基于ARM的液壓實訓臺在線監測系統設計

鄭東旭 章建林 胡潔 蔡曉春

摘 ? 要：為了將“工匠精神”有效地融入技術技能型課程教學模塊，機電一體化技術專業針對理實一體化教室的液壓實訓設備進行升級設計，設計出基于高級精簡指令集處理器ARM的液壓實訓臺在線監測系統，通過多組傳感器的數據采集，經由ARM核心板進行數據處理，顯示液壓系統的運行狀態參數，供學生學習和使用，極大地增強了學生的學習興趣，為培養學生的知識、技能以及職業素養起到了重要作用。

關鍵詞：ARM核心板;液壓實訓臺;在線監測;工匠精神

在新時代，對高職學生“工匠精神”的培養應貫穿教學的整個過程，技術技能型課程教學模塊是重要載體之一。我院機電一體化技術專業對“液壓傳動”課程的教學改革進行了探索。該課程采用理實一體化的教學模式，整合教學內容，融入其他學科知識，訓練學生發現問題、解決問題的能力以及“智能制造”和“綠色制造”的能力，并培養他們積極探索、精益求精的創新精神。液壓實訓設備是“液壓傳動”課程進行理實一體化教學必不可少的設備，教室配備10臺“液壓傳動與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實訓裝置”，集真實的液壓元件、繼電器控制單元、PLC編程等技術于一體，可以訓練學生對綜合知識的應用能力。由于該設備利用率高、元件老化速度快、學生操作不當等原因，液壓系統故障頻出，如漏油不斷、調壓能力降低、電氣控制模塊接觸不良等問題。為了更好地解決諸多問題，項目組根據現有條件自行設計并改造了基于高級精簡指令集處理器（Advanced RISC Machines，ARM）的實訓臺運行參數在線監測系統，以保障設備維護的及時性，同時，引入相關知識供同學們進行課堂拓展。

1 ? ?需求分析

針對液壓實訓設備在長期使用中遇到的維護維修問題，確定基于ARM的液壓實訓臺在線監測系統應具備以下功能：

（1）可以監測10臺液壓實訓設備工作油壓、液壓油箱的油溫、液位等。

（2）可以通過觸摸屏顯示監測參數，超過閾值時報警指示。

（3）可以通過觸摸屏指令或所監測的參數控制液壓泵的啟動、停止。

（4）可以根據課堂需要，利用教學主機對監控參數進行投屏展示。

（5）可以查詢教學主機的圖像監控數據，為維護維修提供數據保證。

（6）預留Wi-Fi功能，可與路由器進行數據傳輸，將數據傳送至云端保存，為維護維修提供數據保證。

2 ? ?總體方案設計

通過傳感器組油壓傳感器、液位傳感器和油溫傳感器，分別采集10臺液壓實訓設備的運行狀態參數，并傳送給ARM核心板，核心板通過數據處理顯示在觸摸屏上，參數異常時可以通過蜂鳴器報警，利用指示燈顯示對應的設備故障。對于拓展功能，選用無線攝像頭監控觸摸屏參數，將采集的圖像傳到云平臺上，在教學主機上安裝客戶端，訪問網絡可以投屏展示監控畫面，供同學們參考，也可以將圖像數據保存，為維護維修使用提供保證。系統總體框圖如圖1所示。

3 ? ?硬件設計

3.1 ?ARM核心板

為縮短開發時間，ARM核心板選擇野火F103-指南者開發板，這是基于ARM內核的STM32F103VET6微控制器，Cortex-M3系列，具有高性能、低功耗、低成本等特點，擁有80個多功能雙向輸入/輸出（Input/Output，I/O）口，并且通過端口復用，搭載了豐富的片上外設，包含13個通信接口，可以支持多種通信協議;11個定時器。在野火F103-指南者開發板上，STM32F103的引腳均以針腳的方式引出，支持串口在線系統編程（In-System Programmability，ISP）一鍵下載，并板載了報警指示、Wi-Fi模塊、液晶屏幕接口、攝像頭接口、藍牙模塊接口、安全數碼（Secure Digital，SD）卡接口等，為功能的擴展提供了條件。除此以外，利用Keil5軟件編寫程序時，可調用芯片供應商提供的固件庫進行開發，能有效縮短開發時間。

