便攜式叉車屬具夾緊力測試儀研制

方錫崗 周孟然 胡鋒

摘要：針對傳統的叉車屬具常常難以選擇合適的夾緊力來滿足現階段倉儲貨運和工廠對于搬運不同重量的多種貨物的需求，設計提出了一種便攜式夾緊力測試儀來實現夾緊力的實時測量。該測試儀以STM32為核心控制單元，通過壓力傳感器，轉換模塊，信號調理模塊，AD模塊將壓力模擬信號轉化為相應的可讀數字信號;還包括了觸摸屏模塊，可以通過觸摸屏設定和實時顯示夾緊力的大小等數據。有效的解決了在貨物的搬運和裝卸過程中無法實時掌握叉車屬具夾緊力大小的問題，可以滿足現代倉儲貨運和工廠的多元化需求，具有良好的社會經濟價值和廣泛的推廣應用前景。

關鍵詞：叉車屬具;便攜式測量儀;夾緊力檢測;智能化;倉儲貨運

中圖分類號：TH2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）03-0013-02

0 引言

隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，物流行業和倉儲貨運行業等需要搬運和裝卸的貨物也越來越多，種類也越來越復雜[1]。傳統的叉車屬具所面臨的工況[2-3]：一方面是商家為了節省成本，包裝材料低成本化;另一方需面對各種不同重量的貨物，以及搬動、堆垛情況各異，還有可能出現貨物混合搬運情況。為避免對產品造成損壞，這對夾緊力提出了更高的要求。如何通過便利的設備迅速精準地根據夾持貨物情況選擇合適的叉車屬具夾緊力，避免人為判斷失誤造成貨物受損。而叉車屬具夾緊力的控制常常根據操作人員的經驗來調整，大大降低了現場工作效率[4-5]。同時一些常規的壓力測量設備體積較大，攜帶不方便，不適用于需要頻繁更換工作地點的叉車設備?？紤]到以上一系列問題，研發了一種基于STM32的便攜式夾緊力測試儀。便攜式夾緊力測試儀是以微處理器為基礎，配有可人機交互的觸摸屏，通過電池供電的智能壓力檢測儀表。因為其體積上的便攜性，在遠離貨倉時仍然能可靠地工作，極大的提高了工作范圍。

1 系統總體方案設計

便攜式夾緊力測試儀主要由硬件系統和軟件系統組成，硬件系統主要由手持終端和采集終端組成，其中手持終端主要由微處理器模型、觸屏模塊、AD轉換模塊和電源模塊1組成，采集終端主要由壓力傳感器（一個或者多個）、壓力轉換模塊、信號調理模塊和電源模塊2組成;軟件系統主要由微處理器的系統及IO端口初始化子程序、觸摸屏初始化子程序、觸摸屏人機交互子程序、AD模塊讀寫子程序以及壓力換算子程序等組成。系統硬件部分的總體框圖如圖1所示。

本系統的工作流程為：通過觸摸屏選擇需要測量的數據，STM32根據指令進行初始化操作，壓力轉換模塊通過壓力傳感器將夾緊力的大小轉化為模擬信號并通過信號調理模塊的調理放大后，傳入AD模塊中;AD模塊將模擬信號轉化為處理器能讀懂的數字信號，最終處理器通過對信號的讀取和處理將夾緊力的大小實時顯示在屏幕上。

2 系統硬件設計

2.1 信號采集與處理

該部分包括壓力傳感器、壓力轉換模塊、信號調理模塊、AD模塊。壓力采集使用了8個型號為DYMH-102的5t承載力壓阻式傳感器，其中6個用于平面叉車屬具測量，2個用于曲面叉車屬具測量。壓力轉換采用DY510壓力轉換模塊，利用原裝進口高性能器件將傳感器輸出信號給擴大。信號調理模塊本質上就是隔離放大器，其主要作用就是用于信號的放大和前端電路的保護，由于它本身的隔離電壓很高，極大的提升了測量設備在惡劣條件下使用不被擊穿的性能。

考慮到STM32的電壓輸出不穩定，同時驅動能力不足等缺點，本設計利用超小型16位精密模數轉換模塊ADS1115，具有板載基準電壓和振蕩器，通過I2C兼容接口傳輸數據，工作電壓從2.0V到5.5V，取樣頻率高達860SPS[6]。

2.2 人機交互模塊

觸摸屏[7]作為一種最新的電腦輸入設備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。本設計使用的數字液晶屏為2.8寸TJC3224K028型液晶屏，采用電阻式觸摸技術，分辨率為320*240，工作電壓為4.65v-6.5v，工作溫度為-20/+70，通訊接口采用USART串行接口，Flash存儲空間為16M，Ram存儲空間為3584bytes。STM32F103F103與液晶屏通過片上接口直接連接，實現用觸摸屏控制的作用。

