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：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：液压传动，PLC控制，单片机，速度检测，流量DesignofhydrauliccylinderspeeddetectionAbstract:Inthispaper,byimitatingthemovementofmachinetoolfeedsystem,forward,feedingandreturning,wedesignasimilarhydraulictransmissioncircuitandusePLCtocontrolit.ThenweusetheSCM(Single-chipmicrocomputer)detectionspeedofhydrauliccylinder.UsingSTC89C52RCMCU(MicroControlUnit)developmentboard,afterdataacquisitionandprocessing,SCNcalculatestheaveragespeedofhydrauliccylinder.Theresultsdisplayedonthedigitaltube.Itcompletestheintelligentdetectionofhydrauliccylinderspeed.DuetotheexistenceofPLCdefectslargerI/Oresponselag,positioningisthebigrandomerror.Whencontrolthehighspeedhydrauliccylinder,accuracyisnothigh.InordertorealizethedetectionofthespeedofthehydrauliccylinderbySCM,IuseClanguagetowriteaprogram.Moreover,wemeasuretheflowofhydrauliccylinderusingtheflowsensor.Inordertoverifytherelevantconclusion，wecomparethetheoreticalspeedwiththespeedofthesinglechipmicrocomputerdetection.Keywords:hydraulictransmission,PLCcontrol,singlechipmicrocomputer,speeddetection,flow目录1前言.11.1液压系统在工业中的应用.11.2智能检测概述.11.3现代测试技术发展趋势及其与传感器的联系.31.4课题的意义.42.1液压系统.52.1.1液压系统的简介.52.1.2液压系统组成.62.2现代智能检测的原理.112.2.1信号采集和输出.112.3辅助采集.143实验台硬件搭接及速度智能检测.183.1总体概述.183.1.1交流转直流的方法.183.1.2液压泵驱动模块的用法.183.2液压速度换接回路的搭建.203.3速度检测.223.3.1速度检测装置及STC89C52单片机.223.3.2液压缸的速度直接检测.254设计结论和成果.294.1由超声波传感器直接测速与理论上计算速度存在的误差.294.2开发板所显速度不稳定的原因.294.3设计成果.30结论.31致谢.33附录.3401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1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2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(1)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(Digitalsignalprocessor)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）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）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3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：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。42机电液综合实验台及距离检测2.1液压系统2.1.1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：（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。52.1.2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6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7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8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9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10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420mA、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。11图2.8现代检测系统一般组成框图2.2.1信号采集和输出信号采集（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50Hz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420mA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；12（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DC5V,DC12V,DC24V电压。13(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S7-200CPU224CN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DC24V。2.3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，14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15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(110.2)Lm,但这种振动加速度很大,约(10103)gn,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。16（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173实验台硬件搭接及速度智能检测3.1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3.1.2液压泵驱动模块的用法（1）液压缸硬件接线方法18图3.2液压泵驱动模块接线图（2）PLC硬件接线方法图3.3PLC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。