装载机卸料角检测装置及其检测方法
【专利摘要】一种装载机卸料角检测装置及其检测方法，涉及一种倾角检测装置及其检测方法，装置包括外壳、显示屏、电源按键、磁力吸盘底座、功能电路、指示灯；显示屏、电源按键、指示灯分别设在外壳上，功能电路设在外壳的内部，磁力吸盘底座连接在外壳的底部，该磁力吸盘底座吸附在装载机铲斗底面；功能电路包括电源模块、卸料角测量模块、节电处理模块、通用处理模块。方法包括步骤S1.开机；S2.安装装载机卸料角检测装置；S3.选择工作模式进行检测。本发明可实现地面安装，省时省力，消除安全隐患和误读数隐患，可实现小量程、高灵敏度测量，具有节电检测模式和通用检测模式两种工种模式，还具有便携、实用、方法简便的特点，易于推广使用。
【专利说明】
装载机卸料角检测装置及其检测方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种倾角检测装置及其检测方法，特别是一种装载机卸料角检测装置及其检测方法。
【背景技术】
[0002]卸料角是指装载机铲斗举升到最大高度并卸料时铲斗底面相对于地面的角度，由于它很大程度上反映着装载机的卸料率，受到了用户的普遍关注，是装载机的一个重要整机参数。对卸料角的检测，目前普遍使用的还是通用倾角仪，工人需要攀爬到卸载的高度，对齐定位倾角仪才能够测量。整个过程费时费力，存在一定安全风险和工人误读数的隐患，也不便于参数计算机归档。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是:提供一种装载机卸料角检测装置及其检测方法，以解决现有技术存在的工人需要攀爬到卸载高度，对齐定位倾角仪才能够测量而带来的费时费力、存在安全风险和工人误读数隐患的不足之处。
[0004]解决上述技术问题的技术方案是:一种装载机卸料角检测装置，包括外壳、显示屏、电源按键、磁力吸盘底座、功能电路、指示灯;所述的显示屏、电源按键、指示灯分别设在外壳上，功能电路设在外壳的内部，磁力吸盘底座连接在外壳的底部，该磁力吸盘底座测量时吸附在装载机铲斗底面;所述的功能电路包括电源模块、卸料角测量模块、节电处理模块、通用处理模块，其中，
所述的电源模块用于在电源按键的控制下分别为卸料角测量模块、节电处理模块、通用处理模块提供电源；
所述的卸料角测量模块用于测量装载机的卸料角，该卸料角测量模块倾斜安装在外壳内；
所述的节电处理模块的输出端与指示灯连接，该节电处理模块用于根据卸料角测量电路测量的数据与设定好的检验阀值进行比较，并输出信号驱动指示灯指示卸料角是否合格，
所述的通用处理模块的输出端与显示屏连接，该通用处理模块用于根据卸料角测量电路测量的数据，计算出装载机的卸料角，并将该卸料角在显示屏上显示。
[0005]本发明的进一步技术方案是:所述的电源按键包括电源总开关按键、工作模式选择按键;所述的电源模块包括电池充电控制模块、电池、用于输出5V电源的模拟电源稳压模块、用于输出3V电源的数字电源稳压模块;所述的电池充电控制模块的输入端与USB充电接口连接，该USB充电接口设在外壳上；电池充电控制模块的输出端与电池的输入端连接；电池通过船开关SWl与模拟电源稳压模块连接，模拟电源稳压模块还通过船开关SW2与数字电源稳压模块串接;所述的卸料角测量模块、节电处理模块与模拟电源稳压模块的输出端连接，通用处理模块与数字电源稳压模块的输出端连接;所述的电源总开关按键与船开关SWl连动，工作模式选择按键与船开关SW2连动。
[0006]本发明的进一步技术方案是:所述的卸料角测量模块包括用于测量装载机的卸料角的加速度传感器，该加速度传感器倾斜安装在外壳内，该加速度传感器与磁力吸盘底座或装载机铲斗底面的夹角β=45°。
[0007]本发明的再进一步技术方案是:所述的加速度传感器采用SCA103T单轴加速度传感器。
