基于STM32 的叉車屬具油路損耗監測系統研制

方凱 周孟然 胡鋒

1.安慶聯動屬具股份有限公司；2.安徽理工大學

針對叉車屬具油路損耗的可靠監測的迫切需求，基于STM32 研制了一種叉車屬具油路損耗監測系統，利用多種傳感器實時檢測油路參數，并結合信號調理與轉換裝置，實現了叉車屬具液壓油路的多參數測量，并可以對油路的損耗情況進行分析，實現了叉車屬具油路的精準監測，對于保障叉車屬具安全、可靠工作具有重要意義。

叉車屬具（Forklift Truck Attachment）是一類能夠實現自動化裝卸、搬運和堆垛的設備，也是充分發揮叉車一機多用功能的優良幫手。叉車在進行貨物搬運的過程中，主要是依靠液壓油的壓力來完成不同貨物的安全可靠的裝卸、搬運和堆垛。叉車油缸出來的初始油壓，在經過閥門、油管、執行單元等功能部件后，每個部件都會產生一定的油壓損失，監測屬具不同位置的油壓、流量、溫度等基本信息，這樣一方面可以準確掌握油壓的損耗情況，另一方面也可以對相關功能部件進行改進以減下油壓損壞。雖然市場上也有一些企業提供屬具油路損耗系統的解決方案，但是存在價格昂貴、檢測精度不高、操作復雜等限制，因此針對叉車屬具的油路損耗監測進行系統設計開發，研制出一款油路損耗監測裝置，實現屬具油路中油壓損失情況的精準監測，其將具有非常廣闊的市場前景。

1 系統總體方案設計

為實現叉車屬具油路損耗的可靠監測，利用多種傳感器實時檢測油路參數，并結合信號調理與轉換裝置，最后將測量的油路參數通過微處理器模塊進行數據格式轉換，同時利用微處理器對不同功能部件的油壓損失情況進行分析，將不同功能部件的油壓損失情況顯示在液晶顯示屏上。

為了實現上述功能，設計“叉車屬具油路損耗監測系統”，如圖1 所示，該監測系統主要包括油路檢測單元、主控單元以及顯示單元。油路檢測單元主要是用于叉車屬具的相關油路參數測量，主要包括壓力傳感器、流量傳感器以及溫度傳感器等，通過在閥門、油管等功能部件兩端布置油壓檢測單元完成兩端液壓參數的準確測量，再通過計算得到經過該部件的油油路損失情況。主控單元作為整個系統的“大腦”，主要是實現傳感器參數采集的控制、液壓參數的數據格式轉換以及液壓參數的顯示等功能，該單元主要包括微控制器、時鐘模塊、儲存模塊以及微控制器正常運行的相關輔助電路。顯示單元主要是作為該監測系統的人機交互接口，實現系統的功能選擇和液壓參數顯示等功能，該單元主要包括觸摸屏、顯示驅動模塊和觸摸驅動模塊等。此外，為了保障叉車屬具油路損耗監測系統的穩定可靠運行，還需要根據各個功能單元的需求，設計相應的電源模塊。

圖1 系統硬件構成Fig.1 Hardware composition of the system

在油路檢測單元中，主要是通過相關傳感器采集液壓油的壓力、流量、溫度等基本參數，其結構框圖如圖2所示。該單元通過壓力傳感器、流量傳感器以及溫度傳感器采集液壓油的壓力、流量和溫度信息，在通過相應的信號調理模塊進行信號的放大和變換等，最后傳輸至主控單元中進行油路損耗的分析、顯示等。

圖2 油路檢測單元結構框圖Fig.2 Structural block diagram of oil circuit detection unit

本系統的工作流程為：首先，通過顯示單元中的觸摸屏選擇油路損耗監測系統的功能；隨后，觸摸屏輸入的控制指令通過主控單元的微控制器讀取和理解，并將其轉化為相應的參數測量指令發送給傳感檢測單元；接下來，相應的傳感器開始工作，采集壓力、流量、溫度等參數，經過信號調理單元的調理和轉換后送入主控單元的微控制器中；最后，微控制器對調理、轉換后的油路信號進行數據格式轉換，再通過計算得到經過該部件的油油路損失情況，并通過顯示命令發送至顯示單元，最終在觸摸屏中實現油路損失情況的顯示。

2 系統硬件設計

2.1 STM32L151 主控單元

為了實現油路損耗監測系統各功能部件的有機協作，必須采用可靠的微控制器作為控制核心，本設計采用的是ST 公司的超低功耗STM32L151，該微控制器內部將通用串行總線（USB）的連接能力與高性能ARM?Cortex?-M3 32 位RISC 內核（以32MHz（33.3 DMIPS）的頻率運行）、內存保護單元（MPU）結合在一起，這些優異特性使其能夠滿足叉車屬具油路損耗監測系統的設計需要。STM32L151 引腳分布如圖3 所示。

