基于ARM的液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭東旭 章建林 胡潔 蔡曉春

摘 ? 要：為了將“工匠精神”有效地融入技術(shù)技能型課程教學(xué)模塊，機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)針對(duì)理實(shí)一體化教室的液壓實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出基于高級(jí)精簡(jiǎn)指令集處理器ARM的液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過多組傳感器的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)由ARM核心板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，供學(xué)生學(xué)習(xí)和使用，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)、技能以及職業(yè)素養(yǎng)起到了重要作用。

關(guān)鍵詞：ARM核心板;液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái);在線監(jiān)測(cè);工匠精神

在新時(shí)代，對(duì)高職學(xué)生“工匠精神”的培養(yǎng)應(yīng)貫穿教學(xué)的整個(gè)過程，技術(shù)技能型課程教學(xué)模塊是重要載體之一。我院機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)對(duì)“液壓傳動(dòng)”課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探索。該課程采用理實(shí)一體化的教學(xué)模式，整合教學(xué)內(nèi)容，融入其他學(xué)科知識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力以及“智能制造”和“綠色制造”的能力，并培養(yǎng)他們積極探索、精益求精的創(chuàng)新精神。液壓實(shí)訓(xùn)設(shè)備是“液壓傳動(dòng)”課程進(jìn)行理實(shí)一體化教學(xué)必不可少的設(shè)備，教室配備10臺(tái)“液壓傳動(dòng)與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實(shí)訓(xùn)裝置”，集真實(shí)的液壓元件、繼電器控制單元、PLC編程等技術(shù)于一體，可以訓(xùn)練學(xué)生對(duì)綜合知識(shí)的應(yīng)用能力。由于該設(shè)備利用率高、元件老化速度快、學(xué)生操作不當(dāng)?shù)仍颍簤合到y(tǒng)故障頻出，如漏油不斷、調(diào)壓能力降低、電氣控制模塊接觸不良等問題。為了更好地解決諸多問題，項(xiàng)目組根據(jù)現(xiàn)有條件自行設(shè)計(jì)并改造了基于高級(jí)精簡(jiǎn)指令集處理器（Advanced RISC Machines，ARM）的實(shí)訓(xùn)臺(tái)運(yùn)行參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以保障設(shè)備維護(hù)的及時(shí)性，同時(shí)，引入相關(guān)知識(shí)供同學(xué)們進(jìn)行課堂拓展。

1 ? ?需求分析

針對(duì)液壓實(shí)訓(xùn)設(shè)備在長(zhǎng)期使用中遇到的維護(hù)維修問題，確定基于ARM的液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

（1）可以監(jiān)測(cè)10臺(tái)液壓實(shí)訓(xùn)設(shè)備工作油壓、液壓油箱的油溫、液位等。

（2）可以通過觸摸屏顯示監(jiān)測(cè)參數(shù)，超過閾值時(shí)報(bào)警指示。

（3）可以通過觸摸屏指令或所監(jiān)測(cè)的參數(shù)控制液壓泵的啟動(dòng)、停止。

（4）可以根據(jù)課堂需要，利用教學(xué)主機(jī)對(duì)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行投屏展示。

（5）可以查詢教學(xué)主機(jī)的圖像監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為維護(hù)維修提供數(shù)據(jù)保證。

（6）預(yù)留Wi-Fi功能，可與路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳送至云端保存，為維護(hù)維修提供數(shù)據(jù)保證。

2 ? ?總體方案設(shè)計(jì)

通過傳感器組油壓傳感器、液位傳感器和油溫傳感器，分別采集10臺(tái)液壓實(shí)訓(xùn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并傳送給ARM核心板，核心板通過數(shù)據(jù)處理顯示在觸摸屏上，參數(shù)異常時(shí)可以通過蜂鳴器報(bào)警，利用指示燈顯示對(duì)應(yīng)的設(shè)備故障。對(duì)于拓展功能，選用無(wú)線攝像頭監(jiān)控觸摸屏參數(shù)，將采集的圖像傳到云平臺(tái)上，在教學(xué)主機(jī)上安裝客戶端，訪問網(wǎng)絡(luò)可以投屏展示監(jiān)控畫面，供同學(xué)們參考，也可以將圖像數(shù)據(jù)保存，為維護(hù)維修使用提供保證。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

3 ? ?硬件設(shè)計(jì)

