【正文】 南昌航空大學科技學院學士學位論文 25 數(shù)字控制器的硬件設(shè) 計 概述 數(shù)字控制器的組成 數(shù)字控制器結(jié)構(gòu)如圖 4． 1所示，主要包括單片機基本系統(tǒng)、電源模塊、液晶顯示模．塊、鍵盤輸入、信號處理模塊及驅(qū)動電路等部分。此外，其具有品種全、兼容性強、穩(wěn)定可靠、軟硬件資料豐富等特點，應(yīng)用愈加廣泛，直到現(xiàn)在 MCS— 51仍為單片機的主流系列。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地。 平時不訪問片外存儲器時， ALE端也以振蕩頻率的 1／ 6固定輸出正脈沖，因而 ALE信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。 當 EA引腳接高電平時， CPU只訪問片內(nèi) EPROM／ ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，但當 PC(程序計數(shù)器 )的值超過 0FFFH，將自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存儲器內(nèi) 的程序。 P2口 (P2． O— P2． 7， 21— 28腳 )： P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8位準雙向 I／ O端口。在 車載 工作過程中，通過幾個按鍵設(shè)定控制器的工作參數(shù)，控制鏟刀的工作 狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制。 確認鍵：參數(shù)設(shè)定完畢后，當按下該鍵，存儲所設(shè)定值，并返回到正常顯示狀態(tài)。 為了保證按鍵每輸入一次僅作一次處理，需要在程序結(jié)構(gòu)中加以考慮。所以要求輸入到 A／ D轉(zhuǎn)換器的模擬量在整個轉(zhuǎn)換過程中保持不變，但轉(zhuǎn)換之后，又要求 A／ D轉(zhuǎn)換器的輸入信號能夠跟隨模擬量變化，能夠完成上述任務(wù)的器件叫采樣／保持器 (Sample／ Hole)，簡稱 s／ H S／ H有兩種工作方式，一種是采樣方式，另一種是保持方式?？偟脑O(shè)計保證 是，即使是在輸入信號等于電源電壓時，也可以將輸入饋送到輸出端。 常用的由 CMOS場效應(yīng)管組成的單片機多路開關(guān) CD4501的原理如圖所示。芯片內(nèi)部除 A／ D轉(zhuǎn)換部分外還有多路模擬開關(guān)及其地址譯碼鎖存器，三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器等電路。接口電路中 74LS373是常用的鎖存器電路，主要用來在總線傳輸電路中鎖存地址信息或數(shù)據(jù)信息，并實現(xiàn)總線信號的緩沖與驅(qū)動。當 E為低電平時， CP脈沖的上升沿把 D端的數(shù)據(jù)送到 Q端，并加以鎖存。 LED顯示模塊 對于 車載 鏟刀升降 自動調(diào)平 控制系統(tǒng)而言，顯示器也是一個不可忽略的部分。使用時會共陰極接地，陽極端輸入高 ， 電平的段發(fā)光二極管導通點亮，輸入低電平的則不點亮。 DIG0DIG7： LED位線，從共陰極 LED中吸入電流； LOAD：數(shù)據(jù)裝載信號輸入端，在 LOAD的上升沿最后的 16位串行數(shù)據(jù)被鎖入； SEGA— SEGG， SEGDP：段碼輸出端； ISET：硬件亮度調(diào)節(jié)端； DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端，輸入到 DIN的數(shù)據(jù)在 1615個時鐘周期后在 DOUT腳發(fā)出，該腳用于與級聯(lián)擴展； CLK：移位脈沖輸入端，最高時鐘頻率位 10MHz，在 CLK的上升沿數(shù)據(jù)被鎖入內(nèi)部移位寄存器；在 CLK的下降沿，數(shù)據(jù)從 DOUT腳被輸出； V十：正電源； GND：接地。電路設(shè)計如圖所示。其片內(nèi)包含有一個 BCD碼譯碼器、多路復用掃描電路、段和位驅(qū)動器及存儲每個數(shù)字的 8x8固態(tài) RAM。陰極端輸入低電平的段發(fā)光二極管導通點亮，輸入高電平的則不點亮。操作員可以通過 A／ M按鍵，進行兩種工作狀態(tài)的切換。 74LS377是帶有選通輸入的 8D觸發(fā)器。 