李 輝，魏國亮

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

淤泥沉積和生活垃圾堆積是造成下水道系統(tǒng)堵塞的主要原因，清除疏通下水道系統(tǒng)可較好地解除大雨天路面積水的現(xiàn)象。疏通下水道系統(tǒng)的主要手段有:人工清理、真空泵清淤車、淤泥抓斗車等方式，由于勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低，真空泵清淤車不能有效地清除生活垃圾，且抽吸泥漿的效率也較低，相比之下淤泥抓斗車的工作效率較前兩者有較大提高，目前應(yīng)用較多。當(dāng)下淤泥抓斗車所采用的是手動(dòng)換向閥控制設(shè)計(jì)理念，工作過程中需要多人協(xié)調(diào)配合才能完成。該設(shè)計(jì)自動(dòng)化理念較少，未能將人從繁雜的勞動(dòng)中解放出來。針對(duì)上述情況，本文提出了一種以STM32F103 控制器為核心，采用遙控裝置和人機(jī)界面進(jìn)行控制的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過遙控裝置控制抓斗車的臂架和抓斗，操作人員可站在合適的位置操作抓斗車工作，控制系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)置有記憶功能，操作人員只需完成一次操作動(dòng)作后便可通過記憶設(shè)置來自動(dòng)進(jìn)行，全程操作只需1 人即可，監(jiān)控和報(bào)警則由人機(jī)界面完成。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高且快速高效，可較好的幫助市政部門解決下水道清淤問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該控制系統(tǒng)選用低功耗的32 位微處理器STM32F103RBT6 作為主控芯片，通過直線位置傳感器和壓力傳感器分別完成對(duì)抓斗的位置記憶和液壓控制回路壓力的檢測(cè)［1］。系統(tǒng)的控制輸入信號(hào)由人機(jī)界面和遙控給出，其中人機(jī)界面還兼具液壓壓力和抓斗位置顯示功能，在兩值超限時(shí)給出報(bào)警信號(hào)，對(duì)于誤操作也會(huì)給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，其與控制器之間通過RS485 總線進(jìn)行通訊。系統(tǒng)輸出驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥來執(zhí)行預(yù)定動(dòng)作。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器模塊

控制器模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其主要任務(wù)是利用傳感器采集的數(shù)據(jù)和控制輸入信號(hào)做出相應(yīng)的處置，并發(fā)送輸出信號(hào)到對(duì)應(yīng)的執(zhí)行單元與顯示裝置。本系統(tǒng)采用由意法半導(dǎo)體公司推出的基于ARM Cortex－M3 內(nèi)核的STM32F103RBT6 增強(qiáng)型32 位處理器。其工作頻率最高可達(dá)72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，其中閃存為128 kB SRAM 為20 kB，豐富的增強(qiáng)型I/O 端口和聯(lián)接到2 條APB 總線的外設(shè)。包含2 個(gè)12 位的A/D、3 個(gè)通用16 位定時(shí)器和1 個(gè)PWM 定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口:多達(dá)2 個(gè)I2C 接口和SPI 接口、3 個(gè)USART 接口、一個(gè)USB 接口和一個(gè)CAN 接口［2－3］。STM32 較市場(chǎng)上同種類的單片機(jī)具有價(jià)格低、功能強(qiáng)、使用簡單及開發(fā)方便等優(yōu)勢(shì)。

2.2 壓力與位置信息測(cè)量

液壓是淤泥抓斗車工作的動(dòng)力來源，液壓系統(tǒng)的壓力情況決定著抓斗車能否正常工作，為確保抓斗車是在正常的壓力范圍內(nèi)工作，須對(duì)液壓系統(tǒng)的工作壓力進(jìn)行測(cè)量與預(yù)警。壓力傳感器選用OMEGA 的PX309，其具有全堅(jiān)固耐用的固態(tài)設(shè)計(jì)以及高穩(wěn)定性、低漂移的特點(diǎn)，測(cè)量范圍為0 ～10 000 PSI，精度為0.25%，輸出信號(hào)有0 ～5 V 和4 ～20 mA 兩種可選，符合抓斗車的工況需求。其輸出通過STM32 的ADC 端口與系統(tǒng)相連，系統(tǒng)內(nèi)部服務(wù)程序?qū)DC 端口的采樣值變換為液壓系統(tǒng)壓力值，然后傳送給人機(jī)。