[0008]本发明的再进一步技术方案是:所述的节电处理模块包括阀值设定器、比较器，所述的阀值设定器用于预先设定卸料角是否合格的最小值，所述的比较器的输入端分别与卸料角测量模块、阀值设定器的输出端连接，比较器的输出端与指示灯连接;该比较器用于根据卸料角测量模块实时传送来的表征当前卸料角的电压信号与设定好的最小值进行比较，并输出逻辑电平驱动指示灯指示卸料角是否合格。
[0009]本发明的再进一步技术方案是:所述的通用处理模块包括控制器，该控制器分别通过SPI总线与卸料角测量模块、显示屏连接，用于根据卸料角测量电路测量的数据，计算出装载机的卸料角，并将该卸料角在显示屏上显示。
[0010]本发明的更进一步技术方案是:所述的外壳上还设置有操作按钮，该操作按钮包括按钮SB1、按钮SB2 ；该按钮SB1、按钮SB2的输出端分别与控制器的中断输入端连接，按钮SB1用于控制控制器在延时数秒待铲斗置于卸料状态后，通过SPI总线接收卸料角测量电路测量的数据，计算出装载机的卸料角;按钮SB2用于控制控制器将内存中的卸料角测量结果通过SPI总线发送给显示屏显示，并在数秒延时后节电熄屏。
[0011 ] 本发明的更进一步技术方案是:所述的控制器还通过无线通讯模块与上位机连接，用于完成远程控制和测量结果的上传。
[0012]本发明的更进一步技术方案是:所述的无线通讯模块包括天线;所述的显示屏采用OLED显示屏;所述的电池为单节3.7V、2000mAh锂离子电池;所述的电池充电控制模块包括TP4057电池充电控制芯片。
[0013]本发明的另一技术方案是:一种装载机卸料角检测方法，该方法包括如下步骤:
51.开机:
按下电源总开关按键，船开关SWl上电开机；
52.安装装载机卸料角检测装置:
当装载机铲斗落下处于装料位置时，通过磁力吸盘底座将装载机卸料角检测装置吸附于铲斗底面；
53.选择工作模式进行检测:
按下工作模式选择按键选择工作模式进行检测，当选择节电检测模式时，装载机卸料角检测装置随同装载机铲斗提升至卸载高度并保持卸料角度，电路中只有加速度传感器、角度阀值设定器、比较器工作，此时加速度传感器将表征当前卸料角的电压信号实时送入比较器，与设定好的检验阀值进行比较，由比较器输出的逻辑电平驱动发光管指示卸料角是否合格；当选择通用检测模式时，主程序在上电启动时完成各功能模块的初始化设置后即进入节电休眠状态，通过外壳上的各按钮或上位机发出的命令以中断的方式唤醒控制器，并在各中断服务程序中完成相应功能后返回主程序的节电休眠状态;按下按钮SB1触发进入外部中断服务程序，程序内延时数秒等待铲斗置于卸料状态后，控制器通过SPI总线，以数字信号的方式从加速度传感器中获得重力加速度在其Z轴上的投影，根据重力加速度与倾角的关系计算出装载机的卸料角，将结果存入RAM内存空间并通过控制器UART 口以协议报文的形式发送给无线通讯模块，最终传送到上位机便于数据归档;按下按钮SB2触发进入外部中断服务程序，程序则将内存中的卸料角测量结果通过SPI总线发送给显示屏显示，并在数秒延时后节电熄屏。
[0014]由于采用上述结构，本发明之装载机卸料角检测装置及其检测方法与现有技术相比，具有以下有益效果:
I.可实现地面安装，以消除安全隐患:
由于本发明之装载机卸料角检测装置包括外壳、显示屏、电源按键、磁力吸盘底座、功能电路、指示灯;其中显示屏、电源按键、指示灯分别设在外壳上，功能电路设在外壳的内部，磁力吸盘底座连接在外壳的底部，该磁力吸盘底座安装在装载机铲斗底面。所述的功能电路包括电源模块、卸料角测量模块、节电处理模块、通用处理模块，其中，卸料角测量模块倾斜安装在外壳内。
