一种液压挖掘机新型监控系统的设计.pdf

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1、微机应用与智能化微机应用与智能化Mi c r o c o mp u t e rA p p l i c a t i o n s2 0 0 5(1 2)工程机械随着计算机网络、多媒体技术和通讯技术的发展,现代化施工管理现场要求以最佳的人员、设备、物资的配置来实现预定的目标,因此对于挖掘机的在线状态监测和故障诊断的要求越来越高。为满足目前液压挖掘机状态监测与故障诊断系统的要求,笔 者 设 计 了 以 美 国C Y G N A L公 司 的S O C芯 片C 8 0 5 1 F 0 2 0为中央处理器的液压挖掘机监控系统。该系统采用液晶显示器显示2 5路工况参数,能够动态反映整个系统的工作状态,并且可

2、以对异常情况进行报警处理。1在线状态监测和故障诊断系统硬件设计在线状态监测和故障诊断系统硬件由中央处理器、信号采集装置、控制输出、存储器、看门狗、电源电路和通信电路组成,如图1所示。为了克服机械仪表布线复杂、精度差、稳定性不高、参数修改和扩展困难、发热量大、耗电大、易损坏、开发性差等缺点,该装置采用了稳定性好的液晶显示器。1.1C 8 0 5 1 F 0 2 0简介本文所述是以美国C Y G N A L集成产品公司的混合信号系统级芯片(S O C)C 8 0 5 1 F 0 2 0为中央控制单元的监控装置。C 8 0 5 1 F 0 2 0除了具有标准8 0 5 1的数字外设部件之外,内部还集

3、成了一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件 1。其片内集成了多通道1 2位和8位A/D转换器以及一个双1 2位D/A转换器,两个增强型U A R T串口,便于模拟量和数字量的采集、控制和通信传输。该单片机还集成有4 K B内部数据R A M和6 4 K BF L A S H以及外部6 4 K B数据存储器接口、总线接口、电压比较器、温度传感器、电压基准、电源监视器等部件,比常规5 1单片机有更多的定时计数器、中断、数字I/O接口。片内还配置了符合I E E E 1 1 4 9.1标准的J T A G接口,在上位机软件的支持下,通过串行的J T A G接口可直接

4、对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入式、不占用片内资源、全速在线系统的调试,无需另配编程器及仿真器,是目前功能最强大、性能价格比最好的单片机之一 2。图1在线状态监测系统硬件框图1.2信号采集单元的设计信号采集装置原理图如图2所示,用于采集挖掘机各部分的运行状态信号。该装置包括计数器、光电隔离芯片和滤波器。该系统需要用转速传感器从发动机采集高速脉冲信号,然后接计数器T S 3 V 5 5 5计 数,经 过 光 电 隔 离 芯 片H C P L 0 6 0 0再 提 供 给C 8 0 5 1 F 0 2 0的P 0口。来自传感器的信号主要是模拟信号,滤波后经过A/D转换再输入给光电隔离芯片H

5、 C P L 0 6 0 0,直接提供给C 8 0 5 1 F 0 2 0的P 0口,开关一种液压挖掘机新型监控系统的设计中南大学机电工程学院陈欠根 赵娟 谢喜春!摘要:介绍了一种以C 8 0 5 1 F 0 2 0单片机为核心的液晶显示监控系统,已在S WE 4 5型液压挖掘机上进行运行和调试,证明系统稳定可靠,阐述了该系统的软硬件组成及其特性。关键词:液压挖掘机监控系统液晶显示2微机应用与智能化微机应用与智能化Mi c r o c o mp u t e rA p p l i c a t i o n s2 0 0 5(1 2)工程机械图4串口通讯电路信号则只需要数字滤波,光电隔离P S 2

6、8 0 1-1提供给C 8 0 5 1 1 F 0 2 0的P 2口和P 3口。采用光电滤波(隔离)的目的是提高系统的抗干扰能力,也就是提高监控系统的可靠性。图2数据采集装置原理图1.3电源模块的设计由于挖掘机特殊的工况要求,因此笔者设计的电源模块可以自动识别1 2 V/2 4 V的车载电压,该电源模块能够自动适应9 3 6 V的宽电压输入,转化为5 V的稳定电压输出,为了避免模拟信号和数字信号之间的干扰,同时保证控制板正常工作,对模拟信号处理模块和数字信号处理模块单独供电,给液晶屏的5 V电源也进行了滤波处理。C 8 0 5 1 1 F 0 2 0的3.3 V工作电源是将5V的电源通过芯片A

