劉雪霞,譚業(yè)發(fā)

(1.中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南鄭州 451191;2.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院,江蘇南京 210007)

0 引言

液壓系統(tǒng)有功率大、運(yùn)行平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、易于自動(dòng)化控制等特點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用廣泛[1-3]。液壓系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)難以進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且故障發(fā)生頻率較大，對(duì)于液壓系統(tǒng)正常維護(hù)以及故障的診斷造成一定的困難[4-5]。傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主要依靠人工觀察儀表的方式，速度慢、精度低、實(shí)時(shí)性差、可靠性低[6]。因此，提出設(shè)計(jì)一種基于STM32單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)的檢測(cè)儀，通過(guò)軟硬件相結(jié)合的方式提高系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度、實(shí)時(shí)性以及任務(wù)調(diào)度的能力，對(duì)于提高系統(tǒng)可靠性、智能化程度具有重要的意義[7]。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)儀通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)中電機(jī)的電流、電壓進(jìn)行測(cè)量，間接地對(duì)液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；通過(guò)對(duì)液壓泵輸出口的油路的壓力、流量、溫度等參數(shù)的測(cè)量，對(duì)液壓泵的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32f407單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，包括信號(hào)采集電路、濾波電路、信號(hào)放大電路、485總線通訊電路。其中，信號(hào)采集電路包括電流、電壓、壓力、流量、溫度等傳感器信號(hào)采集電路，測(cè)量電機(jī)的電壓電流以及液壓泵的壓力、流量、溫度；濾波電路主要對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行濾波，去除干擾信號(hào)；傳感器采集的信號(hào)由信號(hào)放大電路進(jìn)行調(diào)理，使其滿足STM32f407單片機(jī)輸入電壓要求；485總線通訊電路負(fù)責(zé)STM32f407主控芯片與觸摸屏之間的通訊連接。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖

2.1 電流傳感器信號(hào)采集電路

由于系統(tǒng)中電機(jī)額定電流為5 A，在電機(jī)啟停時(shí)，其峰值電壓可達(dá)20 A，所以選擇HNC-25LA霍爾電流傳感器對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該傳感器的額定測(cè)量電流為±25 A，輸出的額定電流信號(hào)為±25 mA，其中在-38 V～+38 V電壓范圍內(nèi)，輸入輸出電流成線性關(guān)系[8]。為了方便電流信號(hào)的測(cè)量，系統(tǒng)通過(guò)將傳感器3引腳并聯(lián)一個(gè)100 Ω電阻，使輸出到濾波電路的電壓控制±2.5 V之內(nèi)，進(jìn)行電流-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換。

2.2 電壓傳感器信號(hào)采集電路

圖3 電壓傳感器信號(hào)采集電路圖

2.3 壓力傳感器信號(hào)采集電路

由于實(shí)驗(yàn)液壓泵輸出壓力在0～40 MPa范圍內(nèi)，所以系統(tǒng)采用PPM-T222H液壓壓力傳感器對(duì)液壓泵輸出壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該壓力傳感器輸出0～10 V電壓信號(hào)，其測(cè)量精度小于±0.1%FS，滿足系統(tǒng)精度需求[10]。

2.4 流量傳感器信號(hào)采集電路

渦街流量計(jì)又稱渦旋流量計(jì)，系統(tǒng)采用滿管式渦街流量計(jì)KZMGWJ對(duì)液壓系統(tǒng)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其應(yīng)用范圍較廣，采用了流體震蕩原理，可用于各種液體、石油、氣體、飽和蒸汽等介質(zhì)的測(cè)量[11]。該傳感器測(cè)量范圍為35～380 m3/h，測(cè)量精度為±0.5%，輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，所以在輸出電路并聯(lián)100 Ω電阻，使輸出信號(hào)為0.4～2 V電壓信號(hào)。

2.5 溫度傳感器信號(hào)采集電路

系統(tǒng)采用Pt100溫度傳感器對(duì)液壓系統(tǒng)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)，測(cè)量量程為-20 ～120 ℃，測(cè)量精度為±0.5 ℃，完全滿足系統(tǒng)需求[12]。所以在輸出電路并聯(lián)100 Ω電阻，使輸出信號(hào)為0.4～2 V電壓信號(hào)。