[0015]因此，本装置在出厂装配时，就已将卸料角测量模块按设定好的度数倾斜安装在外壳内。当本装配在使用时，可在装载机铲斗落下处于装料位置时，工人在地面上通过磁力吸盘底座直接将装载机卸料角检测装置吸附于铲斗底面，然后按下SB1按钮启动延时后再让铲斗在延时到时前上升并处于卸料状态，最后通过控制器即可获得卸料角信息，因而本发明避免了工人攀爬到卸载的高度，对齐定位倾角仪才能够测量的不足之处。而且整个过程省时省力，减少了安全风险;而且检测结构可直接在显示屏上显示，消除了工人误读数的隐患。
[0016]2.可实现小量程、高灵敏度测量:
由于不同型号装载机设计要求的卸料角会有所不同，但都在45±5°范围。考虑加工和装配误差后，确定实际装载机卸料角变化范围45±10°。目前小量程MEMS加速度传感器的测量范围普遍是±0.5g或土g，若直接应用于静态倾角测量，测量范围对应是±15°或±30°。而且工作原理的限制，其灵敏度和线性度随着倾角的增大而变差，导致大倾角时测量误差增大。而本装置选用SCA103T单轴加速度传感器，通过调整传感器安装角度，可实现45 土 10°小量程，高灵敏度的卸料角测量。在卸料角测量时，测量装置通过磁力吸盘底座吸附于装载机铲斗底面，设计安装传感器使其与底座面夹角β=45°放置。此时重力加速度g在传感器Z轴方向上的投影为:g*sin(a+0-9O° )=g*sin(a-45。)，对卸料角的灵敏度为:g*cos(a-45° )，可见卸料角在45°附近时装置灵敏度最大。
[0017]3.可实现节电检测模式和通用检测模式两种工种模式:
本装置不仅能够在节电检测模式下的完成卸料角的快速合格检验，还能在通用检测模式下实现卸料角的精确测量、显示、结果无线上传。当船开关SW2断开时，装置处于节电检验模式。该模式下只有加速度传感器、阀值设定器、比较器工作。卸料角是否合格的最小值即检验阀值可以通过设定器预先设定;检验时加速度传感器将表征当前卸料角的电压信号实时送入比较器，与设定好的检验阀值进行比较，由比较器输出的逻辑电平驱动发光管指示卸料角是否合格。当船开关SW2闭合时，装置进入通用检测模式。按键SB1按下，延时数秒待铲斗置于卸料状态后，控制器通过SPI总线，以数字信号的方式从传感器中获得重力加速度在其Z轴上的投影，根据上述的重力加速度与倾角的关系计算出装载机的卸料角，并将结果通过控制器UART 口以协议报文的形式发送给无线通讯模块，最终传送到上位机便于数据归档。控制器与显示屏通过SPI总线连接，按钮SB2可以控制显示屏的结果显示和节电熄屏。
[0018]4.便携、实用
本装置属便携设备，内置单节3.7V/2000mAh锂离子电池供电，USB充电接口可外接计算机USB或适配器电源，内部的电池充电控制芯片TP4057完成电池的充电管理，并具有过温保护，电压反接保护功能。
[0019]5.方法简便
本发明通过外壳上的按钮和按键即可实现整个过程的操作，其方法比较简便。
[0020]6.易于推广使用
本发明专门针对装载机卸料角设计，非常适合于装载机卸料角的检测。
[0021]下面，结合附图和实施例对本发明之装载机卸料角检测装置及其检测方法的技术特征作进一步的说明。
【附图说明】
[0022]图1:实施例一所述本发明之装载机卸料角检测装置的结构示意图，
图2:实施例一加速度传感器与磁力吸盘底座之间的安装位置关系示意图，
图3:实施例一所述本发明之装载机卸料角检测装置的电路原理结构示意图；
图4:实施例二所述本发明之装载机卸料角检测方法在通用检测模式下的主程序和各中断服务程序流程图。
[0023]在上述附图中，各附图标记说明如下:
1_外壳，2_显不屏，3_天线，
4-操作按钮，401-按钮SB1，402-按钮SB2，
5-电源按键，501-电源总开关按键，502-工作模式选择按键，
6-磁力吸盘底座，7-USB充电接口，8-功能电路，9-指示灯。
[0024]图2中，各字母表示如下:
A:水平面，B:铲斗底面，C:加速度传感器安装面，
S，重力加速度α:水平面与装载机铲斗底面夹角， β:装载机铲斗底面与加速度传感器安装面夹角，
Θ:传感器安装面与重力加速度的夹角。
