潘曉貝

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

基于單片機(jī)的液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其原理就是通過挖掘機(jī)控制系統(tǒng)中的單片相機(jī)對挖掘機(jī)操作人員的一系列重復(fù)性的操作動作進(jìn)行復(fù)制記憶，然后進(jìn)行機(jī)械自動化操作。

1 基于單片機(jī)的液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

液壓挖掘機(jī)機(jī)械功能多，運(yùn)用領(lǐng)域廣闊。尤其是在交通運(yùn)輸工程、水利水電工程、電力系統(tǒng)工程以及礦山采掘工程等需要機(jī)械設(shè)備及器具的工程施工中被廣泛運(yùn)用。然而由于在這些工程的具體施工過程中，挖掘機(jī)的具體操作狀況較為復(fù)雜多變，操作人員在機(jī)械操作中要靈活并且及時的調(diào)動較多機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，還要使機(jī)械操作科學(xué)到位，因此，操作人員面臨著一定的工作難度。隨著單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是電、液、機(jī)一體化的迅速發(fā)展，將單片機(jī)運(yùn)用于液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)是當(dāng)下業(yè)內(nèi)相關(guān)人員應(yīng)該研究和探討的課題。在機(jī)械行業(yè)的不斷改革和完善中，基于單片機(jī)的液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制，根據(jù)液壓系統(tǒng)中壓力值的上下浮動對挖掘機(jī)的作業(yè)狀況進(jìn)行動態(tài)跟蹤，進(jìn)而科學(xué)合理的調(diào)整挖掘機(jī)的操作，模擬建立該模型，并不斷深化對該設(shè)計(jì)的改革，將對提高液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的控制水平有著十分重要的意義。

2 液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中單片機(jī)的概述

第一，單片機(jī)一詞的來源。單片機(jī)源于英文名稱“single chip microcomputer”，即單片微型計(jì)算機(jī)，人們通常將其簡稱為MCU。在單片機(jī)誕生初期，SCM是較為精確而且廣被接受的稱謂。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，SCM在技術(shù)上不斷有新的突破，在結(jié)構(gòu)體系上也不斷創(chuàng)新和開拓，更重要的是在控制功能上不斷超越。因此，“單片微型計(jì)算機(jī)”已經(jīng)不再能夠精確的的表達(dá)單片機(jī)的內(nèi)涵，在國際上，SCM已經(jīng)逐步被“MCU”即（microcontroller unit）替代。第二，單片機(jī)的內(nèi)容。單片機(jī)是一種集成電路芯片，液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中單片機(jī)的作用就是將記憶并控制挖掘機(jī)操作的具體動作，并在下次執(zhí)行時自動根據(jù)已有記憶的時間和順序進(jìn)行。

3 單片機(jī)的液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景的概述

挖掘機(jī)是一種大型的機(jī)器設(shè)備，在各種工程施工中被廣泛使用。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國挖掘機(jī)行業(yè)在技術(shù)上逐步突破難關(guān)，新型的液壓挖掘機(jī)替代了傳統(tǒng)的挖掘機(jī)，液壓挖掘機(jī)呈現(xiàn)機(jī)電一體化態(tài)勢。當(dāng)今社會經(jīng)常采用的挖掘機(jī)有機(jī)械挖掘機(jī)和液壓挖掘機(jī)兩種類型。而后者產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，后者占據(jù)了挖掘機(jī)市場的主要部分。對于相關(guān)部門及機(jī)構(gòu)而言，研究基于單片機(jī)的液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對挖掘機(jī)事業(yè)的推進(jìn)以及工業(yè)建設(shè)工程的推動有著十分積極的作用。電氣控制是傳統(tǒng)挖掘機(jī)的控制方法，電氣控制適合用于較為簡單的挖掘機(jī)控制系統(tǒng)，而對于比較復(fù)雜的挖掘機(jī)控制系統(tǒng)，電器控制則存在缺點(diǎn)和不足，例如線路較為復(fù)雜，維修較為困難等?；趩纹瑱C(jī)的液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)則能夠很好的克服電氣控制的缺點(diǎn)和不足，并且單片機(jī)挖掘機(jī)控制系統(tǒng)具有電氣控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，諸如：單片機(jī)重量輕便、體積小巧、功能強(qiáng)大、穩(wěn)重可靠、耗能較低、編程簡捷、便于安裝等,是挖掘機(jī)行業(yè)在實(shí)踐中不斷探索和研究的產(chǎn)物，是新一代工業(yè)機(jī)械設(shè)備中較為常用的控制系統(tǒng)?；趩纹瑱C(jī)的液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)給挖掘機(jī)技術(shù)注入了新的活力。

4 液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

以MCS-51單片機(jī)為液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的核心，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。通常有觸摸屏模塊、挖掘機(jī)部件位置控制模塊、單片機(jī)系統(tǒng)模塊和挖掘機(jī)部件位置信息采集模塊。分成這幾個模塊的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)用性較強(qiáng)、組織形態(tài)靈活、降低控制系統(tǒng)成本、縮短硬件的開發(fā)周期、減少冗余量，便于故障排除及排除故障效率高。液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組織圖、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