2.6 濾波電路

系統(tǒng)采用LM358放大器組成二階巴特沃斯低通濾波器，可有效地濾除高頻干擾信號(hào)，提高系統(tǒng)的抗干擾性，濾波電路圖如圖4所示。

圖4 濾波電路圖

2.7 信號(hào)放大電路

系統(tǒng)采用LM358放大器進(jìn)行信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)，由于輸入到信號(hào)放大電路的每一路信號(hào)電壓不同，只需對(duì)相應(yīng)電阻取值進(jìn)行修改即可，所以只對(duì)電壓采集電路對(duì)應(yīng)的信號(hào)放大電路進(jìn)行介紹，輸出采用雙二極管鉗位電路設(shè)計(jì)，防止輸入到單片機(jī)的電壓信號(hào)超出單片機(jī)承受范圍之外。信號(hào)放大電路電路圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)放大電路電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀的軟件程序設(shè)計(jì)包括下位機(jī)程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)。其中，下位機(jī)程序設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)保存、在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)發(fā)送等。監(jiān)測(cè)儀工作時(shí)首先是上電并完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化設(shè)置，完成初始化之后對(duì)采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)所有的傳感器數(shù)據(jù)均監(jiān)測(cè)一遍之后，將傳感器采集的數(shù)據(jù)保存到單片機(jī)內(nèi)存中，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行故障檢測(cè)，最后將數(shù)據(jù)以及故障信息通過(guò)RS485發(fā)送到人機(jī)界面，在人機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)儀狀態(tài)信息，在沒(méi)有停止按鈕按下時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入下一次循環(huán)。人機(jī)界面采用MCGS觸摸屏進(jìn)行設(shè)計(jì)。本地端程序流程圖如圖6所示。

圖6 本地端程序流程圖

系統(tǒng)采用Free RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)液壓系統(tǒng)性能進(jìn)行任務(wù)制定、中斷服務(wù)制定以及通訊任務(wù)制定。其中中斷服務(wù)包括系統(tǒng)運(yùn)行正常、電機(jī)電壓異常、電機(jī)電流異常、壓力異常、流量異常、溫度異常、故障報(bào)警7個(gè)狀態(tài)的切換，系統(tǒng)設(shè)置每隔15 ms對(duì)系統(tǒng)任務(wù)狀態(tài)STA的值進(jìn)行更改，系統(tǒng)根據(jù)STA的值切換對(duì)應(yīng)的任務(wù)，系統(tǒng)任務(wù)狀態(tài)切換如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)任務(wù)狀態(tài)切換

4 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，首先啟動(dòng)液壓泵，調(diào)節(jié)電機(jī)的工作頻率為50 Hz，通過(guò)調(diào)節(jié)伺服節(jié)流閥的閥門(mén)開(kāi)度，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加載，測(cè)量各個(gè)參數(shù)隨著壓力變化時(shí)的值。采用萬(wàn)用表采集系統(tǒng)電機(jī)電壓、電流信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡采集液壓泵溫度、壓力、流量信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)值。將這些標(biāo)準(zhǔn)值與觸摸屏上顯示的值作對(duì)比如表1所示。

由表1可知，電機(jī)的電流隨著液壓泵輸出壓力的增加而增加，最大誤差為0.02 A，則最大引用誤差為0.08%；電機(jī)電壓變化幅度較小，比較穩(wěn)定，最大誤差為2 V，則最大引用誤差為0.36%；伴隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，溫度出現(xiàn)上升趨勢(shì)，最大誤差為0.08 ℃，則最大引用誤差為0.08%；流量出現(xiàn)微小變化，最大誤差為0.02 L/min，則最大引用誤差為0.32%；壓力最大誤差為0.11 MPa，則最大引用誤差為0.44%。則最大引用誤差為0.44%，滿足系統(tǒng)1%的精度需求。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，利用觸摸屏對(duì)液壓動(dòng)力系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，顯示效果圖如圖8所示。

5 結(jié)論

本文對(duì)基于STM32單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)硬件采用濾波、信號(hào)放大器對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了采集精度，數(shù)據(jù)采集引用誤差為0.44%，滿足系統(tǒng)1%的需求；系統(tǒng)軟件采用FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的調(diào)度能力；采用MCGS觸摸屏對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)以曲線形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，提高系統(tǒng)的人機(jī)交互特性，方便對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看。

表1 模擬輸出實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

(a)電機(jī)電壓、電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖

(b)液壓泵壓力、流量、溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)圖圖8 觸摸屏顯示效果圖