裝載機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、裝載機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝載機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【摘要】：鏟裝作業(yè)是裝載機(jī)工作過程的重要組成部分,決定了裝載機(jī)作業(yè)的效率和性能。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和電液比例技術(shù)來控制工作裝置的運(yùn)動(dòng),對(duì)鏟裝過程中的幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化工作過程的目標(biāo)。根據(jù)裝載機(jī)的工作原理，本課題設(shè)計(jì)了裝載機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)?！娟P(guān)鍵詞】：電液比例控制，PWM ，51單片機(jī),自動(dòng)控制【Abstract】: bucketing operations is an important part of the loaderwork process, to determine the efficiency and performance o

2、f theloader operation. Computer technology and electro-hydraulicproportional technology to control the movement of the workingdevices, automatic control of several important parameters in thebucketing process, thus achieving the goal of the optimizationprocess. According to the loader works, the sub

3、ject has designed a single chip control system of the loader.【Key words】: electro-hydraulic proportional control, PWM, 51microcontroller, automatic control目 錄1前言前言 .- 3 -1.1嵌入式單片機(jī)的發(fā)展 .- 3 -1.2本課題的設(shè)計(jì)背景 .- 3 -1.3本文的主要研究內(nèi)容及研究思路 .- 5 -1.4本課題的研究意義 .- 6 -2系統(tǒng)開發(fā)軟硬件概述系統(tǒng)開發(fā)軟硬件概述 .- 6 -2.1PROTEUS仿真軟件簡介.- 6 -2.2

4、KEIL編譯及調(diào)試軟件簡介.- 7 -3裝載機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)裝載機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .- 9 -3.1高速開關(guān)閥對(duì)主閥芯位移控制原理 .- 10 -3.2控制系統(tǒng)硬件的選擇 .- 15 -3.2.1單片機(jī)的選擇.- 15 -3.2.2單片機(jī)與高速閥接口電路的設(shè)計(jì).- 15 -3.2.3單片機(jī)系統(tǒng)中的按鍵接口.- 16 -3.2.4串行通信接口.- 17 -3.2.5傳感器的選用.- 19 -3.2.6A/D轉(zhuǎn)換芯片.- 21 -3.2.7裝載車燈的控制（略）.- 21 -3.2.8電源的設(shè)計(jì).- 21 -3.3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) .- 22 -4裝載機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)裝載機(jī)控制系統(tǒng)的

5、軟件設(shè)計(jì) .- 23 -4.1軟件開發(fā)的一般步驟 .- 23 -4.2軟件設(shè)計(jì)總體思路 .- 25 -4.3軟件各模塊的設(shè)計(jì) .- 26 -4.3.1系統(tǒng)的初始化.- 27 -4.3.2手動(dòng)控制子程序.- 30 -4.3.3自動(dòng)控制子程序.- 30 -4.4程序的調(diào)試仿真 .- 33 -5總結(jié)及致謝總結(jié)及致謝 .- 37 -6參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .- 38 -附附錄：錄：.- 39 -附錄 I控制系統(tǒng)部分源代碼.- 39 -附錄 II系統(tǒng)仿真用原理圖 .- 42 -1 1前言前言1.1 嵌入式單片機(jī)的發(fā)展嵌入式單片機(jī)的發(fā)展單片微型計(jì)算機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬第四代電子計(jì)算機(jī)，它具有高

6、性能、高速度、體積小、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。它的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)生變革。因此，單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。目前，基于單片機(jī)的微控制器已廣泛應(yīng)用于家電控制、通訊、工業(yè)控制、智能儀器儀表、金融電子等許多領(lǐng)域。1.2 本課題的設(shè)計(jì)背景本課題的設(shè)計(jì)背景裝載機(jī)屬于鏟土運(yùn)輸機(jī)械類，廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口和礦山等工程建設(shè)。裝載機(jī)具有作業(yè)速度快、效率高、機(jī)動(dòng)性好、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，因此成為工程建設(shè)中土石方施工的主要機(jī)種之一，對(duì)于加快工程建設(shè)速度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工程質(zhì)量，降低工程成本都發(fā)揮著重要的作用，是現(xiàn)代機(jī)械化施工中不可缺少的裝備之

