的要求 串行通信 能大大节省传输线路 而且能进行远距离传输 串行通信可以分为同步通信和异步通信两类 同步通信通过共享一个单个 时钟或定时脉冲源保证发送方和接收方的准确同步 效率较高 异步通信方式 不要求双方同步 收发方可采用各自的时钟源 双方遵循异步的通信协议 以 字符为数据传输单位 发送方传送字符的时间间隔不确定 发送效率比同步传 送效率低 1 同步通信 同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式 一次通信只传送一帧信息 这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同 它们均由同步字符 数据字符和校 验字符组成 其中同步字符位于帧开头 用于确认数据字符的开始 数据字符 在同步字符之后 个数没有限制 由所需传输的数据块长度来决定 校验字符 有1到2个 用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验 同步通信的缺 点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步 实际中比较难以做到 2 异步通信 异步通信中 在异步通行中有两个比较重要的指标 字符帧格式和波特率 数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送 字符帧由发送端逐帧发送 通过传输线被接收设备逐帧接收 发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数 据的发送和接收 这两个时钟源彼此独立 互不干扰 通信中如果接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑 0 即字符帧起 始位 时 确定发送端已开始发送数据 每当接收端收到字符帧中的停止位时 就知道一帧字符已经发送完毕 异步操作的最大优点是互相通信的两个或多个 装置之间各自有自己的时钟 数据帧之间可能不同步 但每个数据帧中的每个 位必须严格同步 并且通信各方必须遵守有严格的帧格式协议 89C52单片机串行接口是一个可编程的全双工串行通信接口 它可用作异步 通信方式 与串行传送信息的外部设备相连接 89C52单片机通过管脚 RXD P3 0 串行数据接收端 和管脚TXD P3 1 串行数据发送端 与外界通 信 SBUF是串行口缓存寄存器 包括发送寄存器和接收寄存器 它们有相同名 字和地址空间 但不会出现冲突 因为它们两个一个只能被CPU读出数据 一个 只能被CPU写入数据 与PC机串口通信中 RS 232所规定的逻辑电平是与单片机的逻辑电平不一 致 因此当单片机和PC机进行通信时 必须将微处理器的信号电平 TTL电平 转换为RS 232电平 或者对两者进行逆转换 这两种转换通常是由专用电平转 换芯片来实现的 最常用的芯片有MAX232 MAX232芯片是Maxim公司生产的包含两路接收器和驱动器的IC芯片 适用于 各种EIA 232C和V 28 V 24的通信接口 MAX232芯片内部有一个电源电压变压器 可以把输入的 5V电源电压变换成为RS 232 C输出电平所需要的 10V电压 MAX232使用典型工作电路如图所示 其中5个电容均为1 F 在实际应用中 器件对电源噪声很敏感 因此 电源必须要对地接去耦电容 另外的4个同样数 值的电解电容 用以提高抗干扰能力 与此同时 9脚 12脚可直接连接在 TTL CMOS电平的单片机的串行发送端TXD 10脚 11脚可直接连接在TTL CMOS电 平的单片机的串行接收端RXD 同样的 8脚 13脚可直接连接在PC机的RS 232 串口的发送端 7脚 14脚可直接连接在PC机的RS 232串口的接收端 3 2 53 2 5 传感器的选用传感器的选用 传感器包括测量动臂与机架 动臂与铲斗之间的角度传感器和测量机身倾 斜度的倾斜传感器以及控制手柄所用的环形电势差计 角度传感器选用某型号的直流差动电感式角位移传感器 该传感器采用非 接触式技术 不存在磨损问题 内部的数字电路具有很强的环境干扰功能 