基于STM32系列單片機(jī)的盤(pán)式液壓制動(dòng)器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

王麗潔，徐德凱

（西安理工大學(xué)，西安 710082）

0 引言

盤(pán)式液壓制動(dòng)器是采煤機(jī)上一個(gè)重要部件，相對(duì)于鼓式制動(dòng)器，具有穩(wěn)定制動(dòng)性能、力矩容量大、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性好等突出的優(yōu)點(diǎn)，在采煤機(jī)、起重機(jī)、挖掘機(jī)等重型設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。盤(pán)式液壓制動(dòng)器在坡度小于15°時(shí)制動(dòng)器的負(fù)載不是很高，但坡度大時(shí)由于要頻繁使用，造成的摩擦升溫問(wèn)題相對(duì)要嚴(yán)重，對(duì)摩擦片的損傷較大，而且溫升引起的漏油也通常導(dǎo)致壓力不夠。另一方面，如果摩擦片的磨損量過(guò)大，會(huì)引起制動(dòng)性能減弱。目前對(duì)磨損量的測(cè)量主要是通過(guò)采煤機(jī)后蓋的孔利用深度尺來(lái)測(cè)量，人為因素較大，如果摩擦片更換的早，會(huì)造成成本上的浪費(fèi)，如沒(méi)有及時(shí)更換摩擦片，會(huì)存在著很大的安全隱患。

針對(duì)現(xiàn)有采煤機(jī)上盤(pán)式液壓制動(dòng)器在生產(chǎn)應(yīng)用中存在的不足，本文提出研制一種能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè)功能的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反映摩擦材料的磨損量、溫度分布、熱疲勞狀況。具有在線監(jiān)測(cè)功能的制動(dòng)器能夠有效減少安全隱患，使制動(dòng)器的安全性、可靠性進(jìn)一步提高，有著較高應(yīng)用價(jià)值。

1 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

盤(pán)式液壓制動(dòng)器的工作環(huán)境惡劣、干擾信號(hào)復(fù)雜，因此本系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)基本原則是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、及時(shí)準(zhǔn)確地顯示出系統(tǒng)當(dāng)狀況、具備較好的性價(jià)比?？傮w方案如圖1所示。

圖1 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

2 盤(pán)式液壓制動(dòng)器檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)

盤(pán)式液壓制動(dòng)器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是：制動(dòng)器摩擦片磨損量的實(shí)時(shí)檢測(cè)和超過(guò)所設(shè)置的磨損量時(shí)向采煤機(jī)PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)；制動(dòng)器摩擦片制動(dòng)時(shí)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)制動(dòng)器摩擦片高溫工作時(shí)間累積到設(shè)定值時(shí)向采煤機(jī)PLC發(fā)出報(bào)警。根據(jù)現(xiàn)有的位移和溫度的檢測(cè)方法，本系統(tǒng)選用霍爾式傳感器作為位移測(cè)量元件；通過(guò)單片機(jī)自帶的溫度傳感器，測(cè)量制動(dòng)器活塞與后蓋之間的密封腔環(huán)境的溫度來(lái)間接的推算摩擦片制動(dòng)時(shí)的溫度，既經(jīng)濟(jì)又解決了傳感器的安裝問(wèn)題。

3 盤(pán)式液壓制動(dòng)器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)的選擇

單片機(jī)是整個(gè)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)和報(bào)警功能，單片機(jī)的選用原則是在滿足測(cè)試系統(tǒng)要求的條件下，需要具有一定的靈活性和擴(kuò)展功能。

本系統(tǒng)選用ST公司的STM32系列單片機(jī)。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能。兩個(gè)系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。

3.2 位移傳感器的選擇

本系統(tǒng)采用A139x系列線性霍爾效應(yīng)傳感器，其集成電路（IC）提供直接與所適用磁場(chǎng)成比例的電壓輸出。利用霍爾位移傳感器與磁鐵間距離的間隔而引起的電壓的變化，把位移的變化量轉(zhuǎn)化成電壓的變化量，從而實(shí)現(xiàn)電壓和位移間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。將磁鐵固定在活塞中，再將傳感器固定在制動(dòng)器后蓋內(nèi)腔中。然后分別用1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm的精密墊片來(lái)進(jìn)行位移的測(cè)量，記錄下對(duì)應(yīng)位移下的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)定線性化。本系統(tǒng)用VC6.0編寫(xiě)了如圖2所示的液壓盤(pán)式制動(dòng)器參數(shù)設(shè)置軟件，使位移傳感器的標(biāo)定參數(shù)和系數(shù)計(jì)算可在PC機(jī)上進(jìn)行。

