【正文】 它位于機(jī)器的前后橋之間，用來(lái)完成剝離、轉(zhuǎn)移土南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 壤和平整等工作。這種系統(tǒng)存在反應(yīng)誤差，因此必須設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)“死區(qū) (或稱(chēng)為起阻尼作用的“零區(qū) )，傳感器越過(guò)死區(qū)后才有信號(hào)輸出。所以要想在這種系統(tǒng)上獲得理想的找平效果，必須合理的確定“死區(qū)”的大小，正確解決“死區(qū)”大小和控制精度之間的矛盾，才能保證精確的找平特性。該系統(tǒng)可使得平整出來(lái)的路面十分平整，但是它對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精度的要求高、造價(jià)也相對(duì)較高。這種系統(tǒng)兼?zhèn)淞饲皟煞N系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，大大縮小了“死區(qū) ?的范圍，可以使系統(tǒng)的精度達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)，而且價(jià)格低廉、經(jīng)久耐用，是目前 主要使用的 自動(dòng)調(diào)平 控制方式。如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)?？刂蒲b置的輸入受到輸出的反饋?zhàn)饔脮r(shí)，該系統(tǒng)就稱(chēng)為閉環(huán)系統(tǒng)。 車(chē)載 在進(jìn)行平整工作時(shí)，由于路面的不平，引起鏟刀上下移動(dòng)，傳感器檢測(cè)到路面的高度 H，與設(shè)定的基準(zhǔn)高度 W就有偏差，產(chǎn)生偏差信號(hào) E，然后通過(guò)調(diào)節(jié)器對(duì)誤差信號(hào)做出相應(yīng)的處理再給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，控制油缸升降，從而達(dá)到施工高程南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 和設(shè)計(jì)高程的一致，保證路面的平 整度。目前非接觸式 自動(dòng)調(diào)平 技術(shù) 主要有超聲波 自動(dòng)調(diào)平 技術(shù)和激光 自動(dòng)調(diào)平 技術(shù)。 工作原理：非接觸平衡梁通過(guò)安裝座與牽引臂相連，超 聲波探頭通過(guò)差動(dòng)串行總線與控制盒構(gòu)成主從式多級(jí)通訊系統(tǒng)。 自動(dòng)調(diào)平 控制系統(tǒng)分析 系統(tǒng)組成： 20世紀(jì) 70年代，美國(guó)首先將激光技術(shù)應(yīng)用 于農(nóng)用 車(chē)載 械，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。激光發(fā)射器是由有源電池驅(qū)動(dòng)的一種激光發(fā)生裝置，它被安置在作業(yè)面南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 適當(dāng)位置的三腳架上?？刂破鲗⒓す饨邮掌鱾鬟f來(lái)的電位信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理后轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，控制電磁換向閥通向鏟刀提升液壓缸的油量和方向，實(shí)現(xiàn)鏟刀的自動(dòng)升降?！? (4)但超聲波在空氣中的傳播速度會(huì)受環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)影響，為了提高測(cè)量精度，一般都要設(shè)置補(bǔ)償和校正裝置，用來(lái)補(bǔ)償環(huán)境因素的影響。雖然系統(tǒng)本身可以區(qū)分現(xiàn)場(chǎng)人員流動(dòng)和雜物等引起的干擾，但如果工作人員過(guò)于繁雜，流動(dòng)人員過(guò)多時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的控制精度。所以，必須對(duì)操作手進(jìn)行必要的培訓(xùn)，同時(shí)每天工作時(shí)要校對(duì) 自動(dòng)調(diào)平 系統(tǒng)，這樣可以保證整機(jī)工作精度，確保每天的正常工作。所以必須采取其他措施來(lái)進(jìn)行校正，可以依靠溫度傳感器和參考桿來(lái)補(bǔ)償超聲波的傳播速度，保證它的測(cè)距精度。所以，液壓系統(tǒng)的滯后時(shí)間長(zhǎng)短，控制器何時(shí)才能對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)是保證控制精度的主要問(wèn)題。 自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，就控制方式來(lái)說(shuō)，從最初的開(kāi) 關(guān)式控制發(fā)展到比例式控制再到目前常用的比例脈沖式控制；傳感器的發(fā)展也由單一的角度傳感器發(fā)展到目前的超聲波和激光傳感器；同時(shí)在目前常用的自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)中，用的較多的控制方式脈寬調(diào)制 (PwM)技術(shù)。