特 别适合于工业应用 该传感器量程为0 360度 输入电压为4 75 5 25V 在输入电压为5V时输出 电压为0 5 4 5V 最大输入电流21mA 输出阻抗小于10欧姆 频率响应200Hz 线性度误差 0 5 可重复性0 1 工作温度 45 100度 耐久性一亿次 完 全能够满足本课题的设计要求 测量机身倾斜度的传感器是整个系统正常工作的关键元件 因此选用 ADIS16209倾斜计 它是ADI公司最近发布的一款高集成度 双轴倾斜计 ADIS16209可编程 双轴倾斜计传感器适用于多种需要测量倾斜变化的工业应用 设备 ADIS16209体积非常小 功能相同的倾斜计解决方案的外形尺寸通常是 ADIS16209的100倍 ADIS16209作为最精密的微电子机械系统 MEMS 倾斜计 提供小于0 1度 线性倾斜误差的全补偿直接角度输出 从而使其精度提高到至少是同类倾斜传 感器的两倍 ADIS16209双轴可编程倾斜计 基于ADI公司的iMEMS集成微电子机 械系统内核 当它处于水平安装时 能够在 30度测量范围内以小于0 1度的误 差测量双轴倾斜 由于其独特的双轴工作模式 这种新式传感器在全部360度范 围内也支持垂直安装的单轴检测 可调整的数字传感器器数据是通过工业标准 的串行外设接口 SPI 输出 这个接口可接入倾斜度 0 025度分辨率 加速 度 0 244 mg分辨率 温度和电源电压 ADIS16209还具有一个12bit辅助ADC 输入和DAC输出 数字自检功能和可配置的状态监测 包括报警器 传感器采用 3 V 3 6 V单电源供电 并且能够耐受3500g冲击 是一种理想的测量机身倾斜 度的传感器 用作角位移测量的环形电势差计的设计如图所示 它由电阻环和与中央转 轴相连的滑动接触片组成 环形电阻的一端接直流电源 另一端接地电势 滑 动接触点与电源输入端的电阻值正比于轴的转角 环形电势差式的角位移传感 器在涉及转动测量和控制的机械系统中引用极广 环形电势差计角位移传感器 结构紧凑 轻便可靠 大量用在汽车方向控制这种关键的地方 3 2 63 2 6 A DA D 转换芯片转换芯片 A D转换芯片采用ADC0809 ADC0809被广泛应用在各种领域中 该芯片是用 CMOS工艺制成的双列直插式28引脚的8位A D转换器 片内有8路模拟开关及地址 锁存与译码电路 8位A D转换和三态输出锁存缓冲器 其数据输出线可以直接 与单片机的数据总线相连 ADC0809的工作过程是 首先输入3位地址 并使ALE置1 将地址存入地址 锁存器中 此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器 START上升沿将逐次 逼近寄存器复位 下降沿启动A D转换 之后EOC输出信号变低 指示转换正在 进行 直到A D转换完成 EOC变为高电平 指示A D转换结束 结果数据已存 入锁存器 这个信号可用作中断申请 当OE输入高电平时 输出三态门打开 转换结果的数字量输出到数据总线上 3 2 73 2 7 装载车灯的控制 略 装载车灯的控制 略 3 2 83 2 8 电源的设计电源的设计 在大多数的单片机系统中默认电源电压都是为5V 所有EDA软件都是以默认 值5V为标准的 实际操作中 可用装载机上所带的蓄电池与LM7805构建 如下 图 所示 其中LM7805为3端正稳压电路TO 220封装 使用外接元件 可提供多种固定 的输出电压和电流 应用范围较广 内含过流 过热和过载保护电路 带散热 片时 输出电流可达1A 完全能够满足电路系统的供电要求 3 3 单片机应用系统的整体设计单片机应用系统的整体设计 在确定了以上各种元器件的型号后 下一步就是控制系统的整体设计了 这里使用Proteus软件进行整体的设计 Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件 Proteus软件有十多年的历史 在全球广泛使 用 除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图 PCB自动或人工布线及电路仿 真的功能外 其革命性的功能是 