2.3 STM32主控模塊

STM32F103是由ST（意法半導體）開發的一種高性能微控制器[8]，使用的是Cortex-M3內核。該產品系列功能多種多樣，最高能實現72MHz的使用頻率。使用時可用2-6V的電源為其供電。該系列芯片因為其外設上的優越性加上功耗少、價格低廉、構架簡易、簡便易用等優點在市場上得到了非常廣泛的應用。

2.4 電源管理模塊

本設計的硬件系統包括手持終端和采集終端兩部分，而且所需要的電壓等級不同，因此需要設計兩套不同的電壓轉換電路。手持端采用4.5V升5V電壓轉換電路為觸摸屏和STM32F103主控制模塊供電。

采集終端采用芯片XL6009將12V電壓轉換成24V給系統供電。芯片XL6009內部由三極管和固定頻率的振蕩器組成，能夠在比較大的輸入和輸出電壓下穩定工作。

3 系統軟件設計

本系統主要采用了STM32系列單片機進行整體控制，因此選用ARM公司研發的可用于微控制器的Keil平臺[9]。系統主程序流程圖如圖2所示。核心控制板上電之后，需要對系統進行初始化，根據任務需求開始夾緊力的測量，通過觸摸屏選擇需要顯示的壓力值，然后壓力傳感器開始工作，信號進過壓力變換器和信號調理器變換放大在經過AD模塊轉換之后送入主控制器上，控制器在將其轉化為具體數字顯示在觸摸屏上，從而實現叉車屬具夾緊力的實時測量和顯示。

4 測試結果分析

本系統所有操作均通過手持式夾緊力測量儀來進行測量控制，觸摸屏共分為平面測試和曲面測試兩個界面。通過工作人員現場測試，當叉車屬具施加的力發生改變時，通過采集終端采集到的數據傳送到手持終端，通過觀察手持終端電阻屏壓力顯示，判斷整體的準確性，然后改變連接通道，測試不同通道的準確和穩定性，測量結果如表1所示?？梢姳驹O計的便攜式夾緊力測試儀能夠清晰、穩定地測量叉車屬具夾緊力的實時壓力值，可以滿足實際的現場工作要求，為今后叉車屬具夾緊力的穩定準確控制提供可靠保障。

5 結語

本產品設計的便攜式叉車屬具夾緊力測量儀能夠手持測量裝置對叉車屬具的平面夾緊力或曲面夾緊力進行實時檢測，并且為了人機交互的便利性，測量儀采用電阻式觸摸屏進行實時操作，同時也避免了傳統按鍵容易受腐蝕而無法使用的問題。作為新一代更加智能化的壓力力測量顯示儀表，主要用于叉車屬具的夾緊力的測量，因為其體積上的便攜性，在遠離貨倉等工作環境時依舊能穩定有效地工作，極大的提高了在工業控制與監測方面的工作效率。

參考文獻

[1] 李雪梅.我國物流業存在的主要問題及探討[J].中國商貿，2010（18）：70-71.

[2] 王桂洪.叉車屬具現狀及發展趨勢[J].中國儲運，2014（05）：109-111.

[3] 鄧艷芳.叉車屬具新標準已進入征求意見階段[J].工程機械文摘，2014（5）：38-39.

[4] 盛玉潔，蔣旭東.淺談叉車屬具[J].叉車技術，2001（04）：10-12.

[5] 朱則剛.叉車屬具及其合理應用[J].現代零部件，2006（11）：80-84.

[6] 陳楠.ADS1115：不到2mm的超小型ADC芯片[J].世界產品與技術，2009（9）：74.

[7] 楊邦朝，張治安.觸摸屏技術及應用[J].電子世界，2003（02）：80-81.

[8] 孫書鷹，陳志佳，寇超，等.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J].網絡新媒體技術，2010，31（12）：59-63.

[9] 王科飛.Keil uVision3與Proteus的聯合仿真在單片機教學中的應用[J].吉林工商學院學報，2010（05）：64-66+83.

Abstract：In view of the traditional forklift accessories are often difficult to choose the appropriate clamping force to meet the needs of the current storage and freight and the factory for carrying different weights of various goods， a portable clamping force tester is designed to realize the real-time measurement of the clamping force. With STM32 as the core control unit， the pressure analog signal is transformed into corresponding readable digital signal by pressure sensor， conversion module， signal conditioning module and ad module. In addition， it also includes the touch screen module， which can set and display the clamping force and other data in real time through the touch screen. It can effectively solve the problem that the forklift can't grasp the clamping force in real time in the process of cargo handling and loading and unloading. It can meet the diversified needs of modern storage， freight transportation and factories. It has good social and economic value and wide application prospects.

Key words：forklift appliance;portable instrument;detection of clamping force; intelligent;warehouse carrying