一種輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣東霖，鄭家龍

(長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春 130032)

1 設(shè)計(jì)背景

隨著科技的發(fā)展和人們對(duì)輪胎的相關(guān)領(lǐng)域的認(rèn)知度增加，輪胎在車輛機(jī)械工程、農(nóng)業(yè)機(jī)械工程和航空工程中的生產(chǎn)要求也逐漸提升，人們對(duì)輪胎本身特性的研究需求也日益增高。

輪胎運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是在輪胎生產(chǎn)制造中相當(dāng)重要的數(shù)據(jù)之一。輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在車輛的牽引性能、制動(dòng)性能、仿真性能等研究中有重要意義。輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量擁有兩種形式：一種是繞輪胎的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值，另一種是輪胎在做側(cè)偏運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。據(jù)調(diào)查，測量輪胎的側(cè)偏運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)值的儀器有一定的技術(shù)欠缺，設(shè)計(jì)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)機(jī)可以彌補(bǔ)這一空白。為了使這種試驗(yàn)機(jī)能夠更準(zhǔn)確、自動(dòng)化地完成數(shù)據(jù)采集與分析，本文做出如下設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)機(jī)的工作原理是依靠控制電機(jī)和電磁離合器來啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，而電機(jī)如果是人為手工操作，只能做到粗略的數(shù)據(jù)采集，使最后算出的值擁有很大的容差值。為了使試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)更加精確，本電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用單片機(jī)控制系統(tǒng)，加上裝配其他相關(guān)元件在試驗(yàn)機(jī)的每一個(gè)數(shù)據(jù)裝置接口，使電機(jī)易于控制，并且控制更加精準(zhǔn)，精確度達(dá)到1度，以達(dá)到精確的測量輪胎側(cè)偏運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，更好地服務(wù)于機(jī)械領(lǐng)域。

2 總體設(shè)計(jì)方案

在電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，集成電路芯片選擇單片機(jī)控制。單片機(jī)選擇AT89S51，因?yàn)閱纹瑱C(jī)AT89S51的性能相當(dāng)優(yōu)越，是一種低功耗的具有4KB在線課編程Flash存儲(chǔ)器的單片機(jī)。它與通用80C51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)和引腳兼容。片內(nèi)的Flash可允許在線重新編程，也可使用非易失性存儲(chǔ)器編程。它將通用CPU和在線可編程Flash集成在一個(gè)芯片上，形成了功能強(qiáng)大、使用靈活和具有較高性能性價(jià)比的微控制器。選擇此芯片可以靈活地與藍(lán)牙接收器、LED等元件串聯(lián)在一起，使系統(tǒng)更加便捷。

在編譯程序之前，構(gòu)思程序設(shè)計(jì)流程圖，決定好先后邏輯順序，再根據(jù)流程畫出電路原理圖。編譯仿真軟件選擇使用Keil進(jìn)行編譯，Keil2的優(yōu)點(diǎn)是可以直接編譯C語言程序，雖然C語言的代碼效率比匯編要低，占用空間大，但C語言可以開發(fā)很復(fù)雜的程序，可以輕松實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算。在程序編譯之后進(jìn)行仿真調(diào)試、錄入調(diào)試等，仿真軟件選擇Protel 99se進(jìn)行仿真，方便檢查系統(tǒng)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。

所需設(shè)備還裝配有LED燈、舵機(jī)和藍(lán)牙接收器等。其中，LED燈的作用是用來客觀地表現(xiàn)出整體試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部裝置是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)想位置，當(dāng)舵機(jī)到達(dá)預(yù)定位置1時(shí)燈滅，當(dāng)舵機(jī)到達(dá)預(yù)定位置2時(shí)燈亮，從而客觀表現(xiàn)出虛擬的電控系統(tǒng)的進(jìn)程。藍(lán)牙的作用是收發(fā)數(shù)據(jù)，將設(shè)定好的時(shí)間等數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)中，啟動(dòng)程序的運(yùn)行。舵機(jī)在本試驗(yàn)機(jī)中連接電磁離合器，舵機(jī)帶動(dòng)單片式電磁離合器，使得彈性桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)。精確地控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)速在整個(gè)裝置中有很重要的意義，所以需要通過單片機(jī)電控系統(tǒng)準(zhǔn)確控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。整個(gè)電控系統(tǒng)的工作流程為：首先單片機(jī)通過接受藍(lán)牙傳遞來的命令，輸入命令之后，通過編譯的程序，把輸出的數(shù)據(jù)傳遞到舵機(jī)，控制舵機(jī)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速，完成后將數(shù)據(jù)輸出到相關(guān)元件，并由LED燈的亮滅來客觀顯示程序進(jìn)行到哪一流程。由于單片機(jī)控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出，減少了人員的手動(dòng)操作，也減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的誤差，達(dá)到準(zhǔn)確、自動(dòng)地控制儀器，并獲取相對(duì)精確的最終測量結(jié)果的目的。