3.2 ?傳感器采集模塊

在基于ARM的液壓實訓臺在線監控系統中，通過接入傳感器組采集數據，實現對實訓臺運行參數的實時監測。本系統的傳感器數據采集部分分為油溫、油壓、液位和攝像頭采集的圖像等，需要根據液壓實訓臺的相關參數選取傳感器。

壓力傳感器組用于采集液壓泵出口壓力，由于變量葉片泵的壓力為7 MPa，額定流量為8 L/min，故選擇42CPT8-1型壓力傳感器，其測量范圍為0～10 MPa，供電電源為直流+5 V，信號輸出的比例電壓輸出為0.5～4.5 V。

油溫傳感器組用于采集油箱液壓油溫度。由于實驗室設備工作溫度在0～65 ℃，選用Pt100溫度傳感器，其阻值隨著溫度的變化而變化，并且通過溫度變送器轉換為電壓，進而反映液壓油溫度情況[1]。工作電壓為+12 V，其輸出電壓信號的范圍為0～+5 Vdc，工作溫度范圍為0～+100 ℃。

液位傳感器組用于采集油箱液壓油液位高度，本系統中不需采集油箱中的具體液位值，僅當液位超過設定值時進行報警，控制電路斷開液壓泵的動力源，故選用FP-35SH側裝鴨嘴式不銹鋼液位開關即可，工作電壓為﹣30～+180 V，輸出形式常開，延時關閉時間為0.2 s，負載功率為50 W。

傳感器的選擇和測控電路的設計可以讓學生進行創新改造，引導學生運用所學知識，培養他們積極探索的工匠精神，此處給出溫度采集的參考電路，如圖2所示。

3.3 ?電源供電模塊

為了保證系統可以安全穩定地運行，需要3種電源供電，分別為：+12 V（油溫傳感器）、+5 V（壓力傳感器，液位傳感器、開發板）、+3.3 V（STM32芯片）。其中，傳感器布置在各個實訓臺所在位置，需設計+12 V和+5 V電源，給每臺設備所用的傳感器供電，可由220 V交流電壓直接降壓整流濾波得到[2]。

由于ARM核心板是通過采集各實訓臺的狀態數據來控制各個液壓泵的啟停的，需就近放置，且開發板上自帶USB供電接口，經過板載AMS1117芯片轉換成+3.3 V電壓，可不與傳感器共用+5 V電源，故選用+5 V（1 A）的手機適配器給開發板供電即可。

傳感器供電電壓為+12 V、+5 V的電路設計可由學生運用電工電子技術的知識自行完成，培養他們的創新精神，必要時給學生提供參考電路。

4 ? ?軟件設計

軟件設計采用模塊化設計思想，包括軟硬件初始化模塊、傳感器采集模塊、數據處理模塊、觸摸屏數據顯示與控制模塊、報警指示模塊、液壓泵啟停控制模塊[3]。單臺設備數據處理流程如圖3所示。利用Keil5軟件編程并編譯，選用與開發板配套的高速仿真器，或利用串口ISP一鍵下載功能將程序燒錄在STM32芯片中。整個程序是一個主程序調用各個子程序實現功能的過程。

5 ? ?結語

本監測系統基于ARM核心板設計，對各個液壓實訓臺的壓力、油溫、液位進行檢測，實現在線監測、控制功能，均可通過觸摸屏顯示數據，利用教學主機投影展示各個液壓實訓臺運行狀況，能滿足教師及實驗室管理員的教學、運行維護需求，激發學生對知識的求知欲望，訓練學生發現問題、解決問題的能力，培養學生精益求精的創新精神，為其他類型課程融入工匠精神的培養提供一個可借鑒的思路。

[參考文獻]

[1]劉雪霞，譚業發.基于STM32單片機的液壓動力系統監測儀設計[J].儀表技術與傳感器，2019（9）：38-41.

[2]王曉瑜.秸稈基質覆蓋機測控系統設計與研制[D].西安：西北農林科技大學，2018.

[3]魯 壯，李 波.車間多機床狀態實時監測系統研究[J].機床與液壓，2019（10）：77-81.