便攜式叉車屬具夾緊力測(cè)試儀研制

方錫崗 周孟然 胡鋒

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的叉車屬具常常難以選擇合適的夾緊力來(lái)滿足現(xiàn)階段倉(cāng)儲(chǔ)貨運(yùn)和工廠對(duì)于搬運(yùn)不同重量的多種貨物的需求，設(shè)計(jì)提出了一種便攜式夾緊力測(cè)試儀來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊力的實(shí)時(shí)測(cè)量。該測(cè)試儀以STM32為核心控制單元，通過(guò)壓力傳感器，轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)調(diào)理模塊，AD模塊將壓力模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的可讀數(shù)字信號(hào);還包括了觸摸屏模塊，可以通過(guò)觸摸屏設(shè)定和實(shí)時(shí)顯示夾緊力的大小等數(shù)據(jù)。有效的解決了在貨物的搬運(yùn)和裝卸過(guò)程中無(wú)法實(shí)時(shí)掌握叉車屬具夾緊力大小的問(wèn)題，可以滿足現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)貨運(yùn)和工廠的多元化需求，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣泛的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：叉車屬具;便攜式測(cè)量?jī)x;夾緊力檢測(cè);智能化;倉(cāng)儲(chǔ)貨運(yùn)

中圖分類號(hào)：TH2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）03-0013-02

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，物流行業(yè)和倉(cāng)儲(chǔ)貨運(yùn)行業(yè)等需要搬運(yùn)和裝卸的貨物也越來(lái)越多，種類也越來(lái)越復(fù)雜[1]。傳統(tǒng)的叉車屬具所面臨的工況[2-3]：一方面是商家為了節(jié)省成本，包裝材料低成本化;另一方需面對(duì)各種不同重量的貨物，以及搬動(dòng)、堆垛情況各異，還有可能出現(xiàn)貨物混合搬運(yùn)情況。為避免對(duì)產(chǎn)品造成損壞，這對(duì)夾緊力提出了更高的要求。如何通過(guò)便利的設(shè)備迅速精準(zhǔn)地根據(jù)夾持貨物情況選擇合適的叉車屬具夾緊力，避免人為判斷失誤造成貨物受損。而叉車屬具夾緊力的控制常常根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)工作效率[4-5]。同時(shí)一些常規(guī)的壓力測(cè)量設(shè)備體積較大，攜帶不方便，不適用于需要頻繁更換工作地點(diǎn)的叉車設(shè)備。考慮到以上一系列問(wèn)題，研發(fā)了一種基于STM32的便攜式夾緊力測(cè)試儀。便攜式夾緊力測(cè)試儀是以微處理器為基礎(chǔ)，配有可人機(jī)交互的觸摸屏，通過(guò)電池供電的智能壓力檢測(cè)儀表。因?yàn)槠潴w積上的便攜性，在遠(yuǎn)離貨倉(cāng)時(shí)仍然能可靠地工作，極大的提高了工作范圍。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

便攜式夾緊力測(cè)試儀主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)主要由手持終端和采集終端組成，其中手持終端主要由微處理器模型、觸屏模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊1組成，采集終端主要由壓力傳感器（一個(gè)或者多個(gè)）、壓力轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和電源模塊2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、觸摸屏初始化子程序、觸摸屏人機(jī)交互子程序、AD模塊讀寫子程序以及壓力換算子程序等組成。系統(tǒng)硬件部分的總體框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)的工作流程為：通過(guò)觸摸屏選擇需要測(cè)量的數(shù)據(jù)，STM32根據(jù)指令進(jìn)行初始化操作，壓力轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)壓力傳感器將夾緊力的大小轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)并通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊的調(diào)理放大后，傳入AD模塊中;AD模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為處理器能讀懂的數(shù)字信號(hào)，最終處理器通過(guò)對(duì)信號(hào)的讀取和處理將夾緊力的大小實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集與處理

該部分包括壓力傳感器、壓力轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、AD模塊。壓力采集使用了8個(gè)型號(hào)為DYMH-102的5t承載力壓阻式傳感器，其中6個(gè)用于平面叉車屬具測(cè)量，2個(gè)用于曲面叉車屬具測(cè)量。壓力轉(zhuǎn)換采用DY510壓力轉(zhuǎn)換模塊，利用原裝進(jìn)口高性能器件將傳感器輸出信號(hào)給擴(kuò)大。信號(hào)調(diào)理模塊本質(zhì)上就是隔離放大器，其主要作用就是用于信號(hào)的放大和前端電路的保護(hù)，由于它本身的隔離電壓很高，極大的提升了測(cè)量設(shè)備在惡劣條件下使用不被擊穿的性能。

考慮到STM32的電壓輸出不穩(wěn)定，同時(shí)驅(qū)動(dòng)能力不足等缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)利用超小型16位精密模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADS1115，具有板載基準(zhǔn)電壓和振蕩器，通過(guò)I2C兼容接口傳輸數(shù)據(jù)，工作電壓從2.0V到5.5V，取樣頻率高達(dá)860SPS[6]。