7、 S M 1 1 7转化得到的。如图3所示为设计的电源模块。1.4串口通讯模块挖掘机监控系统要与上位机通讯,于是笔者设计了串口通讯模块,主要采用M A X 2 3 2来实现。如图4所示,其中R X D和T X D与C 8 0 5 1 F 0 2 0的P 0.0和P 0.1口相连接。图3电源电路1.5看门狗电路的设计看门狗电路其实是一个独立的定时器,有一个定时器控制寄存器,可以设定时间(开狗),到达时间后要置位(喂狗),如果没有的话,就认为是程序跑飞,就会发出R E S E T指令。所以为了提高程序的可靠性,笔者设计了图5所示的看门狗电路,用来监视C 8 0 5 1 F 0 2 0内部程序运行状

8、态,在程序跑飞或死锁的情况下,可以自动复位。3微机应用与智能化微机应用与智能化Mi c r o c o mp u t e rA p p l i c a t i o n s2 0 0 5(1 2)工程机械表1S E D 1 3 3 5指令集图5看门狗电路1.6显示模块本系统采用的是3 2 0 2 4 0图形点阵式液晶屏,液晶屏的显示由S E D 1 3 3 5芯片驱动行、列扫描芯片来实现。因此只要实现C 8 0 5 1 F 0 2 0对S E D 1 3 3 5进行控制就可以完成系统的显示功能。2在线状态监测和故障诊断系统软件设计系统软件主要是实现以C 8 0 5 1 F 0 2 0为核心的挖掘

9、机工作参数液晶显示输出。软件设计流程图如图6所示。图6软件设计流程图2.1系统初始化系统初始化主要是S E D 1 3 3 5的初始化。该控制器有1 3条指令,多数指令带有参数,参数值由用户根据所控制的液晶显示模块的特征和显示的需要来设置。部分指令表如表1所示。系统硬件上电复位之后,软件根据液晶模块的参数(如液晶的行数、列数、功能指令代码操作码指令名称参数量系统控制S Y S T E MS E T4 0 H初始化设置8S L E E P I N5 3 H休闲模式设置-显示操作D I S PO N/O F F5 9 H/5 8 H显示状态设置1S C R O L L4 4 H显示域设置1 0C

10、S R R F O R M5 D H光标形状设置2C S R D I R4 C-4 F H光标移动方向设置-4微机应用与智能化微机应用与智能化Mi c r o c o mp u t e rA p p l i c a t i o n s2 0 0 5(1 2)工程机械扫描频率等)和需要的显示方式设置各个指令的参数来初始化系统,之后就可以由C 8 0 5 1 F 0 2 0把数据直接送给S E D 1 3 3 5的显示缓存,S E D 1 3 3 5就可以控制液晶显示。设置系统命令参数或输送数据给显示缓存的方法是:先将指令代码送到S E D 1 3 3 5的命令口地址,然后把该指令的参数送到数据口

11、地址后即可把数据输送到数据口地址。初始化程序片断:WC _ A D DE Q U#8 1 0 0 h;写指令地址WD _ A D DE Q U#8 0 0 0 h;写参数地址M O VD P T R,#WC _ A D D;初始化,显示窗口设置带8个参数M O VA,#4 0 HM O V X D P T R,AM O VD P T R,#WD _ A D DM O VA,#1 0 HM O V X D P T R,AM O VD P T R,#WD _ A D DM O VA,#0 7 H;设置光标宽度为8M O V X D P T R,AM O VD P T R,#WD _ A D DM

12、O VA,#0 7 H;设置光标高度为8M O V X D P T R,AM O VD P T R,#WD _ A D DM O VA,#2 8 H;每行需要的字节数M O V X D P T R,A2.2系统自检系统自检主要是对系统程序和外部硬件设备进行检查。因此,笔者在标定传感器的时候,设定了工作区、短路区和断路区,根据电压的不同来判断传感器的工作状态,提高系统的可靠性。2.3按键处理本人所设计的监控系统由多幅显示界面组成,除了主监控界面(系统工作状态的监测)外,还包括标定界面(传感器的标定和系统时间的设定)和故障记录界面。界面的切换和数据的输入是由按键完成的。为了防止误操作,在软件中设计

