夾緊力無線檢測系統在叉車屬具上的應用

時松，周孟然，胡鋒

（1.安慶聯動屬具股份有限公司，安徽 安慶 246001；2.安徽理工大學，安徽 淮南 232000）

叉車屬具是一種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展以及其較高效的裝卸和搬運效率，叉車屬具越來越廣泛地應用于工廠內的貨物搬運和裝卸。叉車屬具完成貨物的裝載、搬運等一系列動作主要是依賴叉車油路的液壓，現階段針對叉車屬具夾緊力的檢測設備缺乏，導致了我們無法準確掌握夾緊力的情況。基于這一現實需求，本文設計研發了一種叉車屬具夾緊力無線檢測系統，實現叉車屬具夾緊力的無線式、精準檢測對推動叉車屬具領域的智能化具有參考價值。

1 系統總體方案設計

叉車屬具夾緊力無線檢測系統主要由軟硬件兩大部分組成，硬件部分主要由前端的檢測端和手持式的無線端組成，其中前端的檢測端主要包含多個壓力傳感器、AD模塊以及微控制器1等，手持式的無線端主要包含微控制器2、觸摸屏、預警模塊以及儲存模塊等；軟件部分主要包含系統的主程序、各功能模塊子程序以及相關的初始化子程序等。叉車屬具夾緊力無線檢測系統的硬件構成如圖1所示。

圖1 系統硬件構成

該系統進行叉車屬具夾緊力檢測的基本流程為：首先，在系統開機后出現歡迎界面和系統主界面，通過觸摸屏選擇系統的功能（實時檢測、夾緊力數據儲存以及歷史數據查閱），在選定系統功能后，會進入相應的功能子界面。若是進入實時檢測子界面，則微控制器2通過自帶的無線通信接口和微控制器1進行通訊，隨后微控制器1驅動AD模塊和壓力傳感器進行叉車屬具夾緊力的采集并以數字量的形式返回微控制器1，接著通過無線通信傳輸至微控制器2，并在觸摸屏進行實時顯示，最終實現夾緊力的實時檢測。

2 系統硬件設計

2.1 壓力傳感器

壓力傳感器主要是用于實現叉車屬具夾緊力的精準檢測，其主要包括壓力傳感器探頭和壓力變送器兩部分。采用型號為DYMH-102的承載力為5t的壓阻式傳感探頭來將壓力信號轉換為電信號，隨后，采用型號為DY510壓力變送器，利用原裝進口高性能器件將DYMH-102壓力傳感器探頭輸出信號進行精密方法和調理，最終輸出0～5V可以被AD模塊識別的電信號，進而實現叉車屬具夾緊力的準確檢測。DYMH-102壓力傳感器探頭和DY510壓力變送器的實物如圖2和圖3所示。

圖2 DYMH-102壓力傳感器探頭實物圖

圖3 DY510壓力變送器實物圖

2.2 AD模塊

壓力傳感器采集得到的是一個0～5V的模擬量的電信號，為了實現其數字化，采用ADS1158模塊將0～5V的電信號數字化。該芯片具有優異的模數轉換性能，其具有16通道的16為AD采樣接口，采用SPI通訊接口可以輕松地和微控制器進行數據交互。ADS1158兼顧了采樣精度和采樣速度，對于夾緊力檢測這一任務可以展示出優異的性能，同時，簡單的通信方式使得叉車屬具的夾緊力的變化和傳輸易于實現。

2.3 微控制器

STM32WB55R多協議無線和超低功耗設備嵌入了一個功能強大的超低功耗收發機，符合Bluetooth?低能SIG規范v5.0和IEEE802.15.4-2011，采用芯片自帶的無線收發功能可以有效地節約成本和降低系統的設計尺寸。STM32WB55R包含一個專用的Arm?Cortex?-M0+，用于執行所有實時底層操作。這些設備設計為極低功耗，基于高性能Arm?Cortex?-M4 32位RISC內核，工作頻率高達64MHz，這些優異性能保障了該芯片可以滿足夾緊力無線檢測的設計需要。STM32WB55還具有標準和先進的通信接口，即一個USART（ISO 7816、IrDA、Modbus和智能卡模式）、一個低功耗UART（LPUART）、兩個I2C（SMBus/PMBus）、兩個SPI（一個用于STM32WB35xx）高達32MHz、一個串行音頻接口（SAI），這使得系統的微控制器和HMI觸摸屏的通信和數據交互非常易于設計。STM32WB55R的引腳功能如圖4所示。

圖4 STM32WB55R的引腳功能圖

2.4 觸摸屏

為了使得本文設計的無線檢測系統具有友好的交互界面，采用淘晶馳的型號為TJC4827×343的電容式HMI觸摸屏作為人機交互和系統功能選擇的載體，設計夾緊力無線檢測系統的操作和顯示界面。該觸摸屏配備了一塊4.3吋液晶屏（分辨率為480×272），具有8MB的FLASH、1024BYTE的EEPROM、512KB的RAM以及1024BYTE的串口指令緩沖，這些優異的特性將會使得該電容式HMI觸摸屏能夠出色地完成本系統對于人機交互界面設計的需求，同時，該電容式HMI觸摸屏還具有一定的富余屬性，便于后期進行檢測系統的升級改造。

3 系統軟件設計

本系統主要采用了STM32WB55R作為系統的核心控制單元，因此，軟件部分基于STM32CubeMX和Keil進行系統的主程序、各功能模塊子程序以及相關的初始化子程序等設計。該系統主程序如圖5所示，首先，在系統開機后出現歡迎界面和系統主界面，通過觸摸屏選擇系統的功能（實時檢測、夾緊力數據儲存以及歷史數據查閱），在選定系統功能后，會進入相應的功能子界面。若是進入實時檢測子界面，則微控制器2通過自帶的無線通信接口和微控制器1進行通信，隨后微控制器1驅動AD模塊和壓力傳感器進行叉車屬具夾緊力的采集并以數字量的形式返回微控制器1，接著通過無線通信傳輸至微控制器2，并在觸摸屏進行實時顯示。若是進入夾緊力數據儲存子界面，則微控制器2會將采集到的夾緊力數據，儲存至儲存模塊并與后續查閱。若是進入歷史數據查閱子界面，則可以查閱存儲在儲存模塊中的叉車屬具夾緊力的歷史檢測數據。此外，該系統還設置了報警功能，當檢測到夾緊力出現過高或者過低的異常情況時，微控制器2會驅動預警模塊進行聲光報警，提示用戶注意。

圖5 主程序流程圖

4 結語

為了滿足叉車屬具夾緊力檢測的需要，以STM32WB55R作為核心處理單元，進行了叉車屬具夾緊力無線檢測系統設計，該系統利用壓力傳感器實現了夾緊力的精準檢測，并借助STM32WB55R自帶的無線通信功能實現了夾緊力的無線檢測，這對于推動叉車屬具領域的智能化具有參考價值。