2.2 人機(jī)交互模塊

觸摸屏[7]作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式。本設(shè)計(jì)使用的數(shù)字液晶屏為2.8寸TJC3224K028型液晶屏，采用電阻式觸摸技術(shù)，分辨率為320*240，工作電壓為4.65v-6.5v，工作溫度為-20/+70，通訊接口采用USART串行接口，F(xiàn)lash存儲(chǔ)空間為16M，Ram存儲(chǔ)空間為3584bytes。STM32F103F103與液晶屏通過(guò)片上接口直接連接，實(shí)現(xiàn)用觸摸屏控制的作用。

2.3 STM32主控模塊

STM32F103是由ST（意法半導(dǎo)體）開(kāi)發(fā)的一種高性能微控制器[8]，使用的是Cortex-M3內(nèi)核。該產(chǎn)品系列功能多種多樣，最高能實(shí)現(xiàn)72MHz的使用頻率。使用時(shí)可用2-6V的電源為其供電。該系列芯片因?yàn)槠渫庠O(shè)上的優(yōu)越性加上功耗少、價(jià)格低廉、構(gòu)架簡(jiǎn)易、簡(jiǎn)便易用等優(yōu)點(diǎn)在市場(chǎng)上得到了非常廣泛的應(yīng)用。

2.4 電源管理模塊

本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)包括手持終端和采集終端兩部分，而且所需要的電壓等級(jí)不同，因此需要設(shè)計(jì)兩套不同的電壓轉(zhuǎn)換電路。手持端采用4.5V升5V電壓轉(zhuǎn)換電路為觸摸屏和STM32F103主控制模塊供電。

采集終端采用芯片XL6009將12V電壓轉(zhuǎn)換成24V給系統(tǒng)供電。芯片XL6009內(nèi)部由三極管和固定頻率的振蕩器組成，能夠在比較大的輸入和輸出電壓下穩(wěn)定工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要采用了STM32系列單片機(jī)進(jìn)行整體控制，因此選用ARM公司研發(fā)的可用于微控制器的Keil平臺(tái)[9]。系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。核心控制板上電之后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，根據(jù)任務(wù)需求開(kāi)始夾緊力的測(cè)量，通過(guò)觸摸屏選擇需要顯示的壓力值，然后壓力傳感器開(kāi)始工作，信號(hào)進(jìn)過(guò)壓力變換器和信號(hào)調(diào)理器變換放大在經(jīng)過(guò)AD模塊轉(zhuǎn)換之后送入主控制器上，控制器在將其轉(zhuǎn)化為具體數(shù)字顯示在觸摸屏上，從而實(shí)現(xiàn)叉車屬具夾緊力的實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示。

4 測(cè)試結(jié)果分析

本系統(tǒng)所有操作均通過(guò)手持式夾緊力測(cè)量?jī)x來(lái)進(jìn)行測(cè)量控制，觸摸屏共分為平面測(cè)試和曲面測(cè)試兩個(gè)界面。通過(guò)工作人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，當(dāng)叉車屬具施加的力發(fā)生改變時(shí)，通過(guò)采集終端采集到的數(shù)據(jù)傳送到手持終端，通過(guò)觀察手持終端電阻屏壓力顯示，判斷整體的準(zhǔn)確性，然后改變連接通道，測(cè)試不同通道的準(zhǔn)確和穩(wěn)定性，測(cè)量結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)本設(shè)計(jì)的便攜式夾緊力測(cè)試儀能夠清晰、穩(wěn)定地測(cè)量叉車屬具夾緊力的實(shí)時(shí)壓力值，可以滿足實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)工作要求，為今后叉車屬具夾緊力的穩(wěn)定準(zhǔn)確控制提供可靠保障。

5 結(jié)語(yǔ)

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的便攜式叉車屬具夾緊力測(cè)量?jī)x能夠手持測(cè)量裝置對(duì)叉車屬具的平面夾緊力或曲面夾緊力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且為了人機(jī)交互的便利性，測(cè)量?jī)x采用電阻式觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，同時(shí)也避免了傳統(tǒng)按鍵容易受腐蝕而無(wú)法使用的問(wèn)題。作為新一代更加智能化的壓力力測(cè)量顯示儀表，主要用于叉車屬具的夾緊力的測(cè)量，因?yàn)槠潴w積上的便攜性，在遠(yuǎn)離貨倉(cāng)等工作環(huán)境時(shí)依舊能穩(wěn)定有效地工作，極大的提高了在工業(yè)控制與監(jiān)測(cè)方面的工作效率。

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Abstract：In view of the traditional forklift accessories are often difficult to choose the appropriate clamping force to meet the needs of the current storage and freight and the factory for carrying different weights of various goods， a portable clamping force tester is designed to realize the real-time measurement of the clamping force. With STM32 as the core control unit， the pressure analog signal is transformed into corresponding readable digital signal by pressure sensor， conversion module， signal conditioning module and ad module. In addition， it also includes the touch screen module， which can set and display the clamping force and other data in real time through the touch screen. It can effectively solve the problem that the forklift can't grasp the clamping force in real time in the process of cargo handling and loading and unloading. It can meet the diversified needs of modern storage， freight transportation and factories. It has good social and economic value and wide application prospects.

Key words：forklift appliance;portable instrument;detection of clamping force; intelligent;warehouse carrying