7、一。( (一一) ) 國內(nèi)外裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢國內(nèi)外裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢工程機(jī)械在它一百多年的發(fā)展歷程中，經(jīng)歷了三次飛躍和更新?lián)Q代。首先，內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)引發(fā)了動(dòng)力革命，繼而50年代出現(xiàn)的液體傳動(dòng)（包括液壓，液力傳動(dòng)）引發(fā)了傳動(dòng)革命，如今正進(jìn)行著操縱和控制的革命。工程機(jī)械當(dāng)前面臨的主要問題即為操縱和控制。要使工程機(jī)械高效節(jié)能，就要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和工裝系統(tǒng)進(jìn)行控制，合理分配功率，使其處于最佳工況；為了減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度和改善操縱性能，需要采用自動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)省力化和自動(dòng)化；要完成高技能作業(yè)，就需要進(jìn)行工作裝置的智能化控制；為了提高安全性，進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，故障自動(dòng)報(bào)警，便需要安全控制；為避免操

8、作者在十分惡劣的環(huán)境或無法接近的場所中作業(yè)，就需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制或無人駕駛操作。在經(jīng)歷了50到60年的發(fā)展后，到20世紀(jì)90年代終末期國外輪式裝載機(jī)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平。液壓技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的各種智能系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于裝載機(jī)的設(shè)計(jì)、計(jì)算操作控制、檢測監(jiān)控、生產(chǎn)經(jīng)營和維修服務(wù)等各個(gè)方面，使國外輪式裝載機(jī)在原來的基礎(chǔ)上更加“精致” ，其自動(dòng)化程度也得以提高，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率，改善了司機(jī)的作業(yè)環(huán)境，提高了作業(yè)舒適性，降低了噪聲、振動(dòng)和排污量，保護(hù)了自然環(huán)境。綜觀國外裝載機(jī)的發(fā)展歷程，主要有以下特點(diǎn)：（1）產(chǎn)品系列化、成套化，更新速度加快（2）采用大量新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)，使產(chǎn)品的性能日趨完

9、善（3）重視安全性、舒適性和可靠性（4）更加節(jié)能與環(huán)保( (二二) ) 國內(nèi)裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀從1966年我國第一臺(tái)輪式裝載機(jī)在柳工誕生到現(xiàn)在，我國的裝載機(jī)行業(yè)已有四十幾年的發(fā)展歷史；與發(fā)達(dá)國家近百年的發(fā)展歷史相比，我國輪式裝載機(jī)的研究起步較晚，進(jìn)程也比較緩慢，其中很多制造技術(shù)是陸續(xù)從美國、德國和日本等國家引進(jìn)的。雖然目前我國裝載機(jī)生產(chǎn)廠家有很多，成為了世界上裝載機(jī)的產(chǎn)銷大國，但是大而不強(qiáng)，國內(nèi)的企業(yè)自主研發(fā)創(chuàng)新能力普遍較弱，裝載機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)只相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家上世紀(jì)八九十年代的水平，與發(fā)達(dá)國家的差距較大。近幾年來，國內(nèi)各生產(chǎn)廠家逐漸認(rèn)識(shí)到技術(shù)落后的嚴(yán)重性，為了取得市場競爭的優(yōu)勢地位

10、，紛紛加大技術(shù)投入，加快了新產(chǎn)品的研發(fā)速度；采用了不同的技術(shù)路線，在關(guān)鍵部件及系統(tǒng)上技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)品的科技含量，形成了有自己特色的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品在國際、國內(nèi)的競爭力；使產(chǎn)品從低水平、低質(zhì)量、低價(jià)位、滿足功能型向高水平、高質(zhì)量、中價(jià)位、經(jīng)濟(jì)實(shí)用型過渡；還有一些企業(yè)引進(jìn)了國外具有部分機(jī)電一體化功能的工程機(jī)械制造技術(shù)，并且與國外公司合資生產(chǎn)各種工程機(jī)械，在關(guān)鍵部件及系統(tǒng)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，以擺脫目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)雷同，無自己特色和優(yōu)勢的現(xiàn)狀。目前，我國裝載機(jī)行業(yè)已經(jīng)能夠獨(dú)立研制和開發(fā)各種新機(jī)型，形成了一整套完整的體系，各企業(yè)基本上都能夠自主生產(chǎn)高技術(shù)水平的第三代產(chǎn)品，這些產(chǎn)品大都采用了先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)；如