圖3 STM32L151 引腳圖Fig.3 Pin diagram of STM32L151

2.2 顯示單元

本設計采用淘晶馳的TJC8048K070 型觸摸屏來實現顯示和和諧的人機交互，該顯示屏具有7 寸的顯示尺寸（分辨率達到了800×480），能夠提供優異的顯示效果。同時，該顯示模塊可以通過USART 串口就能夠和STM32L151主控單元實現通信和信息交互，大大縮減了開發周期。除此之外，其配置了16M 的Flash 和2048bytes 的RAM，能夠滿足監測系統對于液壓油三參數（壓力、流量和溫度）的顯示和處理。總而言之，這些優異特性使其能夠滿足叉車屬具油路損耗監測系統的設計需要。TJC8048K070接口特性如圖4 所示。

圖4 TJC8048K070 接口特性參數Fig.4 Interface characteristic parameters of TJC8048K070

2.3 壓力傳感器

為了實現叉車屬具液壓油壓力的準確測量，綜合考慮傳感器性能、安裝難易度以及性價比等諸多因素，本系統最終選擇型號為MIK-P300 的壓力傳感器作為油壓測量的前端傳感單元，其實物圖如圖5 所示。

圖5 MIK-P300 壓力傳感器實物圖Fig.5 Physical drawing of MIK-P300 pressure sensor

2.4 流量傳感器

為了實現叉車屬具液壓油流量的準確測量，本系統選用型號為FS-LWGY10 型的流量傳感器，其實物圖如圖6 所示。該傳感器的基本原理是：當被測量液壓油流經傳感器的時候，在液壓油的作用下，其內部的葉輪將會旋轉，旋轉的速度和流體的平均流速是成正比的，同時葉輪的周期性選擇也會導致內部磁通的變化，產生周期的感應電動勢，通過測量該感應電動勢即可簡介地測量液壓油的流量。

圖6 FS-LWGY10 型的流量傳感器實物圖Fig.6 Physical drawing of FS-LWGY10 flow sensor

2.5 溫度傳感器

為了實現叉車屬具液壓油溫度的準確測量，本系統選用型號為TS-SWB200 的溫度傳感器，該通用型溫度變送器采用高精度PT100 作為信號測量元件，并通過穩定可靠且抗干擾能力強的放大電路，將被測介質的溫度信號轉換成標準的模擬信號或數字信號，且有精湛的封裝技術和完善的檢測工藝確保了該產品優異的性能，其實物如圖7 所示。

圖7 TS-SWB200 的溫度傳感器的實物圖Fig.7 Physical drawing of temperature sensor of TS-SWB200

2.6 模數轉化模塊

壓力傳感器、流量傳感器以及溫度傳感主要作用是將壓力、流量和溫度等非電物理量轉化為電氣物理量，但是傳感器采集到信號經過信號調理后仍然是模擬量信息，不能直接作為微控制器的輸入，因此，需要增加模數轉化模塊，將這些采集到的模擬量數字化，形成微處理器便于讀取、傳輸、存儲以及分析的數字量信號。本系統為了采集到兩個監測點的油路數據（每個點包含油壓、流量和溫度三個數據），共計需要采集6 個油路數據，因此需要使用2 片ADS1115來完成模擬量信號到數字量信號的轉化，ADS1115 實物圖如圖8 所示。

圖8 ADS1115 實物圖Fig.8 Physical drawing of ADS1115

2.7 電源模塊

本系統需要的電源主要是給微控制器、傳感器、信號調理模塊、視覺單元、儲存器、觸摸屏以及相關輔助電路進行供電，主要電壓等級有DC 24V 和DC5V。為了保證系統供電的可靠性和穩定性，采用12V 聚合物鋰電池作為系統電源，再經過升壓模塊（XL6009 芯片）和降壓模塊（LM2596 芯片）分別得到DC 24V 和DC 5V電源。

3 系統軟件設計

本系統采用STM32L151 作為中央控制單元，根據圖9 所示主程序流程圖在STM32L151 中設計相應的程序代碼，軟件系統的主要工作流程為：油路監測系統開機后，首先軟件系統會被激活并對芯片和各功能子程序進行初始化，初始化完成后系統進入等待狀態，等待操作人員從觸摸屏以觸摸方式選擇相應的功能，在功能選定后STM32L151 主控單元會發送指令控制相應傳感器采集數據，傳感器采集到的模擬量數據經過AD 模塊進行模數轉化后，傳輸回STM32L151 主控單元進行數據的分析和處理，并通過串口發送至觸摸屏進行叉車屬具油路參數和損失情況的顯示。

圖9 主程序流程圖Fig.9 Flow chart of main program

4 總結

為解決叉車屬具油路損耗監測這一的問題，以STM32L151 作為主控單元設計了一款叉車屬具油路損耗監測系統，該系統利用壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器等多種傳感器實現了叉車屬具液壓油路的多參數測量，并可以對油路的損耗情況進行分析，實現了叉車屬具油路的精準監測，對于保障叉車屬具安全、可靠工作具有重要意義。

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