【具体实施方式】
[0025]实施例一
一种装载机卸料角检测装置，包括外壳1、显示屏2、电源按键5、磁力吸盘底座6、USB充电接口 7、功能电路8、指示灯9;
所述的外壳I为金属防水外壳，显示屏2采用OLED显示屏，电源按键5包括电源总开关按键501、工作模式选择按键502，所述的指示灯9采用LED指示灯。
[0026]上述的电源按键5、USB充电接口7、指示灯9分别设在外壳I上，功能电路8设在外壳I的内部，磁力吸盘底座6连接在外壳I的底部，该磁力吸盘底座6安装在装载机铲斗底面;所述的功能电路8包括电源模块、卸料角测量模块、节电处理模块、通用处理模块，其中， 所述的电源模块用于在电源按键的控制下分别为卸料角测量模块、节电处理模块、通用处理模块提供电源，该电源模块包括电池充电控制模块、电池、用于输出5V电源的模拟电源稳压模块、用于输出3V电源的数字电源稳压模块;所述的电池充电控制模块的输入端与USB充电接口 7连接，USB充电接口可外接计算机USB或适配器电源；电池充电控制模块的输出端与电池的输入端连接;电池通过船开关SWI与模拟电源稳压模块连接，模拟电源稳压模块还通过船开关SW2与数字电源稳压模块串接;所述的卸料角测量模块、节电处理模块与模拟电源稳压模块的输出端连接，通用处理模块与数字电源稳压模块的输出端连接;所述的电源总开关按键与船开关SWl连动，工作模式选择按键与船开关SW2连动。所述的电池为单节3.7V、2000mAh锂离子电池；电池充电控制模块包括TP4057电池充电控制芯片，该TP4057电池充电控制芯片可完成电池的充电管理，并具有过温保护，电压反接保护功能。
[0027]所述的卸料角测量模块用于测量装载机的卸料角，该卸料角测量模块包括加速度传感器，该加速度传感器采用SCA103T单轴加速度传感器，加速度传感器倾斜安装在外壳内，加速度传感器与磁力吸盘底座或装载机铲斗底面的夹角β=45°。此时重力加速度g在加速度传感器Z轴方向上的投影为:g*sin(a+0-9O° )=g*sin(a-45° )，对卸料角的灵敏度为:g*cos(a-45° )，可见卸料角在45°附近时装置灵敏度最大。
[0028]所述的节电处理模块的输出端与指示灯连接，该节电处理模块用于根据卸料角测量电路测量的数据与设定好的最小值进行比较，并输出信号驱动指示灯指示卸料角是否合格，所述的节电处理模块包括阀值设定器、比较器，其中阀值设定器用于预先设定卸料角是否合格的最小值(即检验阀值)，所述的比较器的输入端分别与卸料角测量模块、阀值设定器的输出端连接，比较器的输出端与指示灯连接;该比较器用于根据卸料角测量模块实时传送来的表征当前卸料角的电压信号与设定好的最小值进行比较，并输出逻辑电平驱动指示灯指示卸料角是否合格。
[0029]所述的通用处理模块的输出端与显示屏连接，该通用处理模块用于根据卸料角测量电路测量的数据，计算出装载机的卸料角，并将该卸料角在显示屏上显示。所述的通用处理模块包括控制器，该控制器分别通过SPI总线与卸料角测量模块、显示屏连接，用于根据卸料角测量电路测量的数据，计算出装载机的卸料角，并将该卸料角在显示屏上显示。所述的控制器还通过无线通讯模块与上位机连接，用于完成远程控制和测量结果的上传，该无线通讯模块包括天线。
[0030]所述的外壳上还设置有操作按钮4，该操作按钮4包括按钮SBdOl、按钮SB2402 ；该按钮SBi401、按钮SB2402的输出端分别与控制器的中断输入端还连接，按钮SB1用于控制控制器在延时8秒待铲斗置于卸料状态后，通过SPI总线，以数字信号的方式从加速度传感器中获得重力加速度在其Z轴上的投影，根据上述的重力加速度与倾角的关系计算出装载机的卸料角，并将结果通过控制器UART 口以协议报文的形式发送给无线通讯模块，最终传送到上位机便于数据归档。按钮SB2用于控制控制器将内存中的卸料角测量结果通过SPI总线发送给显示屏显示，并在数秒延时后节电熄屏。