然而，對(duì)于 自動(dòng)調(diào)平 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 以往的模擬式控制系統(tǒng)已經(jīng)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鏟刀升降的控制，在數(shù)字式 自動(dòng)調(diào)平 控制系統(tǒng)中不僅僅只是要將控制精度提高，還應(yīng)該考慮到讓操作人員能在工作中隨時(shí)可以了解到機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)不同的路況和路面平整度要求對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，使控制器在能夠滿足不同等級(jí)路面施工的需求。為了防止這種情況的發(fā)生，系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)有一個(gè)窗口值，當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)值與基準(zhǔn)的差值超過(guò)窗口值，那么便認(rèn)為情況不正常，這時(shí)系統(tǒng)應(yīng)立即停止輸出控制信號(hào)，同時(shí)以一定的 方式通知南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 操作人員，讓他知道系統(tǒng)發(fā)生了故障，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該力求在實(shí)現(xiàn)所有功能的前提下，盡量使操作變得簡(jiǎn)便 (即必須把控制面板設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單明了 )，通過(guò)硬件和軟件的結(jié)合，不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)鏟刀的精確控制，還要使的控制界面更人性化 ，操作更簡(jiǎn)便。 車(chē)載自動(dòng)調(diào)平 系統(tǒng)主控制器的選擇 主控制器的選擇 是控制方案的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它直接影響到 自動(dòng)調(diào)平 控制系統(tǒng)的性能、價(jià)格以及控制功能等。另外，單片機(jī)的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，有許多可以借鑒的成功應(yīng)用范例與大量的公用程序。 PLC是專(zhuān)門(mén)為順序生產(chǎn)過(guò)程而設(shè)計(jì)的控制器，它替代傳統(tǒng)的繼電器，具有很強(qiáng)的時(shí)序性。雖然也出現(xiàn)了一些具有較強(qiáng)計(jì)算能力的 PLC，但其本質(zhì)并沒(méi)有脫離原來(lái)的特點(diǎn)，仍基于循環(huán)掃描和程序執(zhí)行方式，往往影響計(jì)算速度。工業(yè)控制有強(qiáng)大的計(jì)算、管理及通訊功能，適宜于高性能進(jìn)行機(jī)群調(diào)度和管理適合形成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的上位機(jī)。但是，工控機(jī)并非針對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，其數(shù)據(jù)輸入／輸出能力相對(duì)于其處理能力要低得多，其響應(yīng)速度或者 響應(yīng)延遲不能滿足實(shí)時(shí)處理要求。 通過(guò)以上比較和分析，選擇價(jià)格較低，信號(hào)處理能滿足要求的單片機(jī)作為主控制器。如果把微控制器比作人的大腦的話，那么傳感器就相當(dāng)于人的五官。 超聲波傳感器的測(cè)距原理及精度影響因素 超聲波是一種特殊的聲波，它具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦裕绶瓷?、折射、散射等? 超聲波測(cè)距原理 發(fā)送探頭發(fā)出的超聲脈沖波通過(guò)傳播介質(zhì)傳到目標(biāo)表面，有一部分聲波經(jīng)發(fā)射后再通過(guò)傳播介質(zhì)返回到接收探頭。 i)聲時(shí)的影響 有兩個(gè)重要因素影響聲時(shí)的精度：計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率和超聲波頻率。 接收信號(hào) 所以，超聲波頻率越大，周期就越小，傳感器的測(cè)試精度越高。 超聲波傳感器的選擇 綜合上面的敘述，我們了解了傳感器的市場(chǎng)情況，決定選用美國(guó)霍尼韋爾Honeywell公司生產(chǎn)的 943系列超聲波測(cè)距傳感器，如圖所示。通常，典型的電液控制系統(tǒng)由油泵、安全閥、流量閥、電磁換向 閥、液控單向閥、油缸及油管、接頭等組成 (參見(jiàn)圖 )。這樣，超聲波傳感器就能檢測(cè)到當(dāng)前的與路基的實(shí)際距離，通過(guò)與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，可以得出偏差信號(hào)。這樣就保證了鏟刀始終維持在初始設(shè)定的位置，達(dá)到了 自動(dòng)調(diào)平 的目的。 PWM是通過(guò)改變導(dǎo)通時(shí)間 t與工作周期 T的比值，即調(diào)節(jié)占空比，使一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)輸出的平均值與相應(yīng)時(shí)刻采樣得到的信號(hào)成正比。 PWM信號(hào)的調(diào)制頻率的選擇應(yīng)考慮閥本身的響應(yīng)特性，例如固有頻率和過(guò)渡時(shí)間。