P0口的 ， ， ADC0809的地址線 A、 B、 C相連接，對應(yīng) 8路輸入模擬信號的地址是 FEX8H～ FEXFH。 A／ D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理可以分為逐次比較型和積分型～ D轉(zhuǎn)換器，按位數(shù)分類有 8位、 10位、 12位、 14位和 16．位 A／ D轉(zhuǎn)換器等。 LFl98的原理如圖所示 LFl98原理圖 模擬多路開關(guān) 模擬多路開關(guān)的作用為分別或依次把各傳感器輸出的模擬量與 A／ D接通，以便進行 A／ D轉(zhuǎn)換。作為單一的放大器時，其電路增益精度為 0． 002％，采樣時間小于鰍 s時精度可達 0． 001％，采用雙級型輸入狀態(tài)可獲得低偏差電壓和寬頻帶。在轉(zhuǎn)換過程中，如果模擬量產(chǎn)生變化，將直接影響轉(zhuǎn)換精度。 采用硬件電路消除觸點抖動需要對每個鍵附 加一套消抖電路，這樣會加大硬件成本。 增建和減鍵：這兩個按鍵配合著設(shè)置鍵一同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各項工作參數(shù)，同時在手動狀態(tài)下可以通過這兩個按鍵直接控制平地鏟的升降。l，每個引腳還具有第二功能 。 P1口的每一位能驅(qū)動 4個 LS型 TTL負載。 PSEN端同樣可驅(qū)動 8個 LS型 TTL負載。當 8051上電正常工作后， ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率 f的 1／ 6。若需采用外部時鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。 1976年 Intel公司推出了 8位的 MCS一 48系列的單片機，它以其體積小、控制功能全、價格低等特點，贏得了廣闊的市場。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 24 脈寬調(diào)節(jié)示意圖 恒速調(diào)節(jié)區(qū)：所謂恒速調(diào)節(jié)區(qū)是指當路面高度誤差超出系統(tǒng)設(shè)置的靈敏度值范圍時， P1jI『 M波輸出為持續(xù)高電平，這樣就使得電磁閥處于常開狀態(tài)，工作油缸以最大速度移動 (如圖所示 )，使得當路面的波動較大時鏟刀能夠在最短的時間內(nèi)調(diào)整過來。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 23 系統(tǒng)調(diào)節(jié)區(qū)域圖 圖中的三個區(qū)域的大小是由控制器中設(shè)置的靈敏度值和窗口值決定的。在本系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境下正常工作，保證一個穩(wěn)定的控制精度，采用軟硬件相結(jié)合的方法，對干擾信號進行多重處理。從式 (16)中可以看到，每次的控制輸出都與系統(tǒng)過去的所有狀態(tài)有關(guān)。 控制算法的設(shè)計 PID控制是指通過對被控參數(shù)的偏差施加比例作用、積分作用和微分作用(Proportional+Integral+Deviative，縮寫為 PID)給出控制器的輸出。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 19 開關(guān)型電磁換向閥可簡化為一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可表示為： （ 9） 式中： 一開關(guān)電磁換向閥的流量增益， 一開關(guān)電磁換向閥的時間常數(shù)， s。 系統(tǒng)對工作油缸的行程控制采用分步進行的方式，通過超聲波傳感器檢測到的高度信南昌航空大學科技學院學士學位論文 18 號，與系統(tǒng)設(shè)定的基準高度相比較，如果高度誤差超出了系統(tǒng)設(shè)定的靈敏度范圍，那么對油缸的運動采取恒速控制 (即使電磁閥始終處于常開狀態(tài) )；若高度誤差在靈敏度范圍之內(nèi) (即進入了所謂的脈沖區(qū) )，那么控制器將對電磁閥相應(yīng)一端的電磁鐵供以脈沖信號， 通過控制電磁閥的通斷時間使得油缸的運動速度放慢，以較小的速度逼近理想狀態(tài)。