叉車屬具多油路無線液壓控制系統(tǒng)

郭勇 周孟然 胡鋒

（1.安慶聯動屬具股份有限公司 安徽省安慶市 246001 2.安徽理工大學 安徽省淮南市 232000）

叉車屬具，用于自動化裝卸或短距離搬運的一種高效率設備，其種類也多種多樣。隨著自動化工廠的快速發(fā)展以及其較高效的裝卸和搬運效率，叉車屬具越來越廣泛的應用于工廠內的貨物搬運和裝卸。隨著我國經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，物流業(yè)和倉儲貨運業(yè)的需求和要求也與日俱增，傳統(tǒng)的叉車屬具大多采用傳統(tǒng)的機械結構來實現特定的功能要求，隨著微電子技術的發(fā)展，智能制造和自動化技術正在滲透到各行各業(yè)，叉車屬具行業(yè)也不例外。安慶聯動屬具股份有限公司的K 系列調距叉（特點是失載距小、結構輕巧），自推向市場以來，客戶（特別是主機廠）反饋油路安裝困難，且僅適配基本型門架叉車，限制了產品的使用范圍。為此，如何調整K 系列調距液壓布局，設計一種無線快速切換使用的液壓系統(tǒng)已成為急需解決的問題，也是提升屬具產品檔次及產品質量的核心技術。為此本文設計了一種更加智能精準高效的叉車屬具多油路無線液壓控制系統(tǒng)，能夠通過無線控制的方法實現叉車屬具油路側移和調距功能。

1 系統(tǒng)總體方案設計

針對現有的叉車屬具需要通過油路管道以及多個機械閥配合實現調距和側移功能，一方面操作相對繁瑣，另一方面油路布置、維修等較為復雜，倉儲貨運行業(yè)對叉車屬具油路的控制提出了更加智能化的發(fā)展要求。正是因為工業(yè)現場需求的不斷增加，同時考慮到叉車屬具油路的高度可控性，就必須實現對其進行無線控制，這樣就可以實現對叉車屬具調距和側移功能的無線操作，從而提高叉車操作人員的工作效率，實現倉儲貨運行業(yè)的智能化、高效化、人性化要求。

叉車屬具多油路無線液壓控制系統(tǒng)的硬件構成如圖1 所示，其包含了手持式的控制終端和固定式的執(zhí)行終端。手持式的控制終端的組成如下：

圖1：叉車屬具多油路無線液壓控制系統(tǒng)結構圖

（1）觸屏模塊：擬選用型號為TJC3224K 系列的觸摸屏，用于實現良好的人機交互界面。

（2）微處理器模塊1：主要用于實現觸摸屏的信號讀取、顯示以及藍牙模塊的數據交互等功能，綜合考慮性能、成本、功耗等因素，選用嵌入式應用設計最常用的STM32 作為控制終端的核心處理器。

（3）藍牙模塊1：選用型號為HC 系列藍牙模塊，用于實現控制終端和執(zhí)行終端的控制信號的交互。

（4）電源模塊2：設計5V 的穩(wěn)壓電源，用于觸屏模塊、微處理器模塊1 和藍牙模塊1 等模塊的供電。

固定式的執(zhí)行終端的組成如下：

（1）微處理器模塊2：選用STM32，主要用于處理藍牙模塊2 接收到的信號，并發(fā)送給電磁閥控制模塊等。

（2）藍牙模塊2：選用型號為HC 系列藍牙模塊，用于實現藍牙模塊1 之間的數據交互。

（3）電磁閥控制模塊：設計四路電磁換向閥的驅動電路，用于實現電磁換向閥的控制。

（4）電磁換向閥：選用DHF08-220-DC12V 液壓換向閥，用于實現液壓油路的通斷。此外，考慮到后期產品的進一步升級改造，預留四個接口，便于后期升級改造等。

（5）電源模塊2：設計5V 和12V 的穩(wěn)壓電源，用于微處理器模塊、藍牙模塊、電磁閥控制模塊、電磁換向閥等模塊的供電。

叉車屬具多油路無線液壓控制系統(tǒng)的工作流程可以概述為：控制終端放置在叉車的駕駛室用于控制信號的輸入和顯示等，主要包含觸屏模塊、微處理器模塊、藍牙模塊以及電源模塊等。執(zhí)行終端放置在調距叉的油管上用于響應控制終端的控制信號并驅動電磁換向閥實現開關動作，主要包含微處理器模塊、藍牙模塊、電磁閥控制模塊、電磁換向閥和電源模塊等；軟件系統(tǒng)主要是實現整個系統(tǒng)硬件的有機協(xié)調，由主程序以及各功能模塊子程序組成。整個系統(tǒng)的工作流程簡介：通過控制終端的觸屏模塊輸入控制信號，經過微處理器模塊1 處理后，利用藍牙模塊2 將控制信號發(fā)送出去。藍牙模塊1 發(fā)出的控制信號被執(zhí)行終端的藍牙模塊2 接收到以后，隨后送入微處理器2 進行處理。然后，微處理器模塊2發(fā)送信號給電磁控制模塊，實現2 路電磁換向閥的驅動，最終實現油路的控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

