基于STC 單片機的礦用卡車潤滑定時器的研制

侯方磊

（國家能源集團神華準格爾能源集團設備維修中心，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

現代大型露天煤礦多采用電鏟-自卸卡車的主采工藝，電動輪卡車是露天煤礦開采的主力運輸設備，承載著運輸巖石、土方、煤炭的重要任務。220 t以上級別的自卸卡車驅動系統以電傳動為主，日本小松公司生產的830E-AC、930E-AC 礦用卡車以變頻調速平滑可靠、設計成熟、運行穩定[1]、故障率低等優點，在大型露天礦運輸設備中獨占鰲頭。

目前，國家能源集團準能集團公司下屬黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦共有830E 卡車10臺、930E 卡車44 臺。830E、930E 礦用卡車采用集中潤滑方式為各關節處、軸承、銷子、運動副進行潤滑，即潤滑脂通過黃油儲存罐、林肯泵、黃油管、注油器輸送到各潤滑點，注油和間歇時間由定時器準確、定量、高效的進行控制[2]。

1 礦用卡車潤滑系統林肯泵定時器

潤滑系統控制著整車的銷類、軸類的潤滑，潤滑系統的作用是大大減少軸承銷子的機械磨損、延長使用壽命，合理可靠的潤滑系統能保證設備正常運轉，潤滑過量、潤滑不足同樣都是對設備有害無益的，所以潤滑系統的作用十分關鍵[3]。

1）林肯泵及定時器作用。林肯泵也叫黃油泵，是常工作設備，只要設備運行，林肯泵就在工作，林肯泵和定時器是礦用卡車潤滑系統的主要工作設備。潤滑系統的核心是林肯泵定時器，控制著林肯泵的供電間隔時間，是潤滑系統的關鍵部分，若定時器故障，則會出現黃油泵不打油、常打油、打油時間間隔錯誤等故障，對潤滑部位的潤滑不及時，很容易造成銷類、孔類的無潤滑磨損，繼而影響銷子、軸類的壽命，更換時增加生產成本、影響設備出動率。

2）林肯泵定時器成本分析。830E、930E 林肯泵定時器為通用件，配件號PC2667，單價9 820 元，隨著運行年限的加長，林肯泵定時器的損壞頻率越來越大，每年消耗數量20～30 個[4]。如果將林肯泵定時器的電路板實現國產化自主研發，每塊電路板自主生產的費用約為600 元，生產成本降低到不及原來的1/10，每用1 塊自主研發電路板節約9 000 多元，每年節約配件成本20 余萬元。

3）林肯泵定時器工作邏輯。經過對原電路板的模擬試驗分析得出林肯泵定時器的控制關系是：定時器根據前后壓力傳感器的壓力值，來控制繼電器的開關，繼而控制黃油泵間斷打油，達到控制整車潤滑系統的目的。后橋的壓力開關設定值為2 000 psi（1 psi=6.895 kPa），當壓力大于2 000 psi 時，壓力開關閉合，給定時器1 個低電位信號，控制器根據信號切斷黃油泵打油；當林肯泵上的壓力值大于2 500時，黃油泵前壓力過高，此時也是切斷黃油泵打油；黃油泵本身的打油間歇時間可調：1～30 min，打油時間固定為120 s。

2 定時器研發方案

1）整體規劃。根據定時器的功能作用、工作環境，確定各部份的具體實現技術以及研發過程中要用到的材料工具。

2）硬件研發設計。在充分考慮現場要求、產品成本和后續設計要求的基礎上，合理選擇芯片和電子器件，并完成原理圖設計和PCB 版圖的繪制。

3）軟件程序研發。采用C 語言底層硬件驅動程序的編寫，要求符合原系統所實現的邏輯功能，確保電路板可以穩定工作。

4）模擬調試。硬件軟件設計完成后進行離線的模擬、調試，即看邏輯關系是否符合系統要求、硬件運行是否穩定。

5）上機運行。調試結束后的定時器進行上機觀察運行，安排檢修人員定期對潤滑系統進行點檢、對系統進行檢查，若無誤后說明研發成功。

3 定時器硬件

自主研發的硬件電路部分主要包括電源部分、單片機、壓力傳感器、時間調節旋鈕、報警燈、繼電器、通訊接口等，林肯泵定時器硬件原理圖如圖1。

圖1 林肯泵定時器硬件原理圖

在充分考慮成本、散熱、穩定性等因素后，電路板選擇外委制作PCB 電路板，主要是因為PCB 電路板小型化、運行穩定、抗干擾強等優點。PCB 電路板設計時還需要合理選擇元器件的型號、封裝形式、布局布線等以達到最優結果。