抓斗的位置信息是抓斗車能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的重要參數(shù)之一，本設(shè)計(jì)針對(duì)抓斗的特點(diǎn)選用圖爾克公司的桿狀系列磁感應(yīng)直線位移傳感器，所選傳感器型號(hào)為LTX2000M－R10－Li0－X3－H1151，其適合于安裝在液壓缸中，最高耐壓可達(dá)680 bar(1 bar=100 kPa)，測(cè)量范圍為0 ～2 000 mm 且測(cè)量范圍可調(diào)，分辨率為16位，輸出為4 ～20 mA，符合抓斗車的工作需求。其輸出通過STM32 的ADC 端口與系統(tǒng)相連，系統(tǒng)內(nèi)部服務(wù)程序?qū)DC 端口采用值變換為位置值，然后再傳送給人機(jī)。

2.3 遙控模塊

遙控控制使得操作變得靈活、簡單，操作人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)便可上崗作業(yè)，其不僅克服了以往抓斗車需要多人協(xié)調(diào)控制的缺點(diǎn)，且減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。遙控單元采用STC89C51 控制器作為主控單元，其具有體積小、功能全、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn);無線模塊選用nRF2401，其具有功耗低、頻段寬、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。兩者搭配技術(shù)上實(shí)現(xiàn)簡單，且經(jīng)濟(jì)可靠［4－6］。51 單片機(jī)與nRF2401 的端口連接原理圖，如圖2 所示。

圖2 51 單片機(jī)與nRF2401 端口連接圖

2.4 數(shù)據(jù)通信模塊

遙控控制和人機(jī)可視化操作與監(jiān)控是本設(shè)計(jì)的兩大特色，遙控和人機(jī)兩者優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮須建立在暢通和快速的數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)之上，為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性本系統(tǒng)針對(duì)兩者的特點(diǎn)選用方案如下:針對(duì)無線通訊，本設(shè)計(jì)采用了一套獨(dú)立的數(shù)據(jù)收發(fā)單元，該單元基于51 單片機(jī)建立，無線模塊選用nRF2401，無線模塊收到的數(shù)據(jù)預(yù)先經(jīng)過51 單片機(jī)處理，然后通過串口發(fā)往主控制器，由此可減輕主控制器的負(fù)擔(dān)提高通信效率［7］。人機(jī)與主控制器的數(shù)據(jù)通信通過RS485 總線進(jìn)行，主控制器側(cè)的總線收發(fā)器選用TI 的ISO3080 芯片，該總線收發(fā)器采用電容隔離式設(shè)計(jì)方案，具有體積小、雙向?qū)崟r(shí)通信能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 人機(jī)界面

上位機(jī)選用臺(tái)達(dá)人機(jī)DOP－B10S411，該人機(jī)帶有3 個(gè)串行通訊口、1 個(gè)USB Host1.1 和1 個(gè)USB Client2.0，其中COM2 支持RS232 和RS485 兩種通訊方式，USB Host 口支持鼠標(biāo)操作和從U 盤讀取文件。臺(tái)達(dá)人機(jī)通訊采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus 通訊協(xié)議，可方便地與單片機(jī)和其他編程設(shè)備進(jìn)行通訊連接［8－9］。與人機(jī)配套的畫面編輯軟件含有豐富的元件庫，這使得畫面編輯變得簡單，也便于換面的升級(jí)維護(hù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求可使用遙控和人機(jī)來控制抓斗的相應(yīng)動(dòng)作，并能進(jìn)行自動(dòng)切換。在人機(jī)中需要顯示液壓系統(tǒng)的壓力值和抓斗的位置，對(duì)壓力和位置超限及時(shí)給出相應(yīng)報(bào)警信息，誤操作對(duì)應(yīng)有警告和報(bào)警兩種級(jí)別的信息。

3.1 主程序

在主程序中首選進(jìn)行系統(tǒng)初始化配置，然后選擇控制信號(hào)來源，接著進(jìn)行中斷設(shè)置，開串口和定時(shí)器中斷，主程序流程如圖3 所示。

圖3 主程序流程圖

3.2 中斷程序

系統(tǒng)中應(yīng)用了定時(shí)和串口兩種中斷，在定時(shí)中斷子程序中系統(tǒng)向人機(jī)發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)值，如油壓壓力值、抓斗位置值、誤操作狀態(tài)標(biāo)志等，同時(shí)發(fā)送讀取人機(jī)中寄存器值的命令，以此判斷當(dāng)前操作。定時(shí)中斷子程序流程圖，如圖4 所示。

圖4 定時(shí)中斷流程圖

人機(jī)在收到來自控制器的信號(hào)后會(huì)立即回送相應(yīng)的信號(hào)給控制器，控制器收到信號(hào)后進(jìn)入串口中斷，在中斷服務(wù)子程序中完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理并調(diào)用動(dòng)作處理函數(shù)執(zhí)行控制信號(hào)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。人機(jī)信號(hào)中斷服務(wù)子程序，如圖5 所示。

