【文章內(nèi)容簡介】 不同，可以控制不同重量大小的樁錘，MC9S12XS128系列沖孔樁機控制系統(tǒng)可以根據(jù)施工需要對樁錘的重量和沖孔的孔徑大小進行配置，提高了MC9S12XS128系列沖孔樁機自動控制系統(tǒng)在各種環(huán)境下沖孔打樁施工的適應(yīng)能力。本研究系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容主要包括：a．本項目研究的是基于MC9S12XS128打樁機控制系統(tǒng)的設(shè)計，從機械改裝和執(zhí)行器設(shè)計以及硬件進行設(shè)計；b．設(shè)計系統(tǒng)的安全保護方面，主要電源設(shè)計、線路板的硬件保護等方面對沖孔樁機自動控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障進行保護。c．設(shè)計中對系統(tǒng)的可靠性和抗干擾方面進行了設(shè)計，從電磁兼容的角度出發(fā)，針對系統(tǒng)應(yīng)用的施工現(xiàn)場的各種干擾進行了設(shè)計。2沖孔打樁機的施工原理與總體硬件設(shè)計42沖孔打樁機的施工原理與總體硬件設(shè)計經(jīng)過對課題工程背景的研究，設(shè)計需要從控制對象的角度尋找設(shè)計的切入點，本章從沖孔樁機手動控制系統(tǒng)的打樁原理和施工過程進行分析，從而得出沖孔樁機自動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計思想框架。落錘打樁機系統(tǒng)主要由樁錘、樁架、卷揚機、操作臺及一些附屬設(shè)備等組成。沖孔樁機的機械系統(tǒng)由樁錘、樁架、卷揚機、泥漿機及一些附屬設(shè)備等組成。樁錘由鋼絲繩吊起，通過樁架前部的立柱頂部的定滑輪與樁架相連。樁架為一鋼結(jié)構(gòu)塔架，在其后部設(shè)有卷揚機，作為吊起樁錘的動力源，樁架前面有兩根導(dǎo)桿和一個定滑輪組成的導(dǎo)向架，用以控制打樁方向，使鋼絲繩不致亂甩從而造成安全隱患，并使樁錘能夠按照設(shè)計方位準(zhǔn)確提升與下降。樁架上設(shè)有人工操作臺，西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）5人工操作臺主要由施工人員完成打樁過程中通過對離合和剎車操作桿的操作，完成對電機的剎車、離合和開關(guān)控制。沖孔樁機的電器系統(tǒng)主要是卷揚機，卷揚機是一種用來完成牽引工作的機械設(shè)備，通過人力或者機械動力對卷揚機的卷筒進行驅(qū)動，從而使得卷筒卷繞繩索完成垂直、水平或者傾斜拉動或拽引重物。卷揚機根據(jù)驅(qū)動力的不同分為手動和電動兩種，在沖孔樁機手動控制系統(tǒng)中，采用的是電動卷揚機，它由5個部分組成，即電動機、聯(lián)軸節(jié)、制動器、齒輪箱和卷筒，卷揚機安裝在樁架上，對于沖孔樁機的起升高度和工作頻繁的施工特點，能夠靈活快速的使樁錘上升與下降，調(diào)速性能好。對于沖孔打樁機來說，卷揚機的電機是45KW的三相異步電動機，它是整個系統(tǒng)的動力來源，電機正常運轉(zhuǎn)是整個系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵，因此在施工過程中對于電機的控制和保護是非常重要的。當(dāng)現(xiàn)場打樁工作的前期準(zhǔn)備工作完成以后，施工人員準(zhǔn)備進行手動打樁時，首先，現(xiàn)場持有樁機操作證的施工人員先將沖孔樁機的樁架搭建并放置在預(yù)定的打樁位置，再將樁錘和鋼絲繩穩(wěn)定的焊接在一起，機械安裝檢查無誤后，打開三相異步電機電源，使電機能夠正常運轉(zhuǎn)，之后便由工作人員開始進行手動打樁。手動打樁時，施工人員首先控制離合操作桿，使電機帶動樁錘上升，上升到一定高度后，松開離合操作桿，使樁錘做自由落體運動，當(dāng)下落至一定高度時，拉緊剎車操作桿，剎車操作的時間要控制好，快了容易打空錘，對鋼絲繩壽命造成影響，慢了會使放繩過長，使得卷筒的鋼絲繩偏離預(yù)定的纏繞位置，對整個機械和樁錘的垂直提升造成影響。當(dāng)出現(xiàn)故障時，必須拉緊剎車操作桿，關(guān)掉三相異步電機的電源后再檢查故障。手動打樁時，至少有兩名施工人員在現(xiàn)場配合工作，手動打樁的高度和頻率控制主要靠施工人員的工作和操作經(jīng)驗完成，勞動量比較大，需要時刻注意安全問題。硬件是系統(tǒng)的框架，在對原有的沖孔打樁機手動控制系統(tǒng)進行執(zhí)行器的改裝之后，針對沖孔打樁機手動控制系統(tǒng)的經(jīng)驗控制參數(shù)，選擇微控制器實現(xiàn)所設(shè)計系統(tǒng)的自動化控制，選擇相應(yīng)的傳感器對高度及故障信號進行檢測，根據(jù)工人自己的經(jīng)驗對打樁的高度控制，可以通過人機接口電路完成自動控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，使自動控制系統(tǒng)進行自動打樁成孔，通過樁錘以及各種傳感器傳輸回來的參西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）6數(shù)，微控制器可以根據(jù)得到的信息判斷打樁機施工的工作狀態(tài)，經(jīng)過相應(yīng)算法隨時調(diào)整對剎車、離合和電機的控制，當(dāng)通過故障檢測模塊檢測到故障時，微控制器及時處理故障，使得各個功能模塊合理配合完成打樁施工的穩(wěn)定運行。