本發明涉及一種基于單片機的液壓挖掘機模型控制系統，適用于機械領域。

背景技術：

機電一體化是一個綜合概念，包含了機電一體化技術和機電一體化產品兩方面內容。機電一體化產品一般由機械本體系統、執行系統、檢測傳感系統、信息處理系統、控制系統、動力源系統六部分組成。機電一體化的核心技術包括傳感技術、控制技術、軟件技術、網絡技術、傳動技術和接口技術，因此，作為機電一體化技術專業的綜合實訓設備也應該能體現這兩方面的特點。目前具有代表性的是自動化生產線；但由于種種原因許多院校至今無法擁有這種實訓設備，為滿足教學要求，只能在原有設備基礎上進行技術升級改造。我校液壓實訓室有4套液壓挖掘機模型，主要用于液壓傳動教學。以液壓挖掘機模型為基礎，加入機電一體化的幾項關鍵技術，就可使其成為集機、電、液控制為一體的綜合實訓設備。改造后的實訓設備，在觸摸屏上觸摸按鈕，挖掘機模型即可產生相應的動作，并可將動作過程和結果反饋到觸摸屏上顯示出來。改造后的實訓設備既可完成機電一體化技術的綜合控制實訓，又可完成液壓、傳感器、單片機以及組態控制等機電一體化關鍵技術的實訓。

技術實現要素：

本發明提出了一種基于單片機的液壓挖掘機模型控制系統，應用傳感技術、控制技術、軟件技術、網絡技術、傳動技術和接口技術對液壓挖掘機模型進行改造，使其成為應用了機電一體化幾項關鍵技術的實訓設備，可以基本上滿足機電一體化技術專業綜合實訓的要求；并且投資少，占地小。

本發明所采用的技術方案是：所述控制系統以MCS-5l單片機為核心，采用模塊化設計。主要包括觸摸屏模塊、單片機系統模塊、挖掘機部件位置信息采集模塊和挖掘機部件位置控制模塊。模塊化的好處是組態靈活、通用性強、硬件開發周期短、冗余量少、系統成本低；故障容易排除，排除速度快。

所述控制系統組成以MCS-51單片機為控制核心，由信號檢測、電氣接口、執行機構、通信接口組成。

所述控制系統以MCS-51單片機為核心組成閉環控制系統。挖掘機部件位置信息采集模塊采集挖掘機大臂、小臂、挖斗和整體旋轉角度，經過A/D變換送到單片機系統模塊；單片機把此角度與從觸摸屏送來的預置角度進行比較，同時驅動挖掘機部件位置控制模塊部件產生運動，直到差值消失為止；同時，挖掘機部件位置信息通過單片機送往觸摸屏進行實時顯示。

所述控制系統分為觸摸屏模塊、單片機系統模塊、挖掘機部件位置信息采集模塊和挖掘機部件位置控制模塊。

所述觸摸屏模塊主要包括上位機和觸摸屏。上位機和觸摸屏之間通過USB接口連接。在上位機組態軟件中創建好的工程經過模擬運行后，下載到觸摸屏正式運行。

所述單片機系統模塊選用帶程序存儲器的單片機。這樣單片機只要加上時鐘電路和復位電路即可運行。由于檢測元件檢測到的信號為模擬量，在單片機P1口位置加裝4通道8位模數轉換芯片。為驅動電磁鐵，在單片機P2口加裝8通道功率放大板，放大后的信號控制電磁鐵，完成換向閥換向。

所述挖掘機部件位置控制模塊中，挖掘機模型在工作時，大臂、小臂、挖斗的轉動角度用3個單軸傾角傳感器測量，挖掘機整體的水平旋轉角度用旋轉電位器測量。4個傳感器測量結果均為模擬量，需要通過A/D模數轉換芯片轉換成8位數字量才能輸入單片機相應的存儲單元。轉換程序把數字信號轉換成各工作部件的具體旋轉角度，并判斷其是否處于極限位置，通過RS485接口把信息送到觸摸屏，不但使觸摸屏上組態圖形的相應部分根據工作部件旋轉角度產生相應轉動，而且可以把具體角度顯示在圖形旁邊，為下一步的操作提供依據。

所述挖掘機部件位置控制模塊中，挖掘機4個運動部件由雙作用液壓缸驅動，而4個液壓缸是由4個雙電控3位5通換向閥控制。控制電磁鐵的通斷即可控制換向閥換向。換向閥電磁鐵為24V直流驅動。而單片機輸出口的驅動能力顯然不足，為此在單片機輸出口和電磁閥之間加裝8通道功率放大板，以便驅動電磁鐵。這樣，操作者在觸摸屏上觸摸使工作部件運動的按鈕，觸摸產生的信號通過RS485接口以通信方式傳給單片機;單片機通過P2輸出接口P2.0~P2.7驅動8通道功率放大板，放大板驅動換向閥，進而使大臂、小臂、挖斗和挖掘機整體產生相應的動作。