[0031]实施例二
一种装载机卸料角检测方法，该方法包括如下步骤:
S1.开机:
按下电源总开关按键，船开关SWl上电开机，观察显示屏确认装载机卸料角检测装置正常工作；
52.安装装载机卸料角检测装置:
当装载机铲斗落下处于装料位置时，通过磁力吸盘底座将装载机卸料角检测装置吸附于铲斗底面，调节装载机卸料角检测装置放置角度使之与铲斗底面焊缝对齐；
53.选择工作模式进行检测:
按下工作模式选择按键选择工作模式进行检测，当选择节电检测模式时，装载机卸料角检测装置随同装载机铲斗提升至卸载高度并保持卸料角度，电路中只有加速度传感器、角度阀值设定器、比较器工作，此时加速度传感器将表征当前卸料角的电压信号实时送入比较器，与设定好的检验阀值进行比较，由比较器输出的逻辑电平驱动发光管指示卸料角是否合格；当选择通用检测模式时，主程序在上电启动时完成各功能模块的初始化设置后即进入节电休眠状态，通过外壳上的各按钮或上位机发出的命令以中断的方式唤醒控制器，并在各中断服务程序中完成相应功能后返回主程序的节电休眠状态;按下按钮SB1触发进入外部中断服务程序，程序内延时8秒等待铲斗置于卸料状态后，控制器通过SPI总线，以数字信号的方式从加速度传感器中获得重力加速度在其Z轴上的投影，根据重力加速度与倾角的关系计算出装载机的卸料角，将结果存入RAM内存空间并通过控制器UART 口以协议报文的形式发送给无线通讯模块，最终传送到上位机便于数据归档;按下按钮SB2触发进入外部中断服务程序，程序则将内存中的卸料角测量结果通过SPI总线发送给显示屏显示，并在5秒延时后节电熄屏。上位机通过无线通讯模块向装置发送检测命令，触发进入UART中断服务程序，控制器实时地获取传感器加速度信号将计算出的卸料角保存至内存并通过无线通讯模块反馈给上位机。
【主权项】
1.一种装载机卸料角检测装置，其特征在于:包括外壳(I)、显示屏(2)、电源按键(5)、磁力吸盘底座(6)、功能电路(8)、指示灯(9);所述的显示屏(2)、电源按键(5)、指示灯(9)分别设在外壳(I)上，功能电路(8)设在外壳(I)的内部，磁力吸盘底座(6)连接在外壳(I)的底部，该磁力吸盘底座(6)测量时吸附在装载机铲斗底面;所述的功能电路(8)包括电源模块、卸料角测量模块、节电处理模块、通用处理模块，其中， 所述的电源模块用于在电源按键的控制下分别为卸料角测量模块、节电处理模块、通用处理模块提供电源； 所述的卸料角测量模块用于测量装载机的卸料角，该卸料角测量模块倾斜安装在外壳内； 所述的节电处理模块的输出端与指示灯连接，该节电处理模块用于根据卸料角测量电路测量的数据与设定好的检验阀值进行比较，并输出信号驱动指示灯指示卸料角是否合格， 所述的通用处理模块的输出端与显示屏连接，该通用处理模块用于根据卸料角测量电路测量的数据，计算出装载机的卸料角，并将该卸料角在显示屏上显示。2.根据权利要求1所述的装载机卸料角检测装置，其特征在于:所述的电源按键(5)包括电源总开关按键(501)、工作模式选择按键(502);所述的电源模块包括电池充电控制模块、电池、用于输出5V电源的模拟电源稳压模块、用于输出3V电源的数字电源稳压模块;所述的电池充电控制模块的输入端与USB充电接口( 7 )连接，该USB充电接口( 7 )设在外壳(I)上；电池充电控制模块的输出端与电池的输入端连接;电池通过船开关SWI与模拟电源稳压模块连接，模拟电源稳压模块还通过船开关SW2与数字电源稳压模块串接;所述的卸料角测量模块、节电处理模块与模拟电源稳压模块的输出端连接，通用处理模块与数字电源稳压模块的输出端连接;所述的电源总开关按键与船开关SWl连动，工作模式选择按键与船开关SW2连动。3.