根據(jù)落錘打樁機自動控制系統(tǒng)的控制要求。3沖孔樁機自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計73沖孔樁機自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計針對沖孔樁機自動控制系統(tǒng)的控制要求，前面對系統(tǒng)的機械進行了改裝，接下來是對控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，根據(jù)對手動打樁機控制系統(tǒng)的分析，硬件系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點在于對整個打樁機系統(tǒng)的各個參數(shù)采取相應(yīng)的采集與處理。對于沖孔樁機自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計原理方法主要有：1）對電機信號的檢測：采用電流互感器對電機的運行信號及起錘信號進行檢測；2）對電機通斷的控制：采用間接控制的方式實現(xiàn)對電機的控制，具體做法是直流繼電器控制急停開關(guān)，急停開關(guān)控制三相異步電機的通斷；3）對高度信號的檢測：設(shè)計中在卷揚機的轉(zhuǎn)軸上面等距離的放置一圈永磁鐵，采用霍爾傳感器檢測磁信號的脈沖來計算高度和余繩長度；4）對剎車時間和離合時間的控制是通過控制電磁閥實現(xiàn)的。5）對故障的處理，對于卡錘故障，設(shè)計中采用霍爾傳感器檢測樁架的位移來檢測是否出現(xiàn)了卡錘故障；對于天錘故障，設(shè)計采取霍爾傳感器檢測磁信號的脈沖進行檢測，當(dāng)故障出現(xiàn)時，及時將信號送給微控制器進行處理。硬件電路的設(shè)計直接影響到整個系統(tǒng)的設(shè)計，因此系統(tǒng)硬件設(shè)計至關(guān)重要。硬件電路設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，沖孔樁機自動控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由微控制器模塊、電源模塊、電機控制模塊、離合和剎車控制模塊、高度和卡錘檢測模塊、人機交互模塊等部分組成。本章節(jié)主要介紹沖孔樁機硬件組成以及功能實現(xiàn)方法。設(shè)計中采用Freescale公司生產(chǎn)的16位的處理器MC9S12XS128為核心控制芯片。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）8根據(jù)沖孔樁機自動控制系統(tǒng)的控制要求對各個單元模塊進行設(shè)計如下。微控制器的選擇：系統(tǒng)采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位處理器MC9S12XS128為核心控制芯片。MC9S12XS128微控制器是Freescale公司MC9XS12系列的16位單片機，112管腳LQFP封裝。因其容量大，處理速度快，I/O口也足夠，耐溫較51單片機要好很多，所以選此芯片。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）9123456789101112ABCD121110987654321DCBAC10104C11104C22104E1010UFE1110UFE1410uL6INDUCTORL7INDUCTORL8INDUCTOR5VVCC5VVCCIO5VVCCPWM31PWM22PWM13PWM04PK35PK26PK17PK08IOC0/PT09IOC1/PT110IOC2/PT211IOC3/PT312VDDF13VSS114PWM4/IOC4/PT415VREG_API/PWM5/IOC5/PT516PWM6/IOC6/PT617PWM7/IOC7/PT718PK519PK420KWJ1/PJ121KWJ0/PJ022MODC/BKGD23PB024PB125PB226PB327PB428PB529PB630PB731KWH7/PH732KWH6/PH633KWH5/PH534KWH4/PH435XCLKS/ECLKX2/PE736PE637PE538ECLK/PE439VSSX240VDDX241RESET42VDDR43VSS344VSSPLL45EXTAL46XTAL47VDDPLL48KWH3/PH349KWH2/PH250KWH1/PH151KWH0/PH052PE353PE254IRQ/PE155XIRQ/PE056VDD65VSS266PAD00/AN0067PAD08/AN0868PAD01/AN0169PAD09/AN0970PAD02/AN0271PAD10/AN1072PAD03/AN0373PAD11/AN1174PAD04/AN0475PAD12/AN1276PAD05/AN0577PAD13/AN1378PAD06/AN0679PAD14/AN1480PAD07/AN0781PAD15/AN1582VDDA83VRH84VRL85VSSA86PM787PM688PS0/RXD089PS1/TXD090PS2/RXD191PS3/TXD192PS4/MISO093PS5/MOSI094PS6/SCK095PS7/SS096TEST