編譯程序如下：

/*******************************************

UNO與藍(lán)牙接口 VCC--+5V GND--GND TX--RX RX--TX

UNO與舵機(jī)接口 VCC--紅色線 GND--黑色線 9--黃色線

UNO與LED接口 7--LED正 6--LED負(fù)

*******************************************/

#include

第一方面：營造幽靜舒適物理環(huán)境，如可提供多種休閑空間(雙人的、小組型、大型的)，在休閑空間配置便捷的電腦、投影儀等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；并在休閑空間配有桌椅、沙發(fā)、臺(tái)燈，擺放都是可以移動(dòng)的。為大學(xué)生網(wǎng)絡(luò)休閑活動(dòng)開展提供活動(dòng)場所，提供便利的客觀條件，以彌補(bǔ)大學(xué)生休閑設(shè)備的缺失。如武漢大學(xué)圖書館開辟雙人“卡座”、“研修室”、“音樂廳”，嶄新的沙發(fā)配上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以備大學(xué)生學(xué)習(xí)休閑之用。

unsigned char Rcv_data=0; //存放藍(lán)牙接收命令

Servo myservo;

unsigned char Position1=80; //位置1定義在80度，可根據(jù)實(shí)際情況改動(dòng)

unsigned char Position2=110; //位置2定義在110度，可根據(jù)實(shí)際情況改動(dòng)

void LED_ON() //LED亮

{ digitalWrite(9, LOW);digitalWrite(10, HIGH);

}

void LED_Off() //LED滅

}

void setup()

{

pinMode(9, OUTPUT); //pin9為輸出模式

pinMode(10, OUTPUT); //pin10為輸出模式

Serial.begin(9600); //串口波特率9600

myservo.attach(9); //pin9驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)

myservo.write(Position2);//先使伺服電機(jī)處于位置2

delay(500); //延時(shí)0.5秒

}

void loop()

{

while(Serial.available() )

{

Rcv_data = Serial.read();//讀取接收到的命令

Serial.println(Rcv_data);//串口數(shù)據(jù)回傳

if (Rcv_data==‘U’) LED_ON();

if (Rcv_data==‘V’) LED_Off();

if (Rcv_data==‘X’) myservo.write(Position1);

if (Rcv_data==‘Y’) myservo.write(Position2);

}

}

3 結(jié)構(gòu)原理分析

3.1 工作原理

設(shè)備通過單片機(jī)控制舵機(jī)達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)單片式電磁離合器,使彈性桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速、規(guī)定位置之后，通過電控系統(tǒng)的控制，停止對(duì)電機(jī)供電，使單片式電磁離合器中間松脫，彈性桿恢復(fù)形變，從而帶動(dòng)彈性桿中部螺紋桿兩側(cè)的輪胎做類似側(cè)偏運(yùn)動(dòng)。并且當(dāng)試驗(yàn)機(jī)未到達(dá)預(yù)先規(guī)定好的位置1時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)控制時(shí)LED燈斷電，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)的舵機(jī)到達(dá)規(guī)定位置2時(shí)，控制系統(tǒng)使LED燈通電發(fā)光。整個(gè)裝置將會(huì)通過安放在螺紋桿一端的霍爾開關(guān)記錄次數(shù)。通過記錄的這些數(shù)據(jù)，運(yùn)用相應(yīng)公式就可以把輪胎做側(cè)偏運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量準(zhǔn)確地計(jì)算出來。

3.2 電路原理圖

通過電控系統(tǒng)的工作原理，構(gòu)思出電路原理圖,如圖1所示。

圖1 電路原理圖

3.3 程序設(shè)計(jì)流程圖

圖2 程序流程圖

4 結(jié)語

本試驗(yàn)機(jī)電控系統(tǒng)可以讓輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)機(jī)更加準(zhǔn)確、自動(dòng)化地完成測量工作，并可以將裝置的進(jìn)程反映到LED燈的亮、滅兩種狀態(tài)上，能更方便地從LED燈中的信息反映出輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)機(jī)的工作狀態(tài)。并且，本系統(tǒng)能更有效、更精確地控制舵機(jī)達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到舵機(jī)帶動(dòng)單片式電磁離合器的精準(zhǔn)度要求。綜上所述，該輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用此控制系統(tǒng)一定會(huì)達(dá)到更好、更精準(zhǔn)的效果。

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