基于STM32系列单片机的盘式液压制动器智能监测系统的研制.pdf

l 訇 似 基于S T M3 2 系列单片机的盘式液压制动器 智能监测系统的研制 Th e de vel opm en t of t he i nt el l i gent m oni t or i ng s ys t em o f h ydr aul i c di sk br ak e bas ed on STM 32 王丽洁 ，徐德凯 WA NG L i - j i e ．X U D e ． k a i 西安理工大学，西安 7 1 0 0 8 2 摘要盘式液压制动器是采煤机上一个重要部件，其性能的可靠程度对采煤机的稳定运行及操作人员 的人身安全至关重要。通过选用S T M3 2 F 1 0 3 单片机 ，设计了对制动器制动时的温度和磨损量 可以进行测量的硬件和软件系统，实现了摩擦材料表面温度和位移量 磨损量的在线检测及 存储，当温度和位移超出范围或摩擦材料热疲劳强度超出极限时，发出报警信号。从而提高了 采煤机运行的可靠性，具有应用价值。 关键词 采煤机；盘式液压制动器；监测系统 中图分类号 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 0 1 上 - 0 0 4 8 - 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 I ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 1 I- ． 1 4 0 引言 盘式液压 制动器是采煤机上一个重要部件 ， 相对于鼓式制动器 ，具有稳 定制动性能、力矩容 量大 、结 构紧 凑 、散 热性 好等 突 出的优 点 ，在 采煤机 、起重机 、挖掘机 等重型设备 中被广泛应 用。盘式液压制动器在坡度小于1 5 。时制动器的 负载不是很高 ，但坡度大时 由于要频繁使用，造 成 的摩擦升温问题相对要严重 ，对摩擦 片的损伤 较 大 ，而且 温升 引起 的漏 油也通 常导 致压 力不 够 。另一方面 ，如果摩擦片 的磨损量过 大，会 引 起制动性能减弱。 目前对磨损量的测量主 要是通 过采煤机后盖的孔利用深疫 尺来测量 ，人为 因素 较大 ，如果摩擦片更换的早 ，会造 成成本上 的浪 费 ，如没有及时更换摩擦片 ，会存在 着很大 的安 全 隐患 。 针对现有采煤机上盘 式液压制动器在生产应 用 中存在的不足，本文提 出研制一种能够实现在 线监 测功 能 的智能 监测 系统 。智 能监 测 系统 能 实时反映摩擦材料 的磨损量、温度分布 、热疲劳 状况 。具 有在线监测功能的制动器能够有效减少 安全隐患，使制动器的安全性 、可靠性进一步提 高，有着较高应用价值。 1 智能监测系统总体方案设计 盘式液压制动器的工作 环境 恶劣 、干扰信号 复杂，因此本 系统总体方案设计基本原则是系统 稳定可靠 、及时准确地 显示 出系统 当状况、具 备 较好的性价比。总体方案如图1 所示。 图 1智能监测系统 总体 方案 2 盘式液压制动器检测方案的设计 盘式液压制动器智能监测 系统要实现的功能 是制动器摩擦片磨损量 的实时检测和超过所设 置的磨损量时向采煤机P L C 发 出报警信号；制动器 摩擦片制动时温度的实时监测，当制动器摩擦片 高温工作时间累积到设定值时向采煤机P L C 发出报 警 。根据现有 的位移和温度的检测方法 ，本 系统 选用霍尔式传感器作为位 移测量元件 ；通过单片 机 自带 的温度传感器，测量制动器活塞与后盖之 间的密封腔环境的温度来 间接 的推算摩擦片制动 时的温度，既经济又解决了传感器的安装问题 。 3 盘 式液 压制动器智 能监测 系统 的 硬件设计 3 ． 1 单片机的选择 单片机是整个智能监测系统 的核心部件 ，负 收稿日期2 0 1 2 - 0 9 -1 1 作者简介王丽洁 1 9 7 3一，女，内蒙古包头人，副教授，硕士，研究方向为机械制造及其 自动化。 【 4 8 】 第3 5 卷第1 期2 0 1 3 0 1 上 器曰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 似 责对检测信号进行数 据处理 、显示 、存储和报警 功能 ，单片机的选用原则是在满足测试系统要求 的条件下 ，需要具有一定的灵活性和扩展功能。 本 系统 选 用S T公 司的S TM3 2 系列 单片机 。 ST M 3 2系列 基 于 专 为 要 求 高 性 能 、 低 成 本 、 低功 耗 的嵌入 式应 用专 门设 计 的ARM Co r t e x M 3内 核 。 