叉車屬具多油路無線液壓控制系統(tǒng)，其硬件部分的電路部分主要有STM32F103 主控模塊、觸摸屏、電源模塊、藍牙通訊模塊、電磁閥驅動模塊和電磁閥構成，STM32F 系列核心模塊保證了能實時對采集、輸入數據進行處理，準確進行油路切換，完成調距和側移功能。

2.1 STM32F103模塊

本設計的叉車屬具多油路無線液壓控制系統(tǒng)，采用STM32 系列主控模塊作為系統(tǒng)的核心處理單元，實現油路切換，完成調距和側移功能的自動控制。STM32F103[是由ST（意法半導體）開發(fā)的一種高性能微控制器。STM32F103 在智能儀表中的廣泛應用主要是得益于Cortex-M3 內核和72 MHz 的CPU 頻率。該產品系列具有16KB ～ 1MB Flash、多種控制外設、USB 全速接口和CAN，最高72MHz 工作頻率，在存儲器的0 等待周期訪問時可達1.25DMips/MHZ（DhrystONe2.1）。該芯片具有2.0V至3.6V 寬電壓范圍的供電，通常采用電壓為3.3V 的直流電來進行主控芯片的供電，保障其安全可靠運行。同時，STM32F1 系列的微控制器可以自主設置為睡眠模型、停機模型以及待機模式，這樣可以根據系統(tǒng)運行的需要，及時調整工作模式，這使得STM32F103 主控模塊的功耗非常低。

2.2 觸摸屏模塊

觸摸屏是一種感應式液晶顯示設備，可以接收觸點等輸入信號，也被稱之為觸控面板。觸摸屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可以根據預先編程的程序驅動各種連接設備，取代機械按鈕面板，由液晶顯示屏產生動態(tài)視聽效果。觸摸屏作為微機設備的最新輸入設備，是目前最為主流的人機交互方式之一，其具有交互簡潔、界面友好、用戶體驗自然等諸多優(yōu)點。它給多媒體帶來了新的面貌，是一款極具吸引力的新型多媒體交互設備，主要用于化工行業(yè)、煤炭行業(yè)、電氣行業(yè)以及生物醫(yī)療行業(yè)等諸多行業(yè)提供良好的人機交互體驗。

本設計使用的觸摸屏采用的是淘晶馳公司生產的2.8 寸液晶觸摸屏（其具體型號為TJC3224K028），該觸摸屏的供電電壓范圍非常寬（4.65V 至6.5V），通過USART 通信接口可以很輕松的和主控制器實現交互，同時其配置的16M的Flash 和3584bytes 的RAM 完全能夠勝任工業(yè)檢測和控制領域的應用，其核心參數表1 所示。

表1：TJC3224K028 顯示屏的核心參數

一般來說，LCD 上顯示的圖像可以看作一個矩形。液晶屏有一個顯示指針，指向要顯示的像素。顯示指針的掃描方向由左向右和自上而下，圖形按像素繪制。這些像素點的數據通過RGB 數據線傳輸到液晶屏。在同步時鐘CLK 的驅動下，它們逐個傳輸到液晶屏，并交給顯示器指針。當一行完成傳輸時，水平同步信號HSYNC 電平跳變一次，當一幀完成傳輸時，VSYNC 電平跳變一次。

2.3 藍牙通訊模塊

為了完成本系統(tǒng)的功能設計，完成叉車屬具多油路液壓功能的調距和側移無線式一鍵切換，采用HC-08 藍牙串口通信模塊實現控制終端和執(zhí)行終端的無線連接。HC-08 藍牙串口通信模塊是新一代的基于Bluetooth Specification V4.0 BLE 藍牙協(xié)議的數傳模塊。該模塊采用2.4GHz 的工作頻率，使用GFSK 調制，在空曠區(qū)域其通信距離可以達到80 米，這完全能夠滿足叉車屬具多油路無線式控制的需求。模塊大小26.9mm×13mm×2.2mm，集成了郵票封裝孔和排針焊接孔，既可以貼片封裝，也又可以焊接排針，很方便嵌入應用系統(tǒng)之內。自帶LED 狀態(tài)指示燈，可直觀判斷藍牙的連接狀態(tài)。模塊的核心器件采用的是TI 公司生產的CC2540F256 芯片，用戶可以根據產品和設計的具體需要來靈活地設置模塊的角色、通訊的波特率、通訊方式等。HC-08 模塊接線示意圖如圖2 所示。

