基于STM32系列單片機的盤式液壓制動器智能監測系統的研制

王麗潔，徐德凱

（西安理工大學，西安 710082）

0 引言

盤式液壓制動器是采煤機上一個重要部件，相對于鼓式制動器，具有穩定制動性能、力矩容量大、結構緊湊、散熱性好等突出的優點，在采煤機、起重機、挖掘機等重型設備中被廣泛應用。盤式液壓制動器在坡度小于15°時制動器的負載不是很高，但坡度大時由于要頻繁使用，造成的摩擦升溫問題相對要嚴重，對摩擦片的損傷較大，而且溫升引起的漏油也通常導致壓力不夠。另一方面，如果摩擦片的磨損量過大，會引起制動性能減弱。目前對磨損量的測量主要是通過采煤機后蓋的孔利用深度尺來測量，人為因素較大，如果摩擦片更換的早，會造成成本上的浪費，如沒有及時更換摩擦片，會存在著很大的安全隱患。

針對現有采煤機上盤式液壓制動器在生產應用中存在的不足，本文提出研制一種能夠實現在線監測功能的智能監測系統。智能監測系統能實時反映摩擦材料的磨損量、溫度分布、熱疲勞狀況。具有在線監測功能的制動器能夠有效減少安全隱患，使制動器的安全性、可靠性進一步提高，有著較高應用價值。

1 智能監測系統總體方案設計

盤式液壓制動器的工作環境惡劣、干擾信號復雜，因此本系統總體方案設計基本原則是系統穩定可靠、及時準確地顯示出系統當狀況、具備較好的性價比。總體方案如圖1所示。

圖1 智能監測系統總體方案

2 盤式液壓制動器檢測方案的設計

盤式液壓制動器智能監測系統要實現的功能是：制動器摩擦片磨損量的實時檢測和超過所設置的磨損量時向采煤機PLC發出報警信號；制動器摩擦片制動時溫度的實時監測，當制動器摩擦片高溫工作時間累積到設定值時向采煤機PLC發出報警。根據現有的位移和溫度的檢測方法，本系統選用霍爾式傳感器作為位移測量元件；通過單片機自帶的溫度傳感器，測量制動器活塞與后蓋之間的密封腔環境的溫度來間接的推算摩擦片制動時的溫度，既經濟又解決了傳感器的安裝問題。

3 盤式液壓制動器智能監測系統的硬件設計

3.1 單片機的選擇

單片機是整個智能監測系統的核心部件，負責對檢測信號進行數據處理、顯示、存儲和報警功能，單片機的選用原則是在滿足測試系統要求的條件下，需要具有一定的靈活性和擴展功能。

本系統選用ST公司的STM32系列單片機。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最高的產品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產品的價格得到比16位產品大幅提升的性能。兩個系列都內置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設接口的組合。

3.2 位移傳感器的選擇

本系統采用A139x系列線性霍爾效應傳感器，其集成電路（IC）提供直接與所適用磁場成比例的電壓輸出。利用霍爾位移傳感器與磁鐵間距離的間隔而引起的電壓的變化，把位移的變化量轉化成電壓的變化量，從而實現電壓和位移間的轉化關系。將磁鐵固定在活塞中，再將傳感器固定在制動器后蓋內腔中。然后分別用1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm的精密墊片來進行位移的測量，記錄下對應位移下的數據，然后進行數據的標定線性化。本系統用VC6.0編寫了如圖2所示的液壓盤式制動器參數設置軟件，使位移傳感器的標定參數和系數計算可在PC機上進行。

圖2 液壓盤式制動器參數設置軟件

3.3 溫度傳感器電路

溫度傳感器選用STM32F103VBT6單片機自帶的內部溫度傳感器，可用來測量CPU（中央處理器）及周圍的溫度。溫度傳感器在內部和ADCX_IN16輸入通道相連接，此通道將傳感器輸出的電壓轉換成數字值。溫度傳感器有采樣時間，推薦為17.1ms。

直接測量制動器摩擦片的溫度是很難實現的，主要原因是傳感器無法直接安裝在摩擦片上，所以只能通過測量活塞與后蓋之間的內腔中空氣的溫度，并根據溫度場模型來估算摩擦片的溫度。同時檢測電路部分安排了8M字節的SPI接口的FLASH，系統每隔一分鐘測一次活塞與后蓋之間的內腔中空氣的溫度，并把所測溫度和測溫時的時間記錄在8M字節的FLASH里。可為驗證所引用的摩擦片溫度場模型是否與實際現實工作情況一致提供實測數據支撐。

3.4 調試及上位機電路

調試及上位機電路如圖3所示，J2是STM32的SWD調試接口，為調試和燒錄程序所用。J3為UART串行通信接口，為標定位移傳感器參數和現場使用測試檢查提供通信接口。

圖3 調試及上位機電路

4 盤式液壓制動器智能監測系統的軟件設計

系統軟件設計包括單片機初始化、參數讀入程序、外圍器件初始化程序、AD轉換程序、采集數據存儲程序、報警程序和上位機通信程序。其中單片機初始化程序只是實現時鐘的配置，所用AD轉換口的配置和IO口的配置。參數讀入程序是把位移傳感器線性化后的參數從8M字節的SPI接口的FLASH中讀入到內部的RAM中為計算所測位移做準備。外圍器件初始化程序實現對8M字節的SPI接口的FLASH進行初始化。 AD轉換程序實現位移量的采集和溫度的采集。采集數據存儲程序是把當前采集的位移和溫度存儲到數據存儲器，為驗證所引用的制動器摩擦片溫度場模型是否與實際工作一致提供數據支撐。報警程序實現當摩擦片磨損量、摩擦片高溫累計工作時間超過所設定值時進行報警。上位機通信程序實現規定的通信協議和執行上位機的指令。盤式液壓制動器智能監測系統如圖4所示，智能制動器外型如圖5所示。

圖4 盤式液壓制動器智能檢測系統

圖5 智能制動器外型

5 結束語

盤式液壓制動器智能監測系統由單片機、溫度傳感器、位移傳感器、A/D轉換器、存儲器、顯示器和報警器等組成。利用該系統可以完成磨擦片溫度場和磨損量（位移量）的實時測量，并在磨擦片溫度和磨損量超標時發出報警信號。盤式液壓制動器是采煤機上常用的一種重要的安全制動裝置，在實際中生產中得到廣泛應用。盤式制動器智能監測系統的研制實現了摩擦材料表面溫度和位移量（磨損量）在線檢測及存儲，提高了采煤機運行的可靠性，具有應用價值。在此基礎上可以采取相應措施增加對溫度和磨損量的補償環節，如果能夠實現檢測數據的遠距離傳送或是實現制動器遠距離的檢測，自動化程度將會更高。

[1] 王永虹.徐偉.郝立萍.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[2] 郭列琰.智能檢測盤式液壓制動器研制[D].西安:西安科技大學,2006.

[3] 周新建,程安寧,王小偉.采煤機液壓制動器的改進設計[J].潤滑與密封,2003,(1):92-94

[4] 趙亮,王瑾,周新建.盤式液壓制動器智能監測系統的研究[J].鑄造技術,2010,31(10).