所述控制系統硬件在MCS-51單片機最小系統的基礎上外接設備—觸摸屏、傾角傳感器、A/D轉換芯片、電磁換向閥、功率放大板。

所述控制系統軟件采用模塊化的設計方法，主要包括觸摸屏組態模塊、MCS-51單片機模塊和通信模塊。觸摸屏組態模塊主要是完成與操作人員的交互功能，可以快速、方便地開發各種用于現場采集、數據處理和設備的控制；單片機模塊作為數據采集及控制模塊，包括系統初始化、數據的采集、數據的轉換、輸入信號的處理與分析，并最后給出控制系統的輸出量；通信模塊主要完成觸摸屏和單片機之間的數據交換。3個模塊的關系是:觸摸屏組態模塊是指揮中心，決定整個系統程序的結構和流程；單片機模塊按采樣的周期定時地進行采樣，并接收觸摸屏發送過來的命令對挖掘機進行自動控制；數據通信模塊可以實現觸摸屏與單片機之間數據的傳輸。

本發明的有益效果是：該控制系統應用傳感技術、控制技術、軟件技術、網絡技術、傳動技術和接口技術對液壓挖掘機模型進行改造，使其成為應用了機電一體化幾項關鍵技術的實訓設備，可以基本上滿足機電一體化技術專業綜合實訓的要求；并且投資少，占地小。

附圖說明

圖1是本發明的系統總體結構框圖。

圖2是本發明的系統硬件原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1，控制系統以MCS-5l單片機為核心，采用模塊化設計。主要包括觸摸屏模塊、單片機系統模塊、挖掘機部件位置信息采集模塊和挖掘機部件位置控制模塊。模塊化的好處是組態靈活、通用性強、硬件開發周期短、冗余量少、系統成本低；故障容易排除，排除速度快。

控制系統組成以MCS-51單片機為控制核心，由信號檢測、電氣接口、執行機構、通信接口組成。

控制系統以MCS-51單片機為核心組成閉環控制系統。挖掘機部件位置信息采集模塊采集挖掘機大臂、小臂、挖斗和整體旋轉角度，經過A/D變換送到單片機系統模塊;單片機把此角度與從觸摸屏送來的預置角度進行比較，同時驅動挖掘機部件位置控制模塊部件產生運動，直到差值消失為止；同時，挖掘機部件位置信息通過單片機送往觸摸屏進行實時顯示。

控制系統分為觸摸屏模塊、單片機系統模塊、挖掘機部件位置信息采集模塊和挖掘機部件位置控制模塊。

觸摸屏模塊主要包括上位機和觸摸屏。上位機和觸摸屏之間通過USB接口連接。在上位機組態軟件中創建好的工程經過模擬運行后，下載到觸摸屏正式運行。

單片機系統模塊選用帶程序存儲器的單片機。這樣單片機只要加上時鐘電路和復位電路即可運行。由于檢測元件檢測到的信號為模擬量，在單片機P1口位置加裝4通道8位模數轉換芯片。為驅動電磁鐵，在單片機P2口加裝8通道功率放大板，放大后的信號控制電磁鐵，完成換向閥換向。

挖掘機部件位置控制模塊中，挖掘機模型在工作時，大臂、小臂、挖斗的轉動角度用3個單軸傾角傳感器測量，挖掘機整體的水平旋轉角度用旋轉電位器測量。4個傳感器測量結果均為模擬量，需要通過A/D模數轉換芯片轉換成8位數字量才能輸入單片機相應的存儲單元。轉換程序把數字信號轉換成各工作部件的具體旋轉角度，并判斷其是否處于極限位置，通過RS485接口把信息送到觸摸屏，不但使觸摸屏上組態圖形的相應部分根據工作部件旋轉角度產生相應轉動，而且可以把具體角度顯示在圖形旁邊，為下一步的操作提供依據。

挖掘機部件位置控制模塊中，挖掘機4個運動部件由雙作用液壓缸驅動，而4個液壓缸是由4個雙電控3位5通換向閥控制。控制電磁鐵的通斷即可控制換向閥換向。換向閥電磁鐵為24V直流驅動。而單片機輸出口的驅動能力顯然不足，為此在單片機輸出口和電磁閥之間加裝8通道功率放大板，以便驅動電磁鐵。這樣，操作者在觸摸屏上觸摸使工作部件運動的按鈕，觸摸產生的信號通過RS485接口以通信方式傳給單片機;單片機通過P2輸出接口P2.0~P2.7驅動8通道功率放大板，放大板驅動換向閥，進而使大臂、小臂、挖斗和挖掘機整體產生相應的動作。

如圖2，控制系統硬件在MCS-51單片機最小系統的基礎上外接設備—觸摸屏、傾角傳感器、A/D轉換芯片、電磁換向閥、功率放大板。

控制系統軟件采用模塊化的設計方法，主要包括觸摸屏組態模塊、MCS-51單片機模塊和通信模塊。觸摸屏組態模塊主要是完成與操作人員的交互功能，可以快速、方便地開發各種用于現場采集、數據處理和設備的控制；單片機模塊作為數據采集及控制模塊，包括系統初始化、數據的采集、數據的轉換、輸入信號的處理與分析，并最后給出控制系統的輸出量；通信模塊主要完成觸摸屏和單片機之間的數據交換。3個模塊的關系是:觸摸屏組態模塊是指揮中心，決定整個系統程序的結構和流程；單片機模塊按采樣的周期定時地進行采樣，并接收觸摸屏發送過來的命令對挖掘機進行自動控制；數據通信模塊可以實現觸摸屏與單片機之間數據的傳輸。

在上位計算機上用組態軟件完成組態設計，通過USB接口下載到觸摸屏。具體的組態設計過程包括以下步驟:創建工程、定義數據對象、畫面制作和設備連接以及程序下載調試。