該控制系統(tǒng)主要由以下四部分構(gòu)成，分別是：信息檢測口、電氣傳輸口、通信傳輸口、執(zhí)行部件。單片機(jī)核心液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)主要表現(xiàn)為閉合環(huán)繞式控制。大臂旋轉(zhuǎn)位置控制、小臂旋轉(zhuǎn)位置控制、挖斗旋轉(zhuǎn)位置控制及整體位置控制，這四個部分的信息傳輸給挖掘機(jī)部件位置控制模塊，該模塊通過分別采集這四個部分的旋轉(zhuǎn)角度，經(jīng)過變換整理輸入到單片機(jī)系統(tǒng)模塊。該模塊將觸摸屏輸入的預(yù)設(shè)角度與挖掘機(jī)部件位置模塊部件傳來的角度進(jìn)行分析比較，同時驅(qū)使挖掘機(jī)部件位置信息采集模塊部件進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，直到徹底消除角度差值。與此同時，挖掘機(jī)部件位置的信息通過單片機(jī)系統(tǒng)模塊部件輸送到觸摸屏模塊進(jìn)行動態(tài)展示。

5 基于單片機(jī)的液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)組成部分如系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖所示。分為觸摸屏部分、挖掘機(jī)部件位置控制部分、單片機(jī)系統(tǒng)部分和挖掘機(jī)部件位置信息采集部分。觸摸屏模塊主要有觸摸屏和上位機(jī)兩個內(nèi)容。上位機(jī)將分析整理好的工程經(jīng)過通過USB接口傳輸給觸摸屏并在觸摸屏進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。挖掘機(jī)部件位置控制模塊中，液壓缸驅(qū)動作用于挖掘機(jī)的四個運(yùn)動部件，而液壓缸則受控于四個雙電控和三位五通換向閥。由于單片機(jī)輸出口的驅(qū)動力無法滿足換向閥電磁鐵的24V直流電，因此在兩者之間應(yīng)加八通道功率放大板。操作人員按下觸摸屏上的相關(guān)按鈕，便產(chǎn)生了一系列的控制系統(tǒng)操作，從而對挖掘機(jī)的大小臂、挖斗及整體發(fā)出動作指揮，單機(jī)系統(tǒng)模塊中，要在單片機(jī)P1位置加裝四通道八位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，在P2位置加裝八通道功率放大板，這樣才能使電磁鐵運(yùn)轉(zhuǎn)。挖掘機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時，挖掘機(jī)部件位置信息采集模塊中，傳感器首先測試其各個部位的旋轉(zhuǎn)角度，然后通過A/D模數(shù)芯片轉(zhuǎn)換成八位數(shù)字量輸送到單片機(jī)對應(yīng)的儲存位置，轉(zhuǎn)換程序根據(jù)數(shù)字信號轉(zhuǎn)換并判別出挖掘機(jī)各部分構(gòu)件的具體旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而將信息通過接口輸送至觸摸屏，觸摸屏調(diào)整對應(yīng)構(gòu)件的運(yùn)轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際角度直觀的展示在圖形中。

該控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理整體上如系統(tǒng)硬件原理圖（圖2）所示。在硬件的設(shè)計(jì)中要在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下最大程度的減少并優(yōu)化使用相關(guān)器件，使控制系統(tǒng)中的硬件部分在MCS-51單片機(jī)最精簡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對外接通觸摸屏、轉(zhuǎn)換芯片、傾角感應(yīng)器、功率放大板及電磁換向閥。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

6 基于單片機(jī)的液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

以單片機(jī)為基礎(chǔ)的液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)主要涵蓋有觸摸屏組態(tài)模塊部分、MCS-51單片機(jī)模塊部分以及通信模塊部分。觸摸屏組態(tài)模塊設(shè)計(jì)中，主要包括新建工程、分析數(shù)據(jù)對象、制造畫面、連接設(shè)備、下載并調(diào)試相關(guān)程序。觸摸屏組態(tài)模塊側(cè)重于發(fā)揮與操作人員交互操作信息的作用，它可以迅速、便捷的實(shí)現(xiàn)多種針對于現(xiàn)場操作信息采集、數(shù)據(jù)處理以及設(shè)備控制。MCS-51單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)中主要包括主程序、采集數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信息及PID控制。單片機(jī)模塊是采集數(shù)據(jù)信息和控制系統(tǒng)的主要模塊，它包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、輸入信號的處理、分析、并最后給出控制系統(tǒng)的輸出量。通信模塊則旨在進(jìn)行單片機(jī)和觸摸屏之間的數(shù)據(jù)信息交換。這三個模塊相互促進(jìn)相輔相成缺一不可，它們之間聯(lián)系密切，主要表現(xiàn)在觸摸屏組態(tài)模塊好比是總指揮，它掌管著整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組織和運(yùn)轉(zhuǎn)流程，單片機(jī)模塊根據(jù)系統(tǒng)的既定周期進(jìn)行信息采集，同時還要接收和分析觸摸屏組態(tài)模塊輸送來的指令實(shí)施對挖掘機(jī)的自動調(diào)控。而通信模塊則致力于單片機(jī)數(shù)據(jù)與觸摸屏數(shù)據(jù)之間的相互傳輸。

7 結(jié)語

在上文對基于單片機(jī)的液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討中，簡單介紹了設(shè)計(jì)理念的時代背景和環(huán)境趨勢，簡要闡述了關(guān)于單片機(jī)、液壓挖掘機(jī)及其控制系統(tǒng)的概念，并提出了總體設(shè)計(jì)思路、硬件設(shè)計(jì)思路以及軟件設(shè)計(jì)思路等。

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