他的电路仿真是互动的 针对微处理器的应 用 还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程 并实现软件源码级的实时调 试 如有显示及输出 还能看到运行后输入输出的效果 配合系统配置的虚拟 仪器如示波器 逻辑分析仪等 可仿真各种电路和IC 并支持单片机 元件库 齐全 使用方便 是不可多得的专业的单片机软件仿真系统 该软件的特点有 1 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准 可以非常容易的修改 电路 更换元器件 在同类产品中具有明显的优势 2 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的 仿真 RS232动态仿真 IC调试器 SPI调试器 键盘和LCD系统仿真的功能 有 各种虚拟仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器等 3 目前支持的单片机类型有 6800系列 8051系列 AVR系列 PIC12系列 PIC16系列 PIC18系列 Z80系列 HC11系列 支持大量的存储器和外围芯片 该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件 功能极其强大 恰 好可以弥补没有实验器材的缺陷 下图即是在Proteus上所设计的整个控制系统的电路图 4 4装载机控制系统的软件设计装载机控制系统的软件设计 如果说控制系统硬件电路是人的大脑 那么软件就是人脑的思想 没有软 件的支持 硬件就毫无用处 软件的设计是极为重要的步骤 通常由于系统的 复杂性 软件设计不能 眉毛胡子一把抓 必须要分块独立设计 各个块之间 都要提供一个公共的接口 用于和外界的通信 不同的块可以由不同的团队去 完成 这样可以大大的降低软件设计的难度 提高资源的利用率 本课题就是 遵照这种方式 对软件系统各个部分进行分块 逐个进行设计 4 1 软件开发的一般步骤软件开发的一般步骤 软件生存周期中的软件开发过程由概要设计 详细设计 实现 即编码与单 元测试 组装测试 验收测试5个阶段组成 其中 概要设计和详细设计统称 为设计 编码即编程 单元测试 组装测试和验收测试统称为测试 软件开发过程 就是软件开发人员按照需求规格说明的要求 由抽象到具体 直到生成程序 并进行全面地测试 最后产生软件产品的过程 1 概要设计 概要设计又称总体设计 其任务是对需求规格说明中提供的软件系统逻辑 模型进行进一步的分解 从而建立软件系统的总体结构和各子系统之间 各模 块之间的关系 定义各子系统接口界面和各功能模块的接口 设计全局数据库 或数据结构 规定设计约束 制定组装测试计划 进而给出每个功能模块的功 能描述 全局数据定义和外部文件定义等 要完成概要设计 必须选择某种方 法和工具 比如 可以来用面向数据流的设计方法 将需求分析得到的软件系 统数据流图进一步分解 然后以结构图为工具 将数据流图映射为软件系统层 次结构图 也可以采用面向对象的设计方法和工具等 需要指出 设计的软件 系统应具有良好的总体结构 尽量降低模块接口的复杂度 并力争做到各功能 模块之间的联系较松散 低耦合度 而功能模块内部具有较高的内聚度 2 详细设计 详细设计阶段的任务是将概要设计产生的功能模块进一步细化 形成可编 程的程序模块 然后设计程序模块的内部细节 包括算法 数据结构以及各程 序模块间的接口信息 并设计模块的单元测试计划 详细设计可以采用结构化 的设计方法 采用结构化的程序流程图 N S图 过程设计语言等工具进行描 述 也可以以采用面向对象的设计方法等 3 实现 实现即是编码和单元测试 编码的主要任务是根据详细设计规格说明用某 种选定的程序设计语言把详细设计的结果转化为机器可运行的源程序模块 这 是一个编程和调试程序的过程 一般来说 对软件系统所采用的分析方法 设 计方法 编程方法以及所选用的程序设计语言应尽可能保持一致 编码阶段应 注意遵循编程标准 养成良好的编程习惯 以便编写出正确的便于理解 调试 和维护的程序模块 每编写出一个程序模块的源程序 