按 性 能 分 成 两 个 不 同 的 系 列 S T M3 2 F1 0 3“ 增强型 ”系列和S T M3 2 F1 0 1“ 基 本型 ”系列 。增 强型 系列时钟频率达到7 2 MHz ， 是同类产 品中性能最高的产 品；基本型时钟频率 为3 6 MHz ，以1 6 位产 品的价格 得到 比 1 6 位 产 品 大幅提升的性能 。两个 系列都 内置3 2 K到1 2 8 K的 闪存 ，不 同的 是S RAM的最大 容量和外设 接 口的 组合 。 3 ．2位移传感器的选择 本系统采用A1 3 9 x 系列线性霍尔效应传感器 ， 其集成电路 I C提供直接与所适用磁场成 比例 的电压输出 。利用霍尔位移传感器与磁 铁间距离 的间隔而引起的 电压的变化 ，把位移的变化量转 化 成电压 的变化量 ，从而实现 电压和位移 间的转 化关系 。将磁铁 固定在活塞 中，再将传感器固定 在制动器后盖内腔 中。然后分别用l mm、2 mm、 3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm的精密 垫片来进行位移的测量 ，记录下对应位移下的数 据，然后进行数据的标定线性化 。本 系统用VC 6 ． 0 编写 了如图2 所示 的液压盘 式制动器 参数设置 软 件，使位移传感器的标 定参数和系数计算可在P C 机上 进行 。 。』 一L H ⋯ } x 啦融 鼬 “ l i i l ； ～ 嫡 ～ 5 耕 } 一 -日 1 i 丽 j 々t i～ _ i一 “ ～。__ 一 一 I } 一 “ r ～ 一 l l冀 宴 厂 憧 l 蝴．J 雌l 目 ； 端I *一 一 r 图2 液压 盘式制动器参数设置软件 3 ． 3 温度传感器 电路 温度传感器选用s T M3 2 F 1 0 3 VB T 6 单片机 自带 的 内部温度传感器 ，可用来 测量C P U 中央处理 器 及周围的温度。温度传感器在 内部和ADC X～ I N1 6 输入通道相连接 ，此通 道将传感器输 出的电 压转换成数字值 。温度传感器有采样时间 ，推荐 为 1 7 ． 1 ms 。 直 接 测量 制动 器 摩擦 片 的温 度 是很 难实 现 的 ，主 要原 因是 传感 器无 法直 接 安装在 摩擦 片 上 ，所 以只能通过测量活塞 与后盖之 间的 内腔中 空气 的温度 ，并根据温度场模型来估算摩擦片的 温度。同时检测电路部分安排了8 M字节的S P I 接 口 的F LAS H，系统每隔一分钟测一次活塞 与后盖之 间的内腔 中空气的温度，并把所 测温度和测温时 的时间记录在8 M字节的F L AS H 里 。可为验证所引 用的摩擦片温度场模型 是否与实 际现实工作情况 一 致提供实测数据支撑 。 3 ． 4 调试及上位机 电路 调试及 上位机 电路如图3 所示 ，J 2 是S T M3 2 的S WD调试接 口，为调试 和烧录程序所用 。J 3 为 U AR T串行通信接口，为标定位移传感器参数和现 场使用测试检查提供通信接 口。 J 2 j． I 2 - 豇 _ l 1} _ _ l l ‘一 一 一 CaN4 J 3 4 I II P A 9 -_ _ - ＼ r DD 1 ／ n1 n ＼ CoN } 图3调试及上位机 电路 4 盘 式液 压制动器智能监测系统的 软件设计 系统软 件设计包括单 片机初始化 、参数读入 程序 、外围器件初始化程序 、AD转换程序、采集 数据存储程序 、报警程序和上位机通信程序 。其 中单 片机初始化程序 只是实现时钟的配置 ，所用 AD转换 口的配置和I o口的配置。参数读入程序是 把位移传感器线性化 后的参数从8 M字节的S P I 接口 的F L AS H中读入到内部的R AM中为计算所测位移 做准备 。外围器件初始化程序实现对8 M字节的S P I 接 口的F L AS H进行初始化 。AD转换程序实现位移 量 的采集和温度的采集 。采集数据存储程序是把 当前采集的位移和温度存储 到数据存储器 ，为验 【 下转第5 8 页】 第3 5 卷第1 期2 0 1 3 0 1 上 [ 4 g l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 化 是 图6 m6 _ b o m s y n c c h e c k 程序逻辑图 4 结束语 根据企业 的具体需求 ，提 出了基于工作流的 动 态接 口集成方式，并具体说 明了其集成方法。 实践证 明，该方式满足企业 的业务需求，实现 了 P L M与E R P 系统之 间信息 的动态集成，保证 产品 数据的一致性、唯一性及共享性 ，提高了信息 的 传递效率，促进了企业各部 门之间的协 同工作 ， 有效的提高的企业 的生产效率 ，提 高了企业 的市 场竞争力。 