13、了按键的互锁和防抖动功能。2.4主界面显示主界面主要包括报警显示区、系统参数显示区和工作参数显示区。报警的显示通过报警图片和文字交替闪烁来实现。考虑到S E D 1 3 3 5芯片带内部字库,在设计的时候为了充分利用资源,将显示屏分为两个区:图形显示区和文字显示区。文字显示直接调用系统内部字库得到。油温、油位、机油压力等模拟量参数是通过仪表动画的形式显示的,本人通过设计虚拟指针和数据相结合的方法为用户提供良好的交互显示方式。2.5数据处理及软件滤波由于挖掘机工作环境比较恶劣,振动冲击比较大,外界的电磁干扰信号时有发生,因此,必须对传感器采集的数据进行处理。该机采用低通滤波和加权平均相结合的方法

14、来解决此类问题。采用的加权公式为:y(t)=c2y(t-2)+c1y(t-1)+c0y(t),式中的系数是用最小二乘法得到的,通过计算得到:c2=0.0 8,c1=0.1 2,c0=0.8。通过试验可以看出数据变化比较平滑,与实际数据的偏差较小。3提高系统可靠性与抗干扰性能的其它措施由于干扰主要通过电磁干扰、供电系统干扰与过程通道干扰3条渠道窜入系统,系统在设计的时候将模拟信号和数字信号的地线分离;采用双线制的输入方式;对于高频电路,采用就近多点接地的方法处理,而低频电路采用一点接地;同时,考虑到电源问题,对输入端进行反接保护处理,对高压瞬态脉冲信号进行隔离。液晶显示监控器在湖南山河智能股份有

15、限公司生产的S WE 4 5型液压挖掘机上运行和调试,证明有以下优点:人机界面友好,既有数字仪表显示又有动态的实时数据显示,系统稳定可靠,参数修改简便,扩展开发性良好,可以在挖掘机以及其他工程机械上长时间运行。参考文献1潘琢金,孙德龙,夏秀峰译.C 8 0 5 1 F单片机应用解析.北京:北京航空航天大学出版社,2 0 0 22潘琢金,施国军.C 8 0 5 1 F 高速S O C单片机原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社,2 0 0 23张全胜,范寿廉.S E D 1 3 3 5液晶控制器与单片机的应用接口.今日电子,2 0 0 3(6)通信地址:湖南长沙中南大学智能机械研究所(4 1

16、0 0 8 3)(收稿日期:2 0 0 5-0 6-0 8)5C o n s t r u c t i o nMa c h i n e r ya n dE q u i p me n tV o l.3 6N o.1 2A b s t r a c t si nE n g l i s h!T h eD e s i g no f aN e wK i n do f Mo n i t o r i n gS y s t e m o nH y-d r a u l i c E x c a v a t o rAL C Dm o n i t o r i n g s y s t e mw i t hC 8 0 5 1

17、F 0 2 0s i n g l e c h i pp r o c e s s o ra s k e r n e l i s d e s c r i b e d i n t h e a r t i c l e.T h e o p e r a t i o n a n d a d j u s t m e n to n m o d e l S WE 4 5 h y d r a u l i c e x c a v a t o r p r o v e d t h e s t a b i l i t y a n dr e-l i a b i l i t yo f t h es y s t e m.S o

18、f t w a r ea n dh a r d w a r ec o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e ma r e d e s c r i b e d.K e y w o r d s:H y d r a u l i c e x c a v a t o rMo n i t o r i n gs y s t e m L C DD e v e l o p me n t o f aC o mb i n e dT u n n e l i n gS h i e l dT h e d e v e

19、l o p m e n t a n dc o n c r e t e c o n s t r u c t i o na p p l i c a t i o na b o u t t h ef i r s t d o m e s t i c 6.1 4 mc o m b i n e dt y p e t u n n e l i n g s h i e l da r e i n t r o-d u c e di nt h e a r t i c l e.S o m e t e c h n i c a l p r o b l e m s i nt h e d e s i g n,p r o-d u

20、c t i o na n do p e r a t i o no f t h e c o m b i n e ds h i e l da r ed i s c u s s e d,a n dc o u n t e r m e a s u r e s a d o p t e d a r e l i s t e d,w h i c h p r o v i d e s b e n e f i c i a l r e f-e r e n c e f o r t h e d e v e l o p m e n t o f c o m b i n e d s h i e l d s.K e y w o r

21、 d s:T u n n e l i n gs h i e l dT u n n e l c o n s t r u c t i o nS o i l p r e s s u r e b a l a n c eMo d e l L W5 2 1 FWh e e l L o a d e r f r o mX u g o n gM o d e l L W5 2 1 Fw h e e l l o a d e r i s a b a c k b o n e p r o d u c t i n t h e s e c o n dg e n e r a t i o nFs e r i e s l o a