97PJ7/KWJ798PJ6/KWJ699PM5/SCK0100PM4/MOSI0101PM3/SS0102PM2/MISO0103PM1/TXCAN0/TXD1104PM0/RXCAN0/RXD1105VSSX1106VDDX1107PK7108PP7/KWP7/PWM7109PP6/KWP6/PWM6110PWM5111PWM4112PA057PA158PA259PA360PA461PA562PA663PA764MC9S12XS128U11MC9S12XS128C4115pfC4220pfY216MHzR5210MEXTALXTAL123456BDM15VVCCRESETBKGD5VGNDR26R235VGND5VGND5VGNDIO5VGND5VGND5VGND5VVCC1234COM1CON45VGND5VVCCTXD0RXD0PWM0PWM1PWM2PWM3PK0PK1PK2PK3PT0PT1PT2PT3PT4PT5PT6PT7PK4PK5PJ0PJ1BKGDPB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PH0PH1PH2PH3PH4PH5PH6PH7EXTALXTALPE4PE5PE6RESETPE0PE1PE2PE3PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PAD00PAD01PAD02PAD03PAD04PAD05PAD06PAD07PAD08PAD09PAD10PAD11PAD12PAD13PAD14PAD15PM6PM7RXD0TXD0PS2PS3PS4PS5SCLSDAPJ6PJ7PM0PM1PM2PM3PM4PM5PK7PWM4PWM5PWM6PWM7MC9S12XS128微控制器以高速的CPU12內(nèi)核為核心，由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成，包括16位中央處理器、128KB的Flash存儲器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、兩個異步串行通信接口、兩個串行外圍接口、一組8通道增強型定時器（ECT）、兩組8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、一組8通道脈寬調(diào)制模塊（PWM）、一個字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29路獨立的數(shù)字I/O接口、20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O接口、5個增強型CAN總線接口。同時，單片機內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要，外部輸入時鐘經(jīng)過內(nèi)部鎖相環(huán)后，頻率可達96MHz。端口A、B和K為通用I/O口；端口E整合了IRQ，XIRQ中斷輸入；端口T整合了1個定時模塊；端口S整合了2個SCI模塊和1個SPI模塊；端口P整合了PWM模塊，同時可用作外部中斷源輸入；端口H和J為通用I/O接口，同時可用作外部中斷源輸入。電源能否提供穩(wěn)定的電壓是一個系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行的前提，沒有一個穩(wěn)定的西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）10硬件系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，打樁機的正常運行是不可能完成的。為了能夠獲得穩(wěn)定的電源輸出，設(shè)計中的電源模塊為各個功能模塊提供合適的、穩(wěn)定的工作電壓。在本設(shè)計系統(tǒng)中，有多種電壓，分別為直流3V、+5V、24V和交流220V幾種。其中3V為紐扣電池，為保證時鐘的正確在系統(tǒng)下電時為時鐘芯片提供電壓，；5V為微控制器等大部分集成芯片供電；+24V為外圍接口電路，例如電機繼電器、電磁閥、霍爾傳感器等供電；交流220V為ACDC（220V轉(zhuǎn)24V）供電。電源電路主要經(jīng)過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓和電容濾波。，24V電路中主要是濾波，F(xiàn)2為保險，D2為防反二極管，CC4為CBB電容，E3為50V470uF的電解電容，與C3組成濾波電容，T2為共模扼流圈。24V轉(zhuǎn)5V是通過穩(wěn)壓芯片LM25765實現(xiàn)的，LM2576系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，能驅(qū)動3A的負(fù)載，又優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。圖中R1為0歐電阻，起到隔離的作用。同時，為了避免每一個模塊電源之間的相互干擾，在每一路的電源進出口都加了濾波電容和差模電感，以此來消除高頻干擾、共模干擾和差模干擾。123456789101112ABCD121110987654321DCBAD2IN400724VVCC_IN24VGND_IN11223344T2E3470uF 50V24VVCC24VGNDVin1Ground3ON/OFF5FeedBack4Out