3.1 ?ARM核心板

為縮短開發(fā)時(shí)間，ARM核心板選擇野火F103-指南者開發(fā)板，這是基于ARM內(nèi)核的STM32F103VET6微控制器，Cortex-M3系列，具有高性能、低功耗、低成本等特點(diǎn)，擁有80個(gè)多功能雙向輸入/輸出（Input/Output，I/O）口，并且通過端口復(fù)用，搭載了豐富的片上外設(shè)，包含13個(gè)通信接口，可以支持多種通信協(xié)議;11個(gè)定時(shí)器。在野火F103-指南者開發(fā)板上，STM32F103的引腳均以針腳的方式引出，支持串口在線系統(tǒng)編程（In-System Programmability，ISP）一鍵下載，并板載了報(bào)警指示、Wi-Fi模塊、液晶屏幕接口、攝像頭接口、藍(lán)牙模塊接口、安全數(shù)碼（Secure Digital，SD）卡接口等，為功能的擴(kuò)展提供了條件。除此以外，利用Keil5軟件編寫程序時(shí)，可調(diào)用芯片供應(yīng)商提供的固件庫(kù)進(jìn)行開發(fā)，能有效縮短開發(fā)時(shí)間。

3.2 ?傳感器采集模塊

在基于ARM的液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)在線監(jiān)控系統(tǒng)中，通過接入傳感器組采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)臺(tái)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)采集部分分為油溫、油壓、液位和攝像頭采集的圖像等，需要根據(jù)液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)的相關(guān)參數(shù)選取傳感器。

壓力傳感器組用于采集液壓泵出口壓力，由于變量葉片泵的壓力為7 MPa，額定流量為8 L/min，故選擇42CPT8-1型壓力傳感器，其測(cè)量范圍為0～10 MPa，供電電源為直流+5 V，信號(hào)輸出的比例電壓輸出為0.5～4.5 V。

油溫傳感器組用于采集油箱液壓油溫度。由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備工作溫度在0～65 ℃，選用Pt100溫度傳感器，其阻值隨著溫度的變化而變化，并且通過溫度變送器轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)而反映液壓油溫度情況[1]。工作電壓為+12 V，其輸出電壓信號(hào)的范圍為0～+5 Vdc，工作溫度范圍為0～+100 ℃。

液位傳感器組用于采集油箱液壓油液位高度，本系統(tǒng)中不需采集油箱中的具體液位值，僅當(dāng)液位超過設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，控制電路斷開液壓泵的動(dòng)力源，故選用FP-35SH側(cè)裝鴨嘴式不銹鋼液位開關(guān)即可，工作電壓為﹣30～+180 V，輸出形式常開，延時(shí)關(guān)閉時(shí)間為0.2 s，負(fù)載功率為50 W。

傳感器的選擇和測(cè)控電路的設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新改造，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)他們積極探索的工匠精神，此處給出溫度采集的參考電路，如圖2所示。

3.3 ?電源供電模塊

為了保證系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定地運(yùn)行，需要3種電源供電，分別為：+12 V（油溫傳感器）、+5 V（壓力傳感器，液位傳感器、開發(fā)板）、+3.3 V（STM32芯片）。其中，傳感器布置在各個(gè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)所在位置，需設(shè)計(jì)+12 V和+5 V電源，給每臺(tái)設(shè)備所用的傳感器供電，可由220 V交流電壓直接降壓整流濾波得到[2]。

由于ARM核心板是通過采集各實(shí)訓(xùn)臺(tái)的狀態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)控制各個(gè)液壓泵的啟停的，需就近放置，且開發(fā)板上自帶USB供電接口，經(jīng)過板載AMS1117芯片轉(zhuǎn)換成+3.3 V電壓，可不與傳感器共用+5 V電源，故選用+5 V（1 A）的手機(jī)適配器給開發(fā)板供電即可。

傳感器供電電壓為+12 V、+5 V的電路設(shè)計(jì)可由學(xué)生運(yùn)用電工電子技術(shù)的知識(shí)自行完成，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神，必要時(shí)給學(xué)生提供參考電路。

4 ? ?軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，包括軟硬件初始化模塊、傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、觸摸屏數(shù)據(jù)顯示與控制模塊、報(bào)警指示模塊、液壓泵啟停控制模塊[3]。單臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。利用Keil5軟件編程并編譯，選用與開發(fā)板配套的高速仿真器，或利用串口ISP一鍵下載功能將程序燒錄在STM32芯片中。整個(gè)程序是一個(gè)主程序調(diào)用各個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)功能的過程。

5 ? ?結(jié)語(yǔ)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于ARM核心板設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)的壓力、油溫、液位進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、控制功能，均可通過觸摸屏顯示數(shù)據(jù)，利用教學(xué)主機(jī)投影展示各個(gè)液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)運(yùn)行狀況，能滿足教師及實(shí)驗(yàn)室管理員的教學(xué)、運(yùn)行維護(hù)需求，激發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)的求知欲望，訓(xùn)練學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的創(chuàng)新精神，為其他類型課程融入工匠精神的培養(yǎng)提供一個(gè)可借鑒的思路。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉雪霞，譚業(yè)發(fā).基于STM32單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2019（9）：38-41.

[2]王曉瑜.秸稈基質(zhì)覆蓋機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制[D].西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2018.

[3]魯 壯，李 波.車間多機(jī)床狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓，2019（10）：77-81.