根据权利要求1所述的装载机卸料角检测装置，其特征在于:所述的卸料角测量模块包括用于测量装载机的卸料角的加速度传感器，该加速度传感器倾斜安装在外壳内，该加速度传感器与磁力吸盘底座或装载机铲斗底面的夹角β=45°。4.根据权利要求3所述的装载机卸料角检测装置，其特征在于:所述的加速度传感器采用SCA103T单轴加速度传感器。5.根据权利要求2所述的装载机卸料角检测装置，其特征在于:所述的节电处理模块包括阀值设定器、比较器，所述的阀值设定器用于预先设定卸料角是否合格的最小值，所述的比较器的输入端分别与卸料角测量模块、阀值设定器的输出端连接，比较器的输出端与指示灯连接;该比较器用于根据卸料角测量模块实时传送来的表征当前卸料角的电压信号与设定好的最小值进行比较，并输出逻辑电平驱动指示灯指示卸料角是否合格。6.根据权利要求2所述的装载机卸料角检测装置，其特征在于:所述的通用处理模块包括控制器，该控制器分别通过SPI总线与卸料角测量模块、显示屏连接，用于根据卸料角测量电路测量的数据，计算出装载机的卸料角，并将该卸料角在显示屏上显示。7.根据权利要求6所述的装载机卸料角检测装置，其特征在于:所述的外壳上还设置有操作按钮(4)，该操作按钮(4)包括按钮SBiUOl)、按钮SB2(402);该按钮SB1UOlh按钮SB2(402)的输出端分别与控制器的中断输入端连接，按钮SB1用于控制控制器在延时数秒待铲斗置于卸料状态后，通过SPI总线接收卸料角测量电路测量的数据，计算出装载机的卸料角；按钮SB2用于控制控制器将内存中的卸料角测量结果通过SPI总线发送给显示屏显示，并在数秒延时后节电熄屏。8.根据权利要求7所述的装载机卸料角检测装置，其特征在于:所述的控制器还通过无线通讯模块与上位机连接，用于完成远程控制和测量结果的上传。9.根据权利要求8所述的装载机卸料角检测装置，其特征在于:所述的无线通讯模块包括天线;所述的显示屏采用OLED显示屏;所述的电池为单节3.7V、2000mAh锂离子电池;所述的电池充电控制模块包括TP4057电池充电控制芯片。10.一种装载机卸料角检测方法，其特征在于:该方法包括如下步骤: S1.开机: 按下电源总开关按键，船开关SWl上电开机； S2.安装装载机卸料角检测装置: 当装载机铲斗落下处于装料位置时，通过磁力吸盘底座将装载机卸料角检测装置吸附于铲斗底面； S3.选择工作模式进行检测: 按下工作模式选择按键选择工作模式进行检测，当选择节电检测模式时，装载机卸料角检测装置随同装载机铲斗提升至卸载高度并保持卸料角度，电路中只有加速度传感器、角度阀值设定器、比较器工作，此时加速度传感器将表征当前卸料角的电压信号实时送入比较器，与设定好的检验阀值进行比较，由比较器输出的逻辑电平驱动发光管指示卸料角是否合格；当选择通用检测模式时，主程序在上电启动时完成各功能模块的初始化设置后即进入节电休眠状态，通过外壳上的各按钮或上位机发出的命令以中断的方式唤醒控制器，并在各中断服务程序中完成相应功能后返回主程序的节电休眠状态;按下按钮SB1触发进入外部中断服务程序，程序内延时数秒等待铲斗置于卸料状态后，控制器通过SPI总线，以数字信号的方式从加速度传感器中获得重力加速度在其Z轴上的投影，根据重力加速度与倾角的关系计算出装载机的卸料角，将结果存入RAM内存空间并通过控制器UART 口以协议报文的形式发送给无线通讯模块，最终传送到上位机便于数据归档;按下按钮SB2触发进入外部中断服务程序，程序则将内存中的卸料角测量结果通过SPI总线发送给显示屏显示，并在数秒延时后节电熄屏。
【文档编号】G01B21/22GK105937897SQ201610536542
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】梁蔓安, 徐武彬, 花庆宝, 王国安, 李冰, 莫琦, 靳龙, 何锐波, 彭迪, 张铖林, 李易泽
【申请人】广西科技大学, 广西柳工机械股份有限公司