3.1 單片機部分

此設計電路中單片機是核心部分，通過單片機采集壓力開關信號，時間調節旋鈕或上位機設定的時間信息，對繼電器K1進行控制，從而實現林肯泵的間斷打油。通過通訊接口使用485 通訊協議可以向上位機報送每次打油時間和單片機狀態，當壓力不足時報警燈亮起，繼電器K2動作繼而控制故障接口模塊通知設備操作者。

電路采用的是STC89C51 單片機，這是一款國產單片機，由宏晶科技生產的高速/低功耗/抗干擾的新一代51 單片機，在AT89C51 的基礎上加入了AD 數模轉換，集成程度更高，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12 倍。芯片內集成了通用8 位中央處理器和ISPFlash 存儲單元，具有在系統可編程（ISP）特性，配合PC 端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。

3.2 電源部分

電源采用7805 三端穩壓集成電路，分別是輸入端、輸出端、接地端。7805 采用TO-220 封裝，從外表來看，7805 外觀像普通三極管[5]。

78/79 系列的三端穩壓IC 內部有過流、過熱及調整管保護電路，其所需的外圍元件極少，使用低價、穩定、方便。集成穩壓IC 型號中的78 或79 后面的數字代表穩壓電路的輸出電壓，7805 表示輸出電壓為+5 V，7909 為-9 V，三端固定集成穩壓電路的使用方便，電子制作中經常采用。

3.3 輸入部分

定時器電路板的輸入部分有3 個，分別為時間調節旋鈕、打油手動開關、壓力開關，全部為數字量。

開關的壓力數字量輸入采用光電耦合器對開關量的狀態進行轉換，主要作用是光電隔離；反映到單片機的具體I/O 口為：P1.6/P2.2-壓力開關、P1.5-手動打油開關、P1.7/P2.0/2.1-時間調節旋鈕[6]。邏輯控制關系圖如圖2。

圖2 邏輯控制關系圖

光電耦合器主要起到隔離的作用，亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光電耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。光耦合器一般由3 部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

3.4 輸出部分

定時器電路板的輸出部分有3 個，分別為報警燈、輸出繼電器K1和K2，反映到單片機的具體I/O口為P1.1-輸出繼電器K1、P1.2-輸出繼電器K2。

繼電器K1控制黃油泵的電磁閥通斷，繼電器K2控制著故障模塊（故障時向上位機發出信號），報警燈共有3 個，黃色-打油指示、綠色-電源指示、紅色-故障指示，分別接到單片機的P1.4、P1.3、P1.2，用于黃油泵的狀態指示。

4 定量器軟件

軟件設計主要分為2 個步驟：①根據試驗平臺模擬現場作業，試驗得出邏輯關系[7]；②根據邏輯關系進行C 語言編程，得出邏輯控制關系是關鍵的一步，因為要求自主研發后的電路板實現與原電路板功能一致。

根據試驗平臺得出林肯泵潤滑系統的邏輯控制關系。首先系統上電，當系統上電時綠色電源指示燈亮起，開始連續打油X 分鐘同時黃色打油指示燈亮起，打油繼電器K1吸合，在打油X 分鐘內如果壓力大于等于2 000 psi，黃色打油指示燈熄滅，打油繼電器K1松開，紅色報警指示燈熄滅，報警繼電器K2松開，停Y 分鐘，在停的時間內若手動打油鍵被按下黃色打油指示燈亮起，打油繼電器K1吸合。在打油X 分鐘內如果壓力始終小于2 000 psi，則黃色打油指示燈一直保持亮起狀態，打油繼電器K1一直保持閉合狀態，X 時間到，黃色打油指示燈熄滅，打油繼電器K1松開，紅色報警指示燈亮起，報警繼電器K2吸合，停Y 分鐘，在停的時間內若手動打油鍵被按下黃色打油指示燈亮起，打油繼電器K1吸合。打油間隔Y 時間到，重復上述過程[8]。根據邏輯關系圖進行C 語言的程序編輯，然后燒入STC 單片機中，進行試驗和運行。

5 結語

隨著設備的逐漸老化，830E、930E 卡車林肯泵定時器損壞率逐年上升，生產成本繼而逐年增加。林肯泵定時器的自主研發和生產有效解決了這一問題。經過試運行，功能正常、運行可靠，已經能成熟替代PC2667 型定時器，有效降低設備維護成本。此項創新獲得準能集團第五屆職工優秀經濟技術創新成果一等獎，并獲得國家專利。