基于系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性考慮，本系統(tǒng)采用了脈寬調(diào)制 (PWM)比例脈沖式來對電磁換向閥進行控制。 在工作過程中，首先通過控制器設(shè)定整平基準，當平整路面發(fā)生上下起伏的變化時，南昌航空大學科技學院學士學位論文 17 牽引架會發(fā)生上下移動，所以它也會帶著鏟刀一起升降，同時安裝在牽引架上的超聲波傳感器也共同升降。超聲波的傳播速度是一個變量，受多種因素影響，即使在傳播介質(zhì)確定的情況下，介質(zhì)溫度、聲壓、風力等的改變，也將影響超聲波的傳播速度。式 (1)兩邊微分得到 ds=(cdt+tdc)／ 2 （ 2） 式 (2)說明，超聲波測距傳感器的測試精度是由聲時和聲速兩個參數(shù)的精度決定。同時必須弄明白其工作原理，這樣才能更好的使用它，更好的明白整個 自動調(diào)平 控制系統(tǒng)。 單片機有較高的運算速度，開發(fā)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā)；另外，單片機的應(yīng)用已經(jīng)非常的廣泛，具有許多可以借鑒的經(jīng)驗，為控制器的設(shè)計帶來方便。編程容易，接口簡單，可以采用高級語言編程，設(shè)計友好的工作界面，利用計算機強大的計算功能，編制復雜的軟件：另外，其接口都是標準接口，易于與各系統(tǒng)之間進行通訊與連接。 2．可編程控制器 (PLC)：順序控制、運動控制、過程控制等。 車載 自動調(diào)平 控制系統(tǒng)的方案 這個控制系統(tǒng)的框圖基本上反應(yīng)了 車載 非接觸式 自動調(diào)平 控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，并且符合當前控制系統(tǒng)的大體設(shè)計趨勢，同時能夠基本滿足施工現(xiàn)場的要求。 系統(tǒng)也應(yīng)該具有控制窗口設(shè)計功能， 車載自動調(diào)平 系統(tǒng)的基準是通過超聲波傳感器設(shè)定，在整平的過程中，由于路基高度的突變，超出了正常的工作范圍，超聲波傳感器會檢測到這種變化，輸出的高度信號也會突變，于是引起了控制器的強烈反應(yīng)，控制器輸出信號控制液壓油缸，導致路面出現(xiàn)一個明顯的凹凸。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 10 車載 自動調(diào)平 控制系統(tǒng)的設(shè)計 通過對車載自動調(diào)平裝置的工作原理分析，我們對車載的調(diào)平性能有了理論上的認識，但是在 車載 自動 調(diào) 平控制系統(tǒng)中，不僅需要分析找平裝置的工作原理，而且對液壓控制系統(tǒng)、超聲波傳感器、以及自動 調(diào) 平控制方案等都需要有進行一定深度的理解和分析。影響超聲波傳播速度的因素很多，在道路施工中，溫度、風力、煙氣是重要的影響因素。更重要的是，此種找平系統(tǒng)對現(xiàn)場的管理要求較高。激光接收器的功用是接收激光發(fā)射器發(fā)來的高程光信號，并根據(jù)相對基準參照面的高度變化將光信號轉(zhuǎn)換成變化的電信號，并傳輸?shù)娇刂破?。由于傳感器安裝于 車載 的大臂上，鏟刀將隨大臂按基準線的高程作相應(yīng)的調(diào)整，進而實現(xiàn)對作業(yè)路面高程的控制。非接觸式 自動調(diào)平 系統(tǒng)在 20世紀 90年代就被用于工程機械的找平控制中，它的許多優(yōu)點使 車載 的質(zhì)量和效益得到了極大的提高，為施工企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益，因此從推廣以來已逐步地在世界各地得到了廣泛使用。 (2)閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器檢測出偏差信號進入脈沖區(qū)后，調(diào)節(jié)器根據(jù)信號的大小，以不同寬度或頻率的脈沖信號推動電磁閥動作，使得油缸工作。為了消除振蕩所引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定的缺陷，“死區(qū) 要足夠?qū)挘屜到y(tǒng) 在反向修正時可由最高值趨向于零速，不會再沖向一邊，但是“死區(qū) 過寬又降低了系統(tǒng)的精確度。 工作裝置：工作裝置即鏟刀。 自動調(diào)平系統(tǒng)的基本構(gòu)造 自動 調(diào) 平系統(tǒng)一般由檢測裝置、執(zhí)行裝置和工作裝置等幾部分組成。