22、d e r s l a u n c h e db yX u g o n gi n2 0 0 5.I t i s a5-t o n c l a s s w h e e l l o a d e r w i t h h i g h p e r f o r m a n c e-p r i c e-r a t i o.I t i n-h e r i t s a l l a d v a n t a g e s o f t h ef i r s t g e n e r a t i o nFs e r i e s l o a d e r s f r o mX u g o n ga n dt h ec o n

23、f i g u r a t i o na n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so f b a s i cm a c h i n e a r e o p t i m i z e d.T h e o v e r a l l o p e r a t i o nr e l i a b i l i t y a n ds e r-v i c e a b i l i t y a r e i n c r e a s e d,b r i n g i n g m o r e b e n e f i t s t o u s e r s.K e y w o r d s:L o

24、 a d e rO p t i mi z a t i o nE c o n o mi c a l b e n e f i tD e v e l o p me n to faT u n n e l i n gS i mu l a t i o nT e s tB e n c hf o rL a r g e-s i z e dMu l t i-f u n c t i o n a l S h i e l dT u n n e l i n gs i m u l a t i o nt e s t b e n c hf o r s h i e l di s am u l t i s y s t e me-q

25、 u i p m e n t i t s e l f.I t s d e v e l o p m e n t i s a c o m p r e h e n s i v e a n dc o m p l e xd e v e l o p m e n t p r o j e c t i n v o l v i n g m a n y d i s c i p l i n e s s u c ha s m e c h a n-i c s,e l e c t r i c s,h y d r a u l i c s,c o n t r o l a s w e l l a s s o i l m e c

26、h a n i c s.T h ed e v e l o p m e n t s i t u a t i o na b o u t t h ef i r s t d o m e s t i ct u n n e l i n gs i m u l a-t i o nt e s t b e n c ho f l a r g e-s i z e dm u l t i-f u n c t i o n a l s h i e l di si n t r o-d u c e d,i t s m a i n c o n s t i t u e n t s,c h a r a c t e r i s t i

27、c s a n d t e c h n i c a l p a r a m-e t e r sa r ed e s c r i b e d.T h ea c c o m p l i s h m e n t o f t h et e s t b e n c hh a sp r o v i d e da k e y t e s t e q u i p m e n t f o r t h e d e v e l o p m e n t o f s h i e l d s a n ds h i e l d t u n n e l i n g p r o j e c t s.K e y w o r d

28、s:T e s t b e n c hS o i l p r e s s u r e b a l a n c i n gs h i e l dS l u r r yb a l a n c i n gs h i e l dC o n t r o l s y s t e mN e w R e s e a r c ho nR a t i o n a l Ma t c hb e t w e e nD i e s e l E n g i n ea n dH y d r a u l i c T o r q u e C o n v e r t e rE x t e r n a l c h a r a c t

29、 e r i s t i c so f t h r e ed e v e l o p i n gs t a g e so f d i e s e l e n-g i n e s a r e c o m p a r e d.I t i s c o n s i d e r e d t h a t t h e a n a l y s i s o n t h e m a t c hb e t w e e nn e we n g i n e sa n dt o r q u ec o n v e r t e r sw i t hc u r r e n t m a t c ht h e o r yi si

30、n a d e q u a t e.I t i ss u g g e s t e dt h a t t h em i d d l es e c t i o no fw o r k e f f i c i e n c y r a n g e o f t o r q u e c o n v e r t e r s h o u l d b e a d a p t e d t o t h em i d d l e s e c t i o n o f c o n s t a n t p o w e r c u r v e o f t h e n e we n g i n e,s o t h eh i g

31、 he f f i c i e n c yc o n d i t i o no f t o r q u ec o n v e r t e r c o u l db e s t c o i n c i d ew i t ht h e h i g hp o w e r c o n d i t i o no f e n g i n e.T a k i n go u t p u t t o r q u eo fi m p e l l e r s h a f t a s i n d e p e n d e n t v a r i a b l e,o u t p u t p o w e r c u r v

32、 e sa r ep l o t t e da n dc o m p a r e da t t h r e eo r f o u r s e l e c t e dm a t c hc o n d i t i o n sr e s p e c t i v e l y.T h e m a x i m u ma v e r a g e o u t p u t p o w e r o n e i s s e l e c t e da s t h e b e s t m a t c hc o n d i t i o n.N e we q u a t i o nt o c a l c u l a t e

33、 t h e e f f e c-t i v e d i a m e t e r o f t o r q u e c o n v e r t e r i s a l s o p r e s e n t e d.K e y w o r d s:D i e s e l e n g i n eH y d r a u l i c t o r q u e c o n v e r t e rMa t c hT e s tS y s t e m f o r Me c h a n i c a lP e r f o r ma n c e so fL o a d e r sB a s e do nV i r t