為了使得系統(tǒng)的控制精度進(jìn)一步提高，在脈沖區(qū)內(nèi)對(duì)脈沖的寬度采用比例調(diào)節(jié)的方式，根據(jù)逼近理想高度的不同程度來(lái)調(diào)整 PWM的占空比，這樣即能將調(diào)平精度控制在一個(gè)很小的范圍之內(nèi)，又可以最大限度的避免系統(tǒng)超調(diào)的發(fā)生。其中坐標(biāo)值分別表示為 T(x1， y1。 根據(jù)液壓伺服系統(tǒng)的理論，可得到流量增益 的計(jì)算公式： （ 10） 式中： Cd—— 銳邊節(jié)流閥， Cd在 ～ ； W— 閥的面積梯度， p— 油的密度， kg/m3 P— 系統(tǒng)中油缸通過(guò)開(kāi)關(guān)電磁換向閥時(shí)的壓降， Mpa。整個(gè)環(huán)節(jié)為非線性環(huán)節(jié)。在控制器中，南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 21 比例作用可以加快系統(tǒng)對(duì)偏差的響應(yīng)速度，積分作用可以消除靜態(tài)偏差，微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 模擬式 PID控制的微分方程為： （１５） 式中 : u(ｔ )一控制器的輸出 ； Kp一比例系數(shù)； TI一積分時(shí)間常數(shù)； TD一微分時(shí)間常數(shù)； e(t)一偏差， e(t)=SPPV， SP和 PV分別為被控參數(shù)的設(shè)定值和實(shí)際值。它不僅需要對(duì)偏差 e進(jìn)行不斷的累加，從而增大計(jì)算機(jī)的計(jì)算量和存儲(chǔ)量，而且當(dāng)給定值變更時(shí)，容易產(chǎn)生積分失控，發(fā)生閥門(mén)沖擊和超調(diào)。 系統(tǒng)的抗干擾措施及控制參數(shù)的確定 系統(tǒng)的抗干擾措施 車(chē)載 自動(dòng)調(diào)平 控制系統(tǒng)的控制精度在很大程度上取決于控制系統(tǒng)的抗干擾措施設(shè)計(jì)的好壞。實(shí)驗(yàn)表明這種方法幾乎完全消除了各種干擾信號(hào)對(duì)傳感器的影響，使得控制器在不同的工況下保證相當(dāng)?shù)目刂凭?，達(dá)到理想的控制要求。 在 自動(dòng)調(diào)平 控制系統(tǒng)中，我們將控制路面高度的誤差分成 3個(gè)區(qū)域 (如圖所示 )：死區(qū)、比例脈沖區(qū)、恒速調(diào)節(jié)區(qū)。下面簡(jiǎn)要介紹一下各個(gè)區(qū)域大小的確定和調(diào)節(jié)方式： 死區(qū)：死區(qū)是指在理想的高度附近，與理想的平整度值相差很小的一段區(qū)域。本系統(tǒng)死區(qū)的大小和靈敏度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表所示。系統(tǒng)的恒速調(diào)節(jié)區(qū)大小為窗口值和靈敏度值之差，也隨著系統(tǒng)設(shè)置的不同而不同。電源對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行十分重要，在此我們?cè)O(shè)計(jì)了電源模塊，給系統(tǒng)的各個(gè)部分穩(wěn)定供電，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 MCS_51是在 MCS— 48的基礎(chǔ)上于 80年代初發(fā)展起來(lái)的，雖然它仍然是 8位的單片機(jī)，但其功能較 MCS— 48有很大的增強(qiáng)。 單片機(jī) 8051簡(jiǎn)介 引腳如圖所示 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 8051引腳圖 各引腳功能簡(jiǎn)要說(shuō)明如下： (1)電源引腳 Vcc和 Vss Vcc(40腳 )：電源端，為 +5V。 XTAL2(19腳 )：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。 RST引腳的第二個(gè)功能時(shí) VrI)，即備用電源的輸入端。 CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)， ALE輸出信號(hào)作為鎖存低 8位地址的控制信號(hào)。在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端定時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 EA/Vpp(ENABLE ADDRESS／ VOLTAGE PULSE OF PROGRAMMING， 31腳 )：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端／固化編程電壓輸入端。如使用片內(nèi) ROM的 8051，外擴(kuò) EPROM也是可以的，但也要將 EA接地。在 P1口作為輸 入口時(shí)，應(yīng)先向 P1口鎖存器(地址 90H)寫(xiě)入全 1，此時(shí) P1口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。 P3口 (P3． 0P3． 7， 10— 17腳 )： P3口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位準(zhǔn)雙向 I／ O端口。 P3口的第二功能定義 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 開(kāi)關(guān)量輸入設(shè)計(jì) 在 車(chē)載 超聲波 自動(dòng)調(diào)平 控制系統(tǒng)中通過(guò) 5個(gè)按鍵來(lái)設(shè)置系統(tǒng)的工作參數(shù)和工作狀態(tài)，分別是：設(shè)置鍵、自動(dòng)手動(dòng)切換鍵、增鍵、減鍵和確認(rèn)鍵。 