圖5 人機(jī)信號(hào)中斷程序流程圖

控制器通過無線收發(fā)模塊收到遙控器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)入串口中斷，在該中斷程序中系統(tǒng)會(huì)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后發(fā)送一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀給遙控器，作為對(duì)此次遙控器發(fā)送信號(hào)的響應(yīng)，具體過程如圖6所示。

圖6 遙控?cái)?shù)據(jù)接收中斷子程序

3.3 動(dòng)作子程序

由于不確定初次操作時(shí)下水道井口所處車身位置，第一次操作需工作人員以手動(dòng)的方式完成，在手動(dòng)過程中系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)學(xué)習(xí)動(dòng)作過程并建立相關(guān)標(biāo)志位，待手動(dòng)完成第一次工作后便可選擇進(jìn)入自動(dòng)模式進(jìn)行自動(dòng)操作，此時(shí)工作人員只需關(guān)注人機(jī)上系統(tǒng)狀態(tài)值即可。動(dòng)作子程序流程圖，如圖7 所示。

4 應(yīng)用效果

圖7 動(dòng)作子程序

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，該控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用到淤泥抓斗車的抓斗控制當(dāng)中?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試報(bào)告和用戶使用數(shù)據(jù)均表明，該控制系統(tǒng)能較好地完成抓斗車的控制工作，具體可從以下幾方面進(jìn)行驗(yàn)證:

(1)淤泥抓斗車的控制變得靈活。傳統(tǒng)的淤泥抓斗車在抓斗控制系統(tǒng)上均采用手動(dòng)液壓閥控制體系，系統(tǒng)可靠性雖較好，但操作上欠缺靈活性，在機(jī)械化走向信息化的時(shí)代背景下顯得過時(shí)。本控制系統(tǒng)應(yīng)用電磁換向閥替換原有的手動(dòng)換向閥，應(yīng)用具有遙控控制功能的電控系統(tǒng)控制電磁換向閥完成抓斗控制工作。在此過程中需要進(jìn)行的機(jī)械改造較少，且改造較為容易，并較好的延續(xù)了之前系統(tǒng)的可靠性優(yōu)勢(shì)，使得本系統(tǒng)兼具電控的靈活性與原有系統(tǒng)的可靠性。

(2)工作效率大幅提高?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)淤泥抓斗車的抓斗在自動(dòng)模式下完成一次淤泥抓取工作需要的時(shí)間在25 ～35 s 之間，而從市政部門提供的數(shù)據(jù)來看，抓斗車操作工手動(dòng)操作完成一次抓取工作所需的時(shí)間在1.5 ～2.5 min 之間，工作效率較人工操作提升了4 ～5 倍。

(3)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可視化。本系統(tǒng)當(dāng)中引進(jìn)了人機(jī)單元，人機(jī)畫面集成了整個(gè)電控系統(tǒng)的各種功能，可對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。人機(jī)系統(tǒng)設(shè)置了豐富的報(bào)警功能，例如液壓系統(tǒng)壓力報(bào)警、油溫報(bào)警，臂架伸縮位置超限報(bào)警，抓斗位置超限報(bào)警等，這些報(bào)警信息不僅可幫助操作人員掌握抓斗車工作狀態(tài)，且方便查找和排除機(jī)器故障。

(4)節(jié)省勞動(dòng)力、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。應(yīng)用手動(dòng)閥操作時(shí)需2 ～3 人協(xié)同才能完成淤泥抓斗車的淤泥抓取操作，應(yīng)用本系統(tǒng)后只需1 人，且本系統(tǒng)操作簡便，對(duì)抓斗車司機(jī)進(jìn)行簡單培訓(xùn)即可上崗作業(yè)。本系統(tǒng)的自動(dòng)抓取功能可讓操作工進(jìn)入到自動(dòng)模式后回到駕駛室，利用人機(jī)監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，這一點(diǎn)在惡劣的天氣狀況下顯得尤為重要。

5 結(jié)束語

本文提出了應(yīng)用基于STM32 的淤泥抓斗車控制系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方案具有良好的人機(jī)交互、可遙控操作、自動(dòng)化程度高和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。包含有豐富的警告和報(bào)警設(shè)置為故障排除提供方便，同時(shí)也為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。從長遠(yuǎn)來看，工程機(jī)車的自動(dòng)化提升是一大趨勢(shì)，本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念可移植到眾多工程機(jī)車的控制當(dāng)中。因此，該種思想將會(huì)擁有廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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