193.2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20SB2KM1得电KM2失电YA1得电电磁阀左位工作液压杆伸出去SB1KM1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SB3KM2得电KM1失电YA2得电电磁阀右位工作液压杆缩回来图3.6PLC硬件接线图表3-1PLC控制IO分配表输入对应开关功能描述输出对应开关I0.0SB5柱塞伸出Q0.1YA1I0.1SB6柱塞退回Q0.2YA2I0.2SB7总开关Q0.3KM1I0.3SQ1伸出Q0.4KM2I0.4SQ2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21附录一）。3.3速度检测3.3.1速度检测装置及STC89C52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22ATS89C52单片机：图3.8STC89C52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ExternalAccess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，23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AddressLatchEnable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ProgramStoreEnable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），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。STC89C52RC可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。（9）PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。（10）PORT2（P2.0P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在STC89C52RC扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。（11）PORT1（P1.0P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的24外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。（12）PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。（13）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。（15）ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。（16）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。（17）/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。253.3.2液压缸的速度直接检测在速度换接回路PLC控制的基础上加上两个传感器SQ1,SQ2。如图3.9所示，液压缸柱塞伸出时超声波传感器开始发射信号，单片机同时开始计时，在柱塞运动过程中超声波传感器每隔5ms测量一次运动距离，单片机即可通过编写的程序计算出液压缸的平均速度。然后将所得到的速度值输给数码管，实现速度的显示。图3.9加接近开关原理图26图3.10单片机速度显示图图3.11PLC控制测速接线实物图测算流量传感器的误差首先，为了尽可能的减小流量传感器带来的误差，采用两个流量传感器直接串联在一起，状态如图所示，通过两个智能流量积算仪模块进行长时间的数据采集，27该模块的数据显示如图3.12所示，记录下相对应的显示量如表3-2，最后取平均值。表3-2流量传感器误差统计流量积算仪1流量积算仪2比例流量计算仪1流量积算仪2比例0.420.451.07141.581.661.05060.530.561.05661.641.721.04880.720.761.05561.851.941.04860.750.791.05331.901.991.04740.850.891.04711.952.051.05130.940.991.05322.052.151.04881.121.181.05362.132.241.05161.181.241.05082.182.291.0505根据表3-2统计所得，流量传感器1与流量传感器2存在比较稳定的误差，所以，为了下一步对流量进行长时间的累积，我们需要对流量传感器进行修正，使二者在相同流量的条件下，所测的结果一致，取表3-2所统计比例结果的均值1.0509。图3.12流量在流量积算仪上的显示284设计结论和成果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通过实验台上模块及线路搭接的完成，采用传感器技术实现柱塞距离的检测，从而通过C语言编程得到速度，并将速度显示在单片机开发板的数码管上。采用超声波传感器模块可以实现距离的随时检测，从而实现速度的实时显示。由于考虑到误差的影响，所以程序中设定每5ms测定一次。由V=Q/A，根据智能流量积算仪模块PV值显示的瞬时流量值，从理论上计算出液压缸的速度，基于巨林实验台资料，液压缸的缸径为40mm，采用流量传感器所测流量基本稳定在1.30-1.40之间,得到速度与所测速度存在一定的误差。单片机开发板上所显示速度某段时间基本稳定，而后会有一个大的波动，测量不准确。4.2开发板所显速度不稳定的原因（1）超声波传感器受温度影响粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响。在此环境条件下应选用密闭性很高的传感器。不同的传感器其密封的方式是不同的，其密闭性存在着很大差异。电磁场对传感器输出紊乱信号的影响。在此情况下，应对传感器的屏蔽性进行严格检查，看其是否具有良好的抗电磁能力。易燃、易爆不仅对传感器造成彻底性的损害，而且还给其它设备和人身安全造成很大的威胁。因此，在易燃、易爆环境下工作的传感器对防爆性能提出了更高的要求：在易燃、易爆环境下必须选用防爆传感器，这种传感器的密封外罩不仅要考虑其密闭性，还要考虑到防爆强度，以及电缆线引出头的防水、防潮、防爆性等.（2）液压系统实验台上各元件的不稳定及误差影响实验中所用的实验台为昆山巨林机电液综合试验台，此实验台是集可编程控制器、变频器、步进电机驱动器、电器控制模板、液压元件模块、气动元件模块为一体，除可进行常规的电器组合控制实验外，还可进行数控编程、直流、交流电机控29制、变频器的应用、液压、气动等基础实验以及机电液课程设计。实验中由于实验板上各个阀体的误差，及液压缸的震动，导致所测信号的不稳定，使得所测结果不准确。（3）柱塞附近所安装的接近开关的影响接近开关对柱塞的自动返回控制造成超声波所采集信号的不稳定。4.3设计成果（1）搭建了基本液压回路系统，实现了加入接近开关的自动控制。（2）使用西门子S7-200CPU224CN可编程控制器，通过写入程序，实现PLC对液压回路系统的控制。（3）通过超声波传感器模块实现了对柱塞运动距离的检测。（4）通过C语言，对以单片机STC89C52为控制核心的开发板进行程序的编写，并实现了对液压缸速度的检测，是速度显示在数码管上。（5）回路中加入流量