獨(dú)立式非編碼按鍵電路 由于機(jī)械式觸點(diǎn)在閉合和斷開(kāi)時(shí)，均發(fā)生抖動(dòng)，抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間一般在 510ms之間，在此之間，邏輯電路的輸入端電平是不穩(wěn)定的， CPU在讀入觸點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，會(huì)檢測(cè)到多南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 29 次的電平 跳變，造成命令被重復(fù)執(zhí)行。在單片機(jī)系統(tǒng)中通常采用軟件方法解決：當(dāng) CPU檢測(cè)到某一輸入電平變化時(shí)，先延時(shí) 20ms，等觸點(diǎn)穩(wěn)定下來(lái)后，讀入觸點(diǎn)狀態(tài)，從而避免了觸點(diǎn)的抖動(dòng)。所以我們采用一階有源濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，將干擾信號(hào)消除，使得輸出信號(hào)基本上能夠真實(shí)反映當(dāng)前鏟刀的高度。特別是在同步系統(tǒng)中，幾個(gè)并聯(lián)的參量均需取自 同一瞬時(shí)，而幾個(gè)參數(shù)的 A／ D轉(zhuǎn)換又共享一個(gè)芯片，所得到的幾個(gè)量就不是同一時(shí)刻的值，無(wú)法進(jìn)行計(jì)算和比較。此時(shí)，采樣／保 持器的輸出重新跟蹤輸入信號(hào)的變化，直到下一個(gè)保持命令來(lái)到為止。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管比 MOS電路抗干擾能力強(qiáng)，而且不受溫度影響。 LFl98供電電源可以從177。多路開(kāi)關(guān)是用來(lái)切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵器件，為了提高參數(shù)的測(cè)量精度，對(duì)其要求是：導(dǎo)通電阻小，開(kāi)路電阻大，交叉干擾小，速度快。而當(dāng) INH為高電平時(shí)，不論 A、 B、 C為何值， 8個(gè)通道均不通。本系統(tǒng)采用的是 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809簡(jiǎn)介 ADC0809是采用逐次比較法的 8位 A／ D變換芯片。 引腳圖如圖所示 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 33 ADC0809 引腳圖 ADC0809與 8051接口 圖是 ADC0809與 8051接口的連接方法。ADC0809的 EOC經(jīng)反相器與 P3． O引腳相連接，則 8051根據(jù) 結(jié)果是否結(jié) 束。 在本文中用 2817A電可改寫(xiě)只讀存儲(chǔ)器 (EEPIi0M)，對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展； 6116擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其擴(kuò)展電路如圖所示 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 I/O口的擴(kuò)展電路 單片機(jī)所提供的輸入輸出 (I／ 0)線很少，大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)需要外加擴(kuò)展 I／ 0接口。 DO～ D7為數(shù)據(jù)輸入線， Q0～ Q7為數(shù)據(jù)輸出線； E為片選信號(hào)線， CP為時(shí)鐘輸入線。如圖其硬件接口電路。 油缸運(yùn)動(dòng)顯示燈 (Lifting／ Lowing)：當(dāng)油缸向上運(yùn)動(dòng)后，那么 向上的指示燈就亮；當(dāng)油缸不運(yùn)動(dòng)時(shí)，那么不運(yùn)動(dòng)指示燈；當(dāng)油缸向下運(yùn)動(dòng)后，那么向下的指示燈就亮。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 36 本文考慮到 車(chē)載 自動(dòng)控制系統(tǒng)需要顯示的內(nèi)容以及特點(diǎn)，采用 MAX7219顯示驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)設(shè)計(jì) 7段 8位 LED顯示器。 (2)共陰極接法 把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。點(diǎn)亮顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。 MAX7219為 24引腳芯片，引腳排列如圖所示： 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 37 MAX7219引腳排列 MAX7219引腳功能如下： DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端，在 CLK的上升沿?cái)?shù)據(jù)被鎖入芯片內(nèi) 部 16位移位寄存器。 MAX7219和 8051的連接有兩種形式，并行接口方式和串行接口方式。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 38 功率驅(qū)動(dòng)放大電路 相對(duì)于 8051單片機(jī)來(lái)說(shuō)，電磁鐵屬于功率較大的感性負(fù)載，在電磁鐵通斷電的瞬間往往會(huì)產(chǎn)生較大的尖峰電壓，若防護(hù)不當(dāng)則有可能將控制器件甚至是控制器燒毀 ，所以我們?cè)?PWM輸出端采用了光電隔離措施，把