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、易于自動化控制等特點，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，而且故障發(fā)生頻率較大，對于液壓系統(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)測主要依靠人工觀察儀表的方式，速度慢、精度低、實時性差、可靠性低[6]。因此，提出設(shè)計一種基于STM32單片機(jī)的液壓動力系統(tǒng)的檢測儀，通過軟硬件相結(jié)合的方式提高系統(tǒng)監(jiān)測精度、實時性以及任務(wù)調(diào)度的能力，對于提高系統(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

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

圖1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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，包括信號采集電路、濾波電路、信號放大電路、485總線通訊電路。其中，信號采集電路包括電流、電壓、壓力、流量、溫度等傳感器信號采集電路，測量電機(jī)的電壓電流以及液壓泵的壓力、流量、溫度；濾波電路主要對電壓電流信號進(jìn)行濾波，去除干擾信號；傳感器采集的信號由信號放大電路進(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)計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖

2.1 電流傳感器信號采集電路

由于系統(tǒng)中電機(jī)額定電流為5 A，在電機(jī)啟停時，其峰值電壓可達(dá)20 A，所以選擇HNC-25LA霍爾電流傳感器對電機(jī)電流進(jìn)行實時監(jiān)測。該傳感器的額定測量電流為±25 A，輸出的額定電流信號為±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]。為了方便電流信號的測量，系統(tǒng)通過將傳感器3引腳并聯(lián)一個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-電壓信號轉(zhuǎn)換。

2.2 電壓傳感器信號采集電路

圖3 電壓傳感器信號采集電路圖

2.3 壓力傳感器信號采集電路

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

2.4 流量傳感器信號采集電路

渦街流量計又稱渦旋流量計，系統(tǒng)采用滿管式渦街流量計KZMGWJ對液壓系統(tǒng)流量進(jìn)行實時監(jiān)測，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)的測量[11]。該傳感器測量范圍為35～380 m3/h，測量精度為±0.5%，輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，所以在輸出電路并聯(lián)100 Ω電阻，使輸出信號為0.4～2 V電壓信號。

2.5 溫度傳感器信號采集電路

系統(tǒng)采用Pt100溫度傳感器對液壓系統(tǒng)溫度進(jìn)行監(jiān)測，其輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號，測量量程為-20 ～120 ℃，測量精度為±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，使輸出信號為0.4～2 V電壓信號。

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，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 信號放大電路

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

圖5 信號放大電路電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

液壓系統(tǒng)監(jiān)測儀的軟件程序設(shè)計包括下位機(jī)程序設(shè)計和人機(jī)界面設(shè)計。其中，下位機(jī)程序設(shè)計包括數(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、數(shù)據(jù)發(fā)送等。監(jiān)測儀工作時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，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行故障檢測，最后將數(shù)據(jù)以及故障信息通過RS485發(fā)送到人機(jī)界面，在人機(jī)界面上實時顯示檢測儀狀態(tài)信息，在沒有停止按鈕按下時，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。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實時操作系統(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、故障報警7個狀態(tài)的切換，系統(tǒng)設(shè)置每隔15 ms對系統(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)測試

對系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，首先啟動液壓泵，調(diào)節(jié)電機(jī)的工作頻率為50 Hz，通過調(diào)節(jié)伺服節(jié)流閥的閥門開度，對系統(tǒng)進(jìn)行加載，測量各個參數(shù)隨著壓力變化時的值。采用萬用表采集系統(tǒng)電機(jī)電壓、電流信號，數(shù)據(jù)采集卡采集液壓泵溫度、壓力、流量信號作為標(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%；伴隨著實驗時間的增加，溫度出現(xiàn)上升趨勢，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，利用觸摸屏對液壓動力系統(tǒng)各項參數(shù)進(jìn)行實時顯示，顯示效果圖如圖8所示。

5 結(jié)論

本文對基于STM32單片機(jī)的液壓動力系統(tǒng)監(jiān)測儀的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的描述，系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計思想，系統(tǒng)硬件采用濾波、信號放大器對傳感器采集的信號進(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實時操作系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的調(diào)度能力；采用MCGS觸摸屏對系統(tǒng)數(shù)據(jù)以曲線形式進(jìn)行實時顯示，提高系統(tǒng)的人機(jī)交互特性，方便對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看。

表1 模擬輸出實驗測試結(jié)果

(a)電機(jī)電壓、電流實時監(jiān)測圖

(b)液壓泵壓力、流量、溫度實時檢測圖圖8 觸摸屏顯示效果圖