参考文献 【 1 ]Z h a n g Yu ， F a n g X D． P r e d i c t an d a s s u r e t h e ma tha b l e d e g r e e i n s e l e c t i v e a s s e mb l y v i a P CI 2 b a s e d t o l e r a n c e 【 J 】 _J o u r n a l o f M an uf a c t u r i ng S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g， Tr an s ac t i ons of the AS ME ， 1 9 9 9 1 2 1 4 9 4 5 0 0． 【 2 】S t e p h e n P ． Ro b bi n s ， Ma r y Co u l t e r ． M a n a g e me n t [ M 】 ． Ts i n g h u a Un i v e r s i t y Pr e s s 2 0 01 ． [ 3 】姚建 华， 刘 H， 宋 经伟， 等． P L M和E R P 系统 集成技 术的研 究与应用 [ J 】 ． C A D ／ C A M与制造 业信息化 ，2 0 0 8 1 1 6 1 8 ． [ 4 】W F MC． T h e W o r k flo w Re f e r e n c e M o d e l ， Do c ． No ． TC0 0 1 003 ． 【 5 】蔡 昭权． 基 于P L M 的工作流管理 系统设计 与实现 [ J ] ． 计 算机工程与科学， 2 0 0 9 ， 3 1 7 1 4 7 1 5 0 ． 【 6 】朱文 华， 王大斌 ， 苏玉鹏． T e a mc e n t e r E n g i n e e r i n g 中B OM 功能 的二次开发【 J 】 ． 现代制造 工程 ，2 0 0 9 2 ， 4 0 4 4 ． 【 7 ]宋宏， 陈松桥， 杨路明． C I MS 系统集成接口的研究[ J ] ． 计算 机技术与 自动化， 2 0 0 0 ， 1 9 3 7 7 ． 8 0 ． ． ‘‘ 矗‘ 重‘ 蠢‘ 童‘ 矗I {量‘ 童‘ 昆● {重‘ 童I 蠡● 盘‘ 岛I 囊‘ 童‘ 岛‘ 出● 蠡●山． 矗I 矗‘j矗 {蠡‘ 【 上接第4 9 页】 证所 引用 的制动器摩擦片温 度场模型是否与实际 工作一致提供数据支撑。报警程序实现当摩擦片 磨损量 、摩擦片高温累计工 作时间超过所设定值 时进行报警 。上位机通信程序实现规定的通信协 议 和执行上位机的指令。盘式液压制动器智能监 测系统如图4 所示 ，智能制动器外型如 图5 所示。 图4盘式液压制动器智能检测系统 图5智能制动器外型 5 结束语 盘式液压制动器智能监 测系统 由单片机 、温 度传感器 、位移传感器、A／ D转换器、存储器、显 示器和报警器等组成。利用该 系统可以完成磨擦 [ 5 8 1 第3 5 卷第1 期2 0 1 3 0 1 上 片温 度场和磨损量 位移量 的实时测量 ，并在 磨擦 片温度和磨损量超标时发出报警信号 。盘式 液压制动器是采煤机上常用的一种重要 的安全制 动装置 ，在实际 中生产中得到广泛应用 。盘式制 动器智能监测系统的研制实现了摩擦材料表面温度 和位移量 磨损量 在线检测及存储，提高了采煤 机运行的可靠性，具有应用价值。在此基础上可以 采取相应措施增加对温度和磨损量的补偿环节，如 果能够实现检测数据的远距离传送或是实现制动器 远距离的检测，自动化程度将会更高。 参考文献 [ 1 】王永虹． 徐伟． 郝立萍． S T M3 2 系列AR M C o r t e x M3 微控制 器原理与实践[ M】 ． 北京 北京航空航天大学 出版社， 2 0 0 8 ． 【 2 ]郭列琰． 智能检 测盘式液压制动 器研制【 D】 ． 西安 西安科 技大学， 2 0 0 6 ． 【 3 】周 新建， 程安 宁， 王小伟 ． 采煤 机液压 制动 器的 改进设 计 [ J j ． 润滑 与密封， 2 0 0 3 ， 1 9 2 9 4 【 4 】赵亮， 王瑾， 周新建 ．盘 式液压制动器 智能监测 系统 的研 究 f J ] ． 铸造技术， 2 0 1 0 ， 3 1 1 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m