调试通过后 即对该模 块进行测试 这称为单元测试 单元测试的任务是按照详细设计阶段的单元测 试计划给出的测试用例和预期的结果认真测试每一个程序模块 找出错误并改 正 4 组装测试 组装测试是根据概要设计提供的软件结构 各功能模块的说明和组装测试 计划 把经过单元测试检验的模块按照某种选定的策略逐步进行组装和测试 组装测试的主要任务是测试系统各模块间的连接是否正确 系统或子系统的正 确处理能力 容错能力 输入 输出处理能力是否达到要求 5 验收测试 验收测试又称确认测试 其任务是按照验收测试计划和准则对软件系统进 行测试 看其是否达到了需求规格说明中定义的全部功能和性能等方面的需求 确认测试结束时 应生成验收测试报告 项目开发总结报告 并向用户提交源 程序清单 最终用户手册 操作手册等文档资料 4 2 软件设计总体思路软件设计总体思路 本课题选用的编程软件是keil Keil C51是美国Keil Software公司出品的 51系列兼容单片机C语言软件开发系统 Keil软件是目前最流行开发MCS 51系列 单片机的软件 与汇编相比 C语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有 明显的优势 易学易用 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开 发调试工具 全Windows界面 更重要的一点是 编译后生成的目标代码效率非 常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理解 在开发大型软件时更能 体现高级语言的优势 随着版本的不断更新升级 keil软件完全克服了以前用C语言编程代码过于 臃肿 程序执行效率低的缺点 与用汇编所设计的程序相比 目前优化过的C语 言代码长度仅为前者的1 2倍左右 而当今硬件的发展速度又极快 系统的容量 和运行速度都大幅提高 用C语言给单片机系统编程有逐渐取代汇编之势 是今 后的发展方向 根据系统需要 本软件设计的总体思路是 当系统上电后 看门狗芯片产 生200ms复位脉冲使系统复位 系统刚上电后各端口默认为高电平 紧接着系统 进入初始化程序 初始化中系统默认为自动控制打开 然后进入自动控制子程 序 执行完成一次后进行判断 达到退出的条件时便返回主程序 系统主要包 括几大模块 系统初始化 数据收集处理 工作装置状态识别处理 工作模式 选择 按键中断 串口中断 看门狗使能 错误处理以及发送数据等部分 其 中最重要的三部分是初始化 自动控制子程序和手动控制子程序 系统工作的 总流程图如图5 1所示 在正常情况下 某一时刻系统到底是自动控制还是手动控制 主要取决于 以下四个方面 1 自动放平键是否闭合 2 转斗油缸手动开关是否闭合或转斗操作杆电位计是否不在中位 3 工装装置是否处于自动控制区 4 系统故障灯是否点亮 4 3 软件各模块的设计软件各模块的设计 由上文所述 系统主要分为系统初始化 自动控制子程序和手动控制子程 序这三大模块 现在开始分别设计系统的各个模块 4 3 14 3 1 系统的初始化系统的初始化 系统的初始化比较简单 主要包括自动控制灯的初始化 报警灯的清零 模数转换芯片的初始化 数据的更新 定时器的赋值及中断的打开等 比较重 要的有定时器中断和串口的设置 当单片机的CPU正在处理某件事情的时候 单片机外部或内部发生的某一事 件请求CPU迅速去处理 于是CPU暂时中止当前的工作 转到中断服务处理程序 处理所发生的事件 中断服务处理程序处理完该事件后 再回到原来被终止的 地方继续原来的工作 这就是中断 CPU处理事件的过程 称为CPU的中断响应 过程 中断是单片机的一个很重要的功能 如果没有中断技术 CPU的大量时间可 能会浪费在原地踏步的查询操作上 采用中断技术完全消除了CPU在查询方式中 的等待现象 大大地提高了CPU的工作效率 由于中断工作方式的优点极为明显 因此在单片机的硬件结构中都带有中断系统 MCS 51单片机的每一个中断源可以用软件独立地控制为允许中断或关中断 状态 每一个中断源的中断级别均可用软件来设置 根据系统情况 需要打开单片