11、柳工集團(tuán)生產(chǎn)的國內(nèi)第三代輪式裝載機(jī)產(chǎn)品ZL50G。ZL50G應(yīng)用了國家級(jí)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目裝載機(jī)高壓液壓系統(tǒng)技術(shù)，使國產(chǎn)機(jī)液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到了國際上通用的20MPa；選用了進(jìn)口一流發(fā)動(dòng)機(jī)，提高了可靠性，延長了大修間隔時(shí)間；配置了世界一流水平的變速箱、變矩器和驅(qū)動(dòng)橋，傳動(dòng)系統(tǒng)不僅更卓越，而且壽命長達(dá)1萬小時(shí)以上；安裝了性能可靠的電子監(jiān)控系統(tǒng)等多項(xiàng)新技術(shù)，使裝載機(jī)的性能得到很大提升，其主要指標(biāo)已達(dá)到了20世紀(jì)90年代中期國際水平，是我國裝載機(jī)產(chǎn)品的一大進(jìn)步；但是與國外先進(jìn)裝載機(jī)生產(chǎn)商相比還有不小的差距，需要我們努力趕上。( (三三) ) 裝載機(jī)的發(fā)展趨勢裝載機(jī)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代科技日新月異，各種新技術(shù)層出不窮

12、，特別是自動(dòng)化、智能化技術(shù)的出現(xiàn)，為工程機(jī)械的改進(jìn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，未來裝載機(jī)將會(huì)向以下方向進(jìn)一步發(fā)展：（1）機(jī)電一體化、微電子、機(jī)器人技術(shù)將廣泛得到應(yīng)用以大規(guī)模集成電路為代表的現(xiàn)代微電子技術(shù)和其它高新技術(shù)在裝載機(jī)上將得到越來越廣泛的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)裝載機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。工程機(jī)械電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子控制理論也將得到迅速發(fā)展。（2）液壓技術(shù)將得到進(jìn)一步普及液壓技術(shù)將得到進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，并繼續(xù)朝著高速、高壓、大流量、大功率、靜動(dòng)態(tài)特性好等更高水平發(fā)展。（3）產(chǎn)品將更加節(jié)能、環(huán)保一些節(jié)能新技術(shù)和新方法，如代用燃料、節(jié)能裝置將更深入地試驗(yàn)研究并推廣應(yīng)用，進(jìn)一步降低能耗，提高作業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。（4）產(chǎn)品具

13、有安全性、舒適性和可靠性的特點(diǎn)裝載機(jī)的安全性、舒適性和可靠性將得到更廣泛的重視，多用途、多功能裝載機(jī)的研制、開發(fā)工作將得到進(jìn)一步加強(qiáng)并取得新的突破4。1.3 本文的主要研究內(nèi)容及研究思路本文的主要研究內(nèi)容及研究思路本文主要解決裝載機(jī)鏟斗在任意位置卸載后的自動(dòng)放平問題。具體內(nèi)容為：在盡可能較小改變裝載機(jī)原有工作裝置主要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用裝載機(jī)本身自帶的蓄電池，使用51系列單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，設(shè)計(jì)裝載機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)。并編制與之相配套的軟件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人機(jī)互動(dòng)部分，將控制手柄等各種人所發(fā)出的指令進(jìn)行解釋處理，達(dá)到實(shí)現(xiàn)鏟斗自動(dòng)放平的最終目的。研究思路主要為：控制系統(tǒng)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行加工處理，輸