圖2 液壓盤(pán)式制動(dòng)器參數(shù)設(shè)置軟件

3.3 溫度傳感器電路

溫度傳感器選用STM32F103VBT6單片機(jī)自帶的內(nèi)部溫度傳感器，可用來(lái)測(cè)量CPU（中央處理器）及周圍的溫度。溫度傳感器在內(nèi)部和ADCX_IN16輸入通道相連接，此通道將傳感器輸出的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。溫度傳感器有采樣時(shí)間，推薦為17.1ms。

直接測(cè)量制動(dòng)器摩擦片的溫度是很難實(shí)現(xiàn)的，主要原因是傳感器無(wú)法直接安裝在摩擦片上，所以只能通過(guò)測(cè)量活塞與后蓋之間的內(nèi)腔中空氣的溫度，并根據(jù)溫度場(chǎng)模型來(lái)估算摩擦片的溫度。同時(shí)檢測(cè)電路部分安排了8M字節(jié)的SPI接口的FLASH，系統(tǒng)每隔一分鐘測(cè)一次活塞與后蓋之間的內(nèi)腔中空氣的溫度，并把所測(cè)溫度和測(cè)溫時(shí)的時(shí)間記錄在8M字節(jié)的FLASH里?？蔀轵?yàn)證所引用的摩擦片溫度場(chǎng)模型是否與實(shí)際現(xiàn)實(shí)工作情況一致提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。

3.4 調(diào)試及上位機(jī)電路

調(diào)試及上位機(jī)電路如圖3所示，J2是STM32的SWD調(diào)試接口，為調(diào)試和燒錄程序所用。J3為UART串行通信接口，為標(biāo)定位移傳感器參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)試檢查提供通信接口。

圖3 調(diào)試及上位機(jī)電路

4 盤(pán)式液壓制動(dòng)器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)初始化、參數(shù)讀入程序、外圍器件初始化程序、AD轉(zhuǎn)換程序、采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、報(bào)警程序和上位機(jī)通信程序。其中單片機(jī)初始化程序只是實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的配置，所用AD轉(zhuǎn)換口的配置和IO口的配置。參數(shù)讀入程序是把位移傳感器線性化后的參數(shù)從8M字節(jié)的SPI接口的FLASH中讀入到內(nèi)部的RAM中為計(jì)算所測(cè)位移做準(zhǔn)備。外圍器件初始化程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)8M字節(jié)的SPI接口的FLASH進(jìn)行初始化。 AD轉(zhuǎn)換程序?qū)崿F(xiàn)位移量的采集和溫度的采集。采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序是把當(dāng)前采集的位移和溫度存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，為驗(yàn)證所引用的制動(dòng)器摩擦片溫度場(chǎng)模型是否與實(shí)際工作一致提供數(shù)據(jù)支撐。報(bào)警程序?qū)崿F(xiàn)當(dāng)摩擦片磨損量、摩擦片高溫累計(jì)工作時(shí)間超過(guò)所設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。上位機(jī)通信程序?qū)崿F(xiàn)規(guī)定的通信協(xié)議和執(zhí)行上位機(jī)的指令。盤(pán)式液壓制動(dòng)器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖4所示，智能制動(dòng)器外型如圖5所示。

圖4 盤(pán)式液壓制動(dòng)器智能檢測(cè)系統(tǒng)

圖5 智能制動(dòng)器外型

5 結(jié)束語(yǔ)

盤(pán)式液壓制動(dòng)器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度傳感器、位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、顯示器和報(bào)警器等組成。利用該系統(tǒng)可以完成磨擦片溫度場(chǎng)和磨損量（位移量）的實(shí)時(shí)測(cè)量，并在磨擦片溫度和磨損量超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。盤(pán)式液壓制動(dòng)器是采煤機(jī)上常用的一種重要的安全制動(dòng)裝置，在實(shí)際中生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。盤(pán)式制動(dòng)器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制實(shí)現(xiàn)了摩擦材料表面溫度和位移量（磨損量）在線檢測(cè)及存儲(chǔ)，提高了采煤機(jī)運(yùn)行的可靠性，具有應(yīng)用價(jià)值。在此基礎(chǔ)上可以采取相應(yīng)措施增加對(duì)溫度和磨損量的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳送或是實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器遠(yuǎn)距離的檢測(cè)，自動(dòng)化程度將會(huì)更高。

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