一种基于单片机的液压挖掘机模型控制系统的制作方法

本发明涉及一种基于单片机的液压挖掘机模型控制系统，适用于机械领域。

背景技术：

机电一体化是一个综合概念，包含了机电一体化技术和机电一体化产品两方面内容。机电一体化产品一般由机械本体系统、执行系统、检测传感系统、信息处理系统、控制系统、动力源系统六部分组成。机电一体化的核心技术包括传感技术、控制技术、软件技术、网络技术、传动技术和接口技术，因此，作为机电一体化技术专业的综合实训设备也应该能体现这两方面的特点。目前具有代表性的是自动化生产线；但由于种种原因许多院校至今无法拥有这种实训设备，为满足教学要求，只能在原有设备基础上进行技术升级改造。我校液压实训室有4套液压挖掘机模型，主要用于液压传动教学。以液压挖掘机模型为基础，加入机电一体化的几项关键技术，就可使其成为集机、电、液控制为一体的综合实训设备。改造后的实训设备，在触摸屏上触摸按钮，挖掘机模型即可产生相应的动作，并可将动作过程和结果反馈到触摸屏上显示出来。改造后的实训设备既可完成机电一体化技术的综合控制实训，又可完成液压、传感器、单片机以及组态控制等机电一体化关键技术的实训。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于单片机的液压挖掘机模型控制系统，应用传感技术、控制技术、软件技术、网络技术、传动技术和接口技术对液压挖掘机模型进行改造，使其成为应用了机电一体化几项关键技术的实训设备，可以基本上满足机电一体化技术专业综合实训的要求；并且投资少，占地小。

本发明所采用的技术方案是：所述控制系统以MCS-5l单片机为核心，采用模块化设计。主要包括触摸屏模块、单片机系统模块、挖掘机部件位置信息采集模块和挖掘机部件位置控制模块。模块化的好处是组态灵活、通用性强、硬件开发周期短、冗余量少、系统成本低；故障容易排除，排除速度快。

所述控制系统组成以MCS-51单片机为控制核心，由信号检测、电气接口、执行机构、通信接口组成。

所述控制系统以MCS-51单片机为核心组成闭环控制系统。挖掘机部件位置信息采集模块采集挖掘机大臂、小臂、挖斗和整体旋转角度，经过A/D变换送到单片机系统模块；单片机把此角度与从触摸屏送来的预置角度进行比较，同时驱动挖掘机部件位置控制模块部件产生运动，直到差值消失为止；同时，挖掘机部件位置信息通过单片机送往触摸屏进行实时显示。

所述控制系统分为触摸屏模块、单片机系统模块、挖掘机部件位置信息采集模块和挖掘机部件位置控制模块。

所述触摸屏模块主要包括上位机和触摸屏。上位机和触摸屏之间通过USB接口连接。在上位机组态软件中创建好的工程经过模拟运行后，下载到触摸屏正式运行。

所述单片机系统模块选用带程序存储器的单片机。这样单片机只要加上时钟电路和复位电路即可运行。由于检测元件检测到的信号为模拟量，在单片机P1口位置加装4通道8位模数转换芯片。为驱动电磁铁，在单片机P2口加装8通道功率放大板，放大后的信号控制电磁铁，完成换向阀换向。

所述挖掘机部件位置控制模块中，挖掘机模型在工作时，大臂、小臂、挖斗的转动角度用3个单轴倾角传感器测量，挖掘机整体的水平旋转角度用旋转电位器测量。4个传感器测量结果均为模拟量，需要通过A/D模数转换芯片转换成8位数字量才能输入单片机相应的存储单元。转换程序把数字信号转换成各工作部件的具体旋转角度，并判断其是否处于极限位置，通过RS485接口把信息送到触摸屏，不但使触摸屏上组态图形的相应部分根据工作部件旋转角度产生相应转动，而且可以把具体角度显示在图形旁边，为下一步的操作提供依据。

所述挖掘机部件位置控制模块中，挖掘机4个运动部件由双作用液压缸驱动，而4个液压缸是由4个双电控3位5通换向阀控制。控制电磁铁的通断即可控制换向阀换向。换向阀电磁铁为24V直流驱动。而单片机输出口的驱动能力显然不足，为此在单片机输出口和电磁阀之间加装8通道功率放大板，以便驱动电磁铁。这样，操作者在触摸屏上触摸使工作部件运动的按钮，触摸产生的信号通过RS485接口以通信方式传给单片机;单片机通过P2输出接口P2.0~P2.7驱动8通道功率放大板，放大板驱动换向阀，进而使大臂、小臂、挖斗和挖掘机整体产生相应的动作。