14、出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電液控制系統(tǒng)，電液控制系統(tǒng)做出相應(yīng)動(dòng)作控制鏟斗的狀態(tài)，狀態(tài)傳感器傳回反饋信號(hào)給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)進(jìn)行判斷后，根據(jù)不同情況進(jìn)行相應(yīng)的修正動(dòng)作，利用系統(tǒng)的高速處理信息的能力，實(shí)時(shí)調(diào)整工作裝置的角度，實(shí)現(xiàn)工作裝置的自動(dòng)放平功能。1.4 本課題的研究意義本課題的研究意義隨著科技的不斷發(fā)展，工程機(jī)械的自動(dòng)化程度必然會(huì)越來越高，實(shí)現(xiàn)機(jī)電液一體化是發(fā)展的必然趨勢。我國在這方面還比較落后，加快新產(chǎn)品的研究與開發(fā)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，是我國裝載機(jī)行業(yè)的必經(jīng)之路。本文針對(duì)目前裝載機(jī)只能在最高位卸載后自動(dòng)放平，而在其他任意位置不能自動(dòng)放平的這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，配套相應(yīng)的軟件，并定義

15、了低位區(qū)、高位區(qū)和自動(dòng)控制區(qū)，圓滿地解決了這個(gè)問題。該問題的解決可有效的提高工作精度和工作效率，減少人為的操作，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)工作裝置部分自動(dòng)化，提高裝載機(jī)科技含量，增加產(chǎn)品競爭力的目的。2 2系統(tǒng)開發(fā)軟硬件概述系統(tǒng)開發(fā)軟硬件概述2.1 Proteus 仿真軟件簡介仿真軟件簡介Proteus ISIS 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件9。它運(yùn)行于 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿

16、真、RS232動(dòng)態(tài)仿真、I2C 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列以及各種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2等軟件。具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能

17、?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C(jī)和SPICE 分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。Proteus 主要用于繪制原理圖并可進(jìn)行電路仿真，Proteus ARES 主要用于PCB 設(shè)計(jì)。ISIS 的主界面主要包括：1 是電路圖概覽區(qū)、2 是元器件列表區(qū)、3 是繪圖區(qū)。繪制電路圖的過程如下：單擊 2 區(qū)的 P 命令即彈出元器件選擇（Pick Devices）對(duì)話框，Proteus 提供了豐富的元器件資源，包括 30 余種元器件庫，有些元器件庫還具有子庫。利用該對(duì)話框提供的關(guān)鍵詞（Keywords）搜索功能，輸入所要添加的元器件名稱，即可在結(jié)果（Results）中查找，找到后雙擊鼠標(biāo)左鍵即可將該元器件添到

18、2 區(qū)，待所有需要的元器件添加完成后點(diǎn)擊對(duì)話框右下角的 OK 按鈕，返回主界面。接著在 2 區(qū)中選中某一個(gè)元器件名稱，直接在 3 區(qū)中單擊鼠標(biāo)左鍵即可將該元器件添加到 3 區(qū)。由于是英國的軟件，特別要注意的是繪圖區(qū)中鼠標(biāo)的操作和一般軟件的操作習(xí)慣不同，這正像是司機(jī)座位和人行道走向和國內(nèi)不同一樣。單擊左鍵是完成在 2 區(qū)中被選中的元器件的粘貼功能；將鼠標(biāo)置于某元器件上并單擊右鍵則是選中該元器件（呈現(xiàn)紅色） ，若再次單擊右鍵的話則刪除該元器件，而單擊左鍵的話則會(huì)彈出該元器件的編輯對(duì)話框（Edit Component） ；若不需再選中任何元器件，則將鼠標(biāo)置于 3 區(qū)的空白處單擊右鍵即可；另外如果想移

19、動(dòng)某元器件，則選中該元器件后再按住鼠標(biāo)左鍵即可將之移動(dòng)。元器件之間的連線方法為：將鼠標(biāo)移至元器件的某引腳，即會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“”符號(hào)，按住鼠標(biāo)左鍵后移動(dòng)鼠標(biāo)，將線引至另一引腳處將再次出現(xiàn)符號(hào)“” ，此時(shí)單擊鼠標(biāo)左鍵便可完成連線。連線時(shí)在需拐彎的地方單擊鼠標(biāo)左鍵即可實(shí)現(xiàn)方向的改變。繪制好電路后，可利用 1 區(qū)的綠色邊框?qū)?3 區(qū)的電路進(jìn)行定位。2.2 Keil 編譯及調(diào)試軟件簡介編譯及調(diào)試軟件簡介目前流行的 51 系列單片機(jī)開發(fā)軟件是德國 Keil 公司推出的 Keil C51 軟件，它是一個(gè)基于 32 位 Windows 環(huán)境的應(yīng)用程序，支持 C 語言和匯編語言編程，其6.0 以上的版本將編譯和仿真

