基于STM32系列單片機的盤式液壓制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)的研制

王麗潔，徐德凱

（西安理工大學(xué)，西安 710082）

0 引言

盤式液壓制動器是采煤機上一個重要部件，相對于鼓式制動器，具有穩(wěn)定制動性能、力矩容量大、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性好等突出的優(yōu)點，在采煤機、起重機、挖掘機等重型設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。盤式液壓制動器在坡度小于15°時制動器的負(fù)載不是很高，但坡度大時由于要頻繁使用，造成的摩擦升溫問題相對要嚴(yán)重，對摩擦片的損傷較大，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大，會引起制動性能減弱。目前對磨損量的測量主要是通過采煤機后蓋的孔利用深度尺來測量，人為因素較大，如果摩擦片更換的早，會造成成本上的浪費，如沒有及時更換摩擦片，會存在著很大的安全隱患。

針對現(xiàn)有采煤機上盤式液壓制動器在生產(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)測功能的智能監(jiān)測系統(tǒng)。智能監(jiān)測系統(tǒng)能實時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)測功能的制動器能夠有效減少安全隱患，使制動器的安全性、可靠性進一步提高，有著較高應(yīng)用價值。

1 智能監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

盤式液壓制動器的工作環(huán)境惡劣、干擾信號復(fù)雜，因此本系統(tǒng)總體方案設(shè)計基本原則是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、及時準(zhǔn)確地顯示出系統(tǒng)當(dāng)狀況、具備較好的性價比。總體方案如圖1所示。

圖1 智能監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

2 盤式液壓制動器檢測方案的設(shè)計

盤式液壓制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是：制動器摩擦片磨損量的實時檢測和超過所設(shè)置的磨損量時向采煤機PLC發(fā)出報警信號；制動器摩擦片制動時溫度的實時監(jiān)測，當(dāng)制動器摩擦片高溫工作時間累積到設(shè)定值時向采煤機PLC發(fā)出報警。根據(jù)現(xiàn)有的位移和溫度的檢測方法，本系統(tǒng)選用霍爾式傳感器作為位移測量元件；通過單片機自帶的溫度傳感器，測量制動器活塞與后蓋之間的密封腔環(huán)境的溫度來間接的推算摩擦片制動時的溫度，既經(jīng)濟又解決了傳感器的安裝問題。

3 盤式液壓制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 單片機的選擇

單片機是整個智能監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)對檢測信號進行數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲和報警功能，單片機的選用原則是在滿足測試系統(tǒng)要求的條件下，需要具有一定的靈活性和擴展功能。

本系統(tǒng)選用ST公司的STM32系列單片機。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能。兩個系列都內(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的精密墊片來進行位移的測量，記錄下對應(yīng)位移下的數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)的標(biāo)定線性化。本系統(tǒng)用VC6.0編寫了如圖2所示的液壓盤式制動器參數(shù)設(shè)置軟件，使位移傳感器的標(biāo)定參數(shù)和系數(shù)計算可在PC機上進行。

圖2 液壓盤式制動器參數(shù)設(shè)置軟件

3.3 溫度傳感器電路

溫度傳感器選用STM32F103VBT6單片機自帶的內(nèi)部溫度傳感器，可用來測量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間，推薦為17.1ms。

直接測量制動器摩擦片的溫度是很難實現(xiàn)的，主要原因是傳感器無法直接安裝在摩擦片上，所以只能通過測量活塞與后蓋之間的內(nèi)腔中空氣的溫度，并根據(jù)溫度場模型來估算摩擦片的溫度。同時檢測電路部分安排了8M字節(jié)的SPI接口的FLASH，系統(tǒng)每隔一分鐘測一次活塞與后蓋之間的內(nèi)腔中空氣的溫度，并把所測溫度和測溫時的時間記錄在8M字節(jié)的FLASH里。可為驗證所引用的摩擦片溫度場模型是否與實際現(xiàn)實工作情況一致提供實測數(shù)據(jù)支撐。

3.4 調(diào)試及上位機電路

調(diào)試及上位機電路如圖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)場使用測試檢查提供通信接口。

圖3 調(diào)試及上位機電路

4 盤式液壓制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括單片機初始化、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)存儲程序、報警程序和上位機通信程序。其中單片機初始化程序只是實現(xiàn)時鐘的配置，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中為計算所測位移做準(zhǔn)備。外圍器件初始化程序?qū)崿F(xiàn)對8M字節(jié)的SPI接口的FLASH進行初始化。 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)存儲程序是把當(dāng)前采集的位移和溫度存儲到數(shù)據(jù)存儲器，為驗證所引用的制動器摩擦片溫度場模型是否與實際工作一致提供數(shù)據(jù)支撐。報警程序?qū)崿F(xiàn)當(dāng)摩擦片磨損量、摩擦片高溫累計工作時間超過所設(shè)定值時進行報警。上位機通信程序?qū)崿F(xiàn)規(guī)定的通信協(xié)議和執(zhí)行上位機的指令。盤式液壓制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示，智能制動器外型如圖5所示。

圖4 盤式液壓制動器智能檢測系統(tǒng)

圖5 智能制動器外型

5 結(jié)束語

盤式液壓制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)由單片機、溫度傳感器、位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、顯示器和報警器等組成。利用該系統(tǒng)可以完成磨擦片溫度場和磨損量（位移量）的實時測量，并在磨擦片溫度和磨損量超標(biāo)時發(fā)出報警信號。盤式液壓制動器是采煤機上常用的一種重要的安全制動裝置，在實際中生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。盤式制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)的研制實現(xiàn)了摩擦材料表面溫度和位移量（磨損量）在線檢測及存儲，提高了采煤機運行的可靠性，具有應(yīng)用價值。在此基礎(chǔ)上可以采取相應(yīng)措施增加對溫度和磨損量的補償環(huán)節(jié)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的遠距離傳送或是實現(xiàn)制動器遠距離的檢測，自動化程度將會更高。

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