圖2：HC-08 模塊接線示意圖

2.4 電磁換向閥及驅動模塊

本系統(tǒng)采用DHF08-220-DC12V 液壓換向閥，屬于整個系統(tǒng)中執(zhí)行器部分，實現對多油路執(zhí)行功能的切換，完成叉車屬具的調距和側移功能?？筛鶕斎肟刂齐娏骶€性調節(jié)輸出壓力值，較小流量為3 L·min-1，較大流量100 為L·min-1，較高使用壓力為24.5MPa，壓力調整范圍為0.5～16MPa，額定電流為700mA。線圈電阻為10Ω，滯環(huán)小于2%，重復精度為1%，重量為5.6kg。由于叉車所用液壓系統(tǒng)的最大壓力輸入為16MPa，所以無法產生大于16MPa 的壓力。其結構原理圖與實物圖如圖3 所示。

圖3：DHF08-220-DC12V 液壓換向閥

DHF08-220-DC12V 液壓換向閥的驅動是通過Risym 公司的2 路繼電器實現的，STM32 微控制器發(fā)送調距或者側移功能命令給該驅動模塊，隨后驅動模塊通過繼電器切換電磁換向閥的工作狀態(tài)，實現油路功能的無線切換。該繼電器具有以下特點：

（1）具備交流250V/10A（或者直流30V/10A）的交直流帶負載能力；

（2）采用貼片式光耦隔離，驅動能力強，性能穩(wěn)定，觸發(fā)電流為5mA；

（3）多工作電壓可選，可以根據需要選擇5V 和12V等常規(guī)電壓等級；

（4）高/低電平觸發(fā)方式設置簡單、快速；

（5）指示突出便于觀察（電源等采用綠色LED，狀態(tài)燈采用紅色LED）；

（6）接口設計人性化，接口均可通過接線端子直接連線引出，方便后續(xù)的線路連接。

3 軟件設計

軟件部分主要分為核心控制板和控制子板，其中核心控制板采用了STM32F103 為控制芯片，控制子板包括顯示屏、觸摸屏等。核心控制板上電之后，需要對系統(tǒng)進行初始化，根據任務需求開始油路功能的設置和切換，通過觸摸屏選擇需要執(zhí)行的叉車屬具動作功能（調距功能或者是側移功能），手持端的STM32 微控制器讀取觸摸屏設定的功能并進行指令轉換，隨后通過HC-08 藍牙通訊模塊發(fā)送至執(zhí)行終端，電磁換向閥驅動模塊根據執(zhí)行終端STM32 微控制器給定的控制命令完成對電磁換向閥的驅動控制，從而實現叉車屬具多油路液壓功能的藍牙無線控制。本系統(tǒng)主程序流程圖如圖4 所示。

圖4：主程序流程圖

除了STM32 內部的軟件系統(tǒng)設計之外，本系統(tǒng)所有操作均通過手持式多油路無線控制系統(tǒng)來實現油路功能的切換，完成一鍵切換側移和調距功能，因此觸摸屏上的軟件操作系統(tǒng)也是至關重要的。下圖5-7 為顯示屏的操作兼顯示界面。其中圖5 為多油路無線控制系統(tǒng)的主界面，屏幕下方顯示有安慶聯動屬具股份有限公司的字樣；屏幕中間位置顯示有多油路無線控制系統(tǒng)，可以通過觸摸點擊該按鈕進入功能選擇主菜單。圖6 為油路控制中調距功能對應的控制界面，通過點擊功能按鈕實現調距功能和側移功能的切換，通過調距按鈕下方的ON 和OFF 切換實現調距大小的設定。圖7為油路控制中側移功能對應的控制界面，通過點擊功能按鈕實現側移功能和調距功能的切換，通過調距按鈕下方的ON和OFF 切換實現側移方向的設定。通過圖6 和圖7 中的返回按鈕，可以返回主界面，即返回圖5 所示的操作界面。

圖5：系統(tǒng)主界面

圖6：調距功能控制

圖7：側移功能控制

4 結論

本設計的叉車屬具多油路無線液壓控制系統(tǒng)能夠通過叉車控制室的手持式控制終端實現多油路液壓的無線控制，并且為了人機交互的便利性，控制系統(tǒng)采用電阻式觸摸屏進行實時操作，同時也避免了傳統(tǒng)按鍵容易受腐蝕而無法使用的問題。

本產品由硬件和軟件開發(fā)組成，硬件系統(tǒng)主要由控制終端和執(zhí)行終端組成，其中控制終端主要由STM32 微處理器模塊、觸屏模塊、電源模塊、藍牙通信模塊等子功能模塊組成，執(zhí)行終端主要由STM32 微處理器模塊、電磁閥驅動模塊、繼電器模塊、電源模塊、藍牙通信模塊等子功能模塊組成；軟件系統(tǒng)主要由微處理器的系統(tǒng)及IO 端口初始化子程序、定時器初始化子程序、觸摸屏初始化子程序、觸摸屏人機交互子程序、電磁閥控制功能子程序等組成。相比較于傳統(tǒng)使用叉車屬具的側移和調距控制方式，本產品主要實現了以下功能：

（1）通過觸摸屏實現了叉車屬具側移和調距功能的智能化控制。

（2）通過藍牙通訊模塊實現了叉車屬具油路的無線控制。