與此同時，還提供一個自身故障診斷系統(tǒng)。 近年來，隨著電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)等的發(fā)展， 車載 在性能上得到了進一步的完善，具體涉及到自動 調(diào) 平系統(tǒng)、行走驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等方面的改進。它是靠移動牽引架 來改變平地鏟刀的升降。 （含文獻綜述）： 手動調(diào)平系統(tǒng) 20世紀 50年代末期，美國 AKNSAS州高速公路委員會的一名工程師發(fā)明了 第一套 自動調(diào)平 裝置。南昌航空大學科技學院學士學位論文 1 引言 1． 1 選題的依據(jù) ： 車載 是一種以刮土鏟刀為主，并配有其他多種輔助作業(yè)裝置，進行土壤的切削、刮送和整平等作業(yè)的土方工程建設(shè)機械，其效率高、作業(yè)精度高、功用多，可進行路基、路面的整形；礫石或砂石路的維修；挖溝、草皮或表層土的剝離；修刮邊坡等切削平整作業(yè)，被廣泛用于公路、鐵路、機場、停車場等大面積場地的整平，也被用于進行農(nóng)田整地、路堤整形及林區(qū)道路的整修等?；谝陨系挠懻摚菊撐闹饕芯苛顺暡ㄗ詣?調(diào) 平技術(shù)。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 2 20世紀 70年代初期，研究人員在手動 調(diào) 平系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)出早期的自動 調(diào) 平系統(tǒng)。 基準線式 調(diào) 平效果較好，但容易受外界影響 (如本身撓度及重力影響等 )； 當基準路面比較軟時，多采用滑靴式隨動裝置；輪式隨動裝置常用于比較硬的地面為基準時的作業(yè)，如瀝青路面等。此系統(tǒng)采用微處理器來自動控制縱坡和橫坡。因此，分析研究自動 調(diào) 平系統(tǒng)的工作原理，將有助于我們對自動 調(diào) 平控制系統(tǒng)有更深刻的理解。工作時油泵輸出壓力經(jīng)過 2個流量閥排出定量的油液，在電磁閥的控制下經(jīng)液控單向閥進入油缸，油缸活塞桿的伸縮控制牽引架的降低與抬高，保持刮刀的位置不變，達到路面的平整度標準。超調(diào)需要反方向的修正，這樣在不斷的超調(diào)和修正之間，系統(tǒng)就在“死區(qū)’’附近來回的搜索零點，使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，由此而影響到路面的平整度。脈沖信號根據(jù)偏差的大小成正比例變化，其變化方式主要有改變脈沖寬度 (PWM)和脈沖頻率 (PFW)。開環(huán)控制系統(tǒng)比較容易構(gòu)造，結(jié)構(gòu)也比較簡單。 非接觸式 自動調(diào)平 控制系統(tǒng)的分析與比較 近年來隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施投入增大，對高等級公路建設(shè)的質(zhì)量要求也越來越高， 自動調(diào)平 系統(tǒng)是現(xiàn)代 車載 的重要標志之一，對 車載 的性能及路面的平整質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。通過比較實時平均距離與設(shè)定基準距離之間的偏差，產(chǎn)生校正信號控制調(diào)平油缸的升降，使實時平均距離與設(shè)定基準距離之間的偏差處于設(shè)定的范圍內(nèi)。由于該參照面是處于一定空間高度的穩(wěn)定平面，因而不受機群作業(yè)和其它因素的干擾。激光式找平系統(tǒng)也會受到環(huán)境因素的影響，在能見度很低的情況下，會嚴重影響激光的傳輸，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。譬如，本系統(tǒng)采用的是超聲波傳感器，利用的是超聲波測距原理：依靠超聲波的傳播速度和聲時來計算探頭到目標的距離的。這就需要我們不斷的利用新技術(shù)，研究并改進 自動調(diào)平 控制系統(tǒng)，開發(fā)故障診斷等專家系統(tǒng)，不斷提高 車載 平整精度，減少作業(yè)循環(huán)次數(shù)，提高工效。 具有靈敏度設(shè)置功能，使 車載 在不同的施工環(huán)境和平整不同等級的路面時能對靈敏度進行調(diào)整，通過合 理設(shè)置很好