20、軟件統(tǒng)一為 Vision（通常稱為 V2） 。Keil 提供包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，由以下幾部分組成：Vision IDE 集成開發(fā)環(huán)境（包括工程管理器、源程序編輯器、程序調(diào)試器） 、C51 編譯器、A51 匯編器、LIB51 庫管理器、BL51 連接/定位器、OH51 目標(biāo)文件生成器以及 Monitor-51、RTX51 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。應(yīng)用 Keil 進(jìn)行軟件仿真開發(fā)的主要步驟為：編寫源程序并保存建立工程并添加源文件設(shè)置工程編譯/匯編、連接，產(chǎn)生目標(biāo)文件程序調(diào)試。Keil 使用“工程” （Project）的概念，對(duì)工程（而不能對(duì)

21、單一的源程序）進(jìn)行編譯/匯編、連接等操作。工程的建立、設(shè)置、編譯/匯編及連接產(chǎn)生目標(biāo)文件的方法非常易于掌握。首先選擇菜單 FileNew，在源程序編輯器中輸入?yún)R編語言或 C 語言源程序（或選擇 FileOpen，直接打開已用其他編輯器編輯好的源程序文檔）并保存，注意保存時(shí)必須在文件名后加上擴(kuò)展名.asm（.a51）或.c；然后選擇菜單 ProjectNew Project，建立新工程并保存（保存時(shí)無需加擴(kuò)展名，也可加上擴(kuò)展名.uv2） ；工程保存后會(huì)立即彈出一個(gè)設(shè)備選擇對(duì)話框，選擇 CPU 后點(diǎn)確定返回主界面。這時(shí)工程管理窗口的文件頁（Files）會(huì)出現(xiàn)“Target1” ，將其前面+號(hào)展開，

22、接著選擇 Source Group1，右擊鼠標(biāo)彈出快捷菜單，選擇“Add File to Group Source Group1 ” ，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，要求尋找并加入源文件（在加入一個(gè)源文件后，該對(duì)話框不會(huì)消失，而是等待繼續(xù)加入其他文件） 。加入文件后點(diǎn) close 返回主界面，展開“Source Group1”前面+號(hào)，就會(huì)看到所加入的文件，雙擊文件名，即可打開該源程序文件。緊接著對(duì)工程進(jìn)行設(shè)置，選擇工程管理窗口的 Target1，再選擇 ProjectOption for Target Target1 （或點(diǎn)右鍵彈出快捷菜單再選擇該選項(xiàng)） ，打開工程屬性設(shè)置對(duì)話框，共有 8 個(gè)選項(xiàng)卡，主要

23、設(shè)置工作包括在Target 選項(xiàng)卡中設(shè)置晶振頻率、在 Debug 選項(xiàng)卡中設(shè)置實(shí)驗(yàn)仿真板等，如要寫片，還必須在 Output 選項(xiàng)卡中選中“Creat Hex Fi” ；其他選項(xiàng)卡內(nèi)容一般可取默認(rèn)值。工程設(shè)置后按 F7 鍵（或點(diǎn)擊編譯工具欄上相應(yīng)圖標(biāo)）進(jìn)行編譯/匯編、連接以及產(chǎn)生目標(biāo)文件。 成功編譯/匯編、連接后，選擇菜單 DebugStart/Stop Debug Session（或按 Ctrl+F5 鍵）進(jìn)入程序調(diào)試狀態(tài)，Keil 提供對(duì)程序的模擬調(diào)試功能，內(nèi)建一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真 CPU 以模擬執(zhí)行程序。Keil 能以單步執(zhí)行（按F11 或選擇 DebugStep） 、過程單步執(zhí)行（按 F