所述控制系统硬件在MCS-51单片机最小系统的基础上外接设备—触摸屏、倾角传感器、A/D转换芯片、电磁换向阀、功率放大板。

所述控制系统软件采用模块化的设计方法，主要包括触摸屏组态模块、MCS-51单片机模块和通信模块。触摸屏组态模块主要是完成与操作人员的交互功能，可以快速、方便地开发各种用于现场采集、数据处理和设备的控制；单片机模块作为数据采集及控制模块，包括系统初始化、数据的采集、数据的转换、输入信号的处理与分析，并最后给出控制系统的输出量；通信模块主要完成触摸屏和单片机之间的数据交换。3个模块的关系是:触摸屏组态模块是指挥中心，决定整个系统程序的结构和流程；单片机模块按采样的周期定时地进行采样，并接收触摸屏发送过来的命令对挖掘机进行自动控制；数据通信模块可以实现触摸屏与单片机之间数据的传输。

本发明的有益效果是：该控制系统应用传感技术、控制技术、软件技术、网络技术、传动技术和接口技术对液压挖掘机模型进行改造，使其成为应用了机电一体化几项关键技术的实训设备，可以基本上满足机电一体化技术专业综合实训的要求；并且投资少，占地小。

附图说明

图1是本发明的系统总体结构框图。

图2是本发明的系统硬件原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，控制系统以MCS-5l单片机为核心，采用模块化设计。主要包括触摸屏模块、单片机系统模块、挖掘机部件位置信息采集模块和挖掘机部件位置控制模块。模块化的好处是组态灵活、通用性强、硬件开发周期短、冗余量少、系统成本低；故障容易排除，排除速度快。

控制系统组成以MCS-51单片机为控制核心，由信号检测、电气接口、执行机构、通信接口组成。

控制系统以MCS-51单片机为核心组成闭环控制系统。挖掘机部件位置信息采集模块采集挖掘机大臂、小臂、挖斗和整体旋转角度，经过A/D变换送到单片机系统模块;单片机把此角度与从触摸屏送来的预置角度进行比较，同时驱动挖掘机部件位置控制模块部件产生运动，直到差值消失为止；同时，挖掘机部件位置信息通过单片机送往触摸屏进行实时显示。

控制系统分为触摸屏模块、单片机系统模块、挖掘机部件位置信息采集模块和挖掘机部件位置控制模块。

触摸屏模块主要包括上位机和触摸屏。上位机和触摸屏之间通过USB接口连接。在上位机组态软件中创建好的工程经过模拟运行后，下载到触摸屏正式运行。

单片机系统模块选用带程序存储器的单片机。这样单片机只要加上时钟电路和复位电路即可运行。由于检测元件检测到的信号为模拟量，在单片机P1口位置加装4通道8位模数转换芯片。为驱动电磁铁，在单片机P2口加装8通道功率放大板，放大后的信号控制电磁铁，完成换向阀换向。

挖掘机部件位置控制模块中，挖掘机模型在工作时，大臂、小臂、挖斗的转动角度用3个单轴倾角传感器测量，挖掘机整体的水平旋转角度用旋转电位器测量。4个传感器测量结果均为模拟量，需要通过A/D模数转换芯片转换成8位数字量才能输入单片机相应的存储单元。转换程序把数字信号转换成各工作部件的具体旋转角度，并判断其是否处于极限位置，通过RS485接口把信息送到触摸屏，不但使触摸屏上组态图形的相应部分根据工作部件旋转角度产生相应转动，而且可以把具体角度显示在图形旁边，为下一步的操作提供依据。

挖掘机部件位置控制模块中，挖掘机4个运动部件由双作用液压缸驱动，而4个液压缸是由4个双电控3位5通换向阀控制。控制电磁铁的通断即可控制换向阀换向。换向阀电磁铁为24V直流驱动。而单片机输出口的驱动能力显然不足，为此在单片机输出口和电磁阀之间加装8通道功率放大板，以便驱动电磁铁。这样，操作者在触摸屏上触摸使工作部件运动的按钮，触摸产生的信号通过RS485接口以通信方式传给单片机;单片机通过P2输出接口P2.0~P2.7驱动8通道功率放大板，放大板驱动换向阀，进而使大臂、小臂、挖斗和挖掘机整体产生相应的动作。

如图2，控制系统硬件在MCS-51单片机最小系统的基础上外接设备—触摸屏、倾角传感器、A/D转换芯片、电磁换向阀、功率放大板。

控制系统软件采用模块化的设计方法，主要包括触摸屏组态模块、MCS-51单片机模块和通信模块。触摸屏组态模块主要是完成与操作人员的交互功能，可以快速、方便地开发各种用于现场采集、数据处理和设备的控制；单片机模块作为数据采集及控制模块，包括系统初始化、数据的采集、数据的转换、输入信号的处理与分析，并最后给出控制系统的输出量；通信模块主要完成触摸屏和单片机之间的数据交换。3个模块的关系是:触摸屏组态模块是指挥中心，决定整个系统程序的结构和流程；单片机模块按采样的周期定时地进行采样，并接收触摸屏发送过来的命令对挖掘机进行自动控制；数据通信模块可以实现触摸屏与单片机之间数据的传输。

在上位计算机上用组态软件完成组态设计，通过USB接口下载到触摸屏。具体的组态设计过程包括以下步骤:创建工程、定义数据对象、画面制作和设备连接以及程序下载调试。