34、u a l I n s t r u me n t T e c h n o l o g yV i r t u a l i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y i s o n e o f t h e m o s t p o p u l a r t e c h n o l o-g i e s i n t e s t a n d c o n t r o l a r e a.As e t o f s c h e m e s t o d e v e l o p t e s t s y s-t e mo f m e c h a n i c a l p e r f o

35、r m a n c e s o f l o a d e r s i s s u g g e s t e db a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t.T h e s y s t e mi s d e v e l o p e d u n d e r a n e n v i r o n m e n to f L a b Wi n d o w s/C V I,i n t e g r a t i n gD A Qc o l l e c t i o n,d a t a b a s ea n dm u l t i m e d i at e c h n o l

36、 o g y,a n df u n c t i o n s s u c ha s o n l i n eh i g h-s p e e dr e a l-t i m ed a t ac o l l e c t i o n,s i g n a l a n a l y s i s,d a t a b a s em a n a g e m e n ta n de t c a r e r e a l i z e d.N o wt h e w h o l e s y s t e mh a s b e e np u t i n t o a p-p l i c a t i o n i n s o m e l

37、 a r g e c o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y e n t e r p r i s e s a n d c a nm e e t t h e v a r i o u s r e q u i r e m e n t s o f m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c et e s t i nm a n u f a c t u r e r s d u e t o i t s p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n v a l u e.K e y w o r d s:

38、V i r t u a l i n s t r u me n tL o a d e rMe c h a n i c a l p e r f o r ma n c eL a b Wi n d o w s/C V IF i n i t eE l e me n t A n a l y s i s o nt h eS t r u c t u r eo f Mo d e l T C 2 4 0 0T o w e r C r a n e C o n v e y o rAf i n i t e e l e m e n t m o d e l o f T C 2 4 0 0t o w e r c r a n

39、e c o n v e y o r i s s e t u pw i t hA N S Y Ss o f t w a r e.T h ew h o l es t r u c t u r er i g i d i t ya n ds t r e n g t ha n a l y s i s a r e c o n d u c t e d f o r f o u r d i f f e r e n t w o r k c o n d i t i o n s u n d e r t w oo p e r a t i o nm o d e s.I no r d e r t og e t m o r e

40、a c c u r a t es t r e s ss o l u t i o n,s u b-m o d e l s o f s o m ek e yp a r t ss u c ha sw o r kp l a t f o r m,p i ns h a f tc o n n e c t i o nb e t w e e ns l e wp l a t f o r ma n dt o w e r b o d y,h i g hs t r e n g t hb o l tc o n n e c t i o n sb e t w e e nt o w e rs e c t i o n sa r

41、ea l s oe s t a b l i s h e d,s t r e n g t h c o n d i t i o n s a r e v e r i f i e d.K e y w o r d s:T o w e r c r a n e c o n v e y o rF i n i t e e l e me n t me t h o dA N S Y SS u b-mo d e l me t h o dB r i e f D i s c u s s i o no nt h e U s e r F r i e n d l yD e s i g no f L o a d e r sA c

42、 c o r d i n g t o r e l a t e d t h e o r i e s i n u s e r f r i e n d l y d e s i g n a n d d e v e l o p-m e n t d e s i g np r a c t i c e o f w h e e l l o a d e r s,a s p e c t s o ns a f e t y,c o m f o r ta n de n v i r o n m e n t a l f r i e n d l i n e s s a r e d i s c u s s e d.C o n c

43、 r e t e i m p r o v e-m e n t m e a s u r e s a r e s u g g e s t e d,w h i c hi m p r o v e t h e s a f e t y a n dc o m-f o r t o f a n e wg e n e r a t i o nl o a d e r s s i g n i f i c a n t l y a n dc o m p l y w i t he n-v i r o n m e n t a l r e q u i r e m e n t s.T h i s f u l l y s h o w

44、 e d h u m a n f i r s t p h i l o s-o p h y a n d d e m o n s t r a t e d d e v e l o p i n g t r e n d o f l o a d e r s.K e y w o r d s:Wh e e l l o a d e rU s e r f r i e n d l yd e s i g nC o mf o r tE s t a b l i s h me n t o f H y d r a u l i cC y l i n d e rMo d e l i nF i n i t eE l e-me n tA n a l y s i so fR o t a r yP i l eD r i l l B a s e do nD e g r e e-o f-