24、10 或選擇 DebugStep Over） 、全速執(zhí)行等多種運(yùn)行方式進(jìn)行程序調(diào)試。如果發(fā)現(xiàn)程序有錯(cuò)，可采用在線匯編功能對(duì)程序進(jìn)行在線修改（DebugInline Assambly） ，不必執(zhí)行先退出調(diào)試環(huán)境、修改源程序、對(duì)工程重新進(jìn)行編譯/匯編和連接、然后再次進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)的步驟。對(duì)于一些必須滿足一定條件（如按鍵被按下等）才能被執(zhí)行的、難以用單步執(zhí)行方式進(jìn)行調(diào)試的程序行，可采用斷點(diǎn)設(shè)置的方法處理（DebugInsert/Remove Breakpoint 或 DebugBreakpoints等） 。在模擬調(diào)試程序后，還須通過編程器將.hex 目標(biāo)文件燒寫入單片機(jī)中才能觀察目標(biāo)樣機(jī)真實(shí)的運(yùn)行狀況

25、。Keil 軟件 Eval 版（免費(fèi)產(chǎn)品）的功能與商業(yè)版相同，只是程序的最大代碼量不得超過 2kB，但對(duì)初學(xué)者而言已是足夠。Keil 軟件由于其強(qiáng)大的軟件仿真功能，友好的用戶界面以及易于掌握的特點(diǎn)而受到工程技術(shù)人員的歡迎，有人甚至認(rèn)為 Keil 是目前最好的 51 單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用軟件。3 3裝載機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)裝載機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)裝載機(jī)工作裝置中動(dòng)臂、鏟斗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是由動(dòng)臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸來控制的，所以鏟斗的自動(dòng)放平的實(shí)現(xiàn)必須以油缸的自動(dòng)控制為基礎(chǔ)。裝載機(jī)的工作裝置是一個(gè)兩自由度的機(jī)構(gòu)，鏟斗的位置和角度由動(dòng)臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的給進(jìn)量來確定，動(dòng)臂油缸主要控制動(dòng)臂的舉升位置，轉(zhuǎn)斗油缸主要控制鏟斗相

26、對(duì)于動(dòng)臂的角度。實(shí)際操作中只要檢測動(dòng)臂舉升的角度和鏟斗與動(dòng)臂的角度，就可以判斷出鏟斗的位置和角度。需要注意的是，在裝載機(jī)的正常工作狀態(tài)下，這兩個(gè)角度并不是相互獨(dú)立的。裝載機(jī)的動(dòng)臂位置角可以獨(dú)立地控制鏟斗的位置，而鏟斗與動(dòng)臂的角度則需要根據(jù)動(dòng)臂位置角的大小來決定。為了實(shí)現(xiàn)鏟斗的自動(dòng)放平，需要在原有的液壓系統(tǒng)上，增加電液控制功能，對(duì)轉(zhuǎn)斗油缸進(jìn)行自動(dòng)控制。由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集到的動(dòng)臂和鏟斗的角度信息通過處理后發(fā)送給電液控制系統(tǒng)，電液控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)斗油缸的長度進(jìn)行控制，從而來控制鏟斗的角度。電液控制系統(tǒng)很好的融合了液壓能傳遞較大功率的優(yōu)越性與計(jì)算機(jī)控制的精確、靈活性，是日后裝載機(jī)的發(fā)展方向。電液比例閥包括比

27、例流量閥、比例壓力閥、比例換向閥等。根據(jù)工程機(jī)械液壓操作的特點(diǎn)，以結(jié)構(gòu)形式劃分的電液比例閥主要有兩類：一類是滑閥式比例閥，另一類是螺旋插裝式比例閥。滑閥式比例閥是機(jī)械液壓系統(tǒng)最基本的元件，該類閥一般能實(shí)現(xiàn)方向與流量的調(diào)節(jié)，是一種復(fù)合閥。電液滑閥式多路閥是一種比較理想的電液轉(zhuǎn)換控制元件，它不僅保留了手動(dòng)多路閥的基本功能，還增加了電反饋的比例伺服操作和負(fù)載傳感等先進(jìn)的控制手段，應(yīng)用非常廣泛。目前的電液控制中，隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字式比例元件及其控制系統(tǒng)得到快速發(fā)展。數(shù)字電液比例控制系統(tǒng)采用的數(shù)控元件可分為四種類型：模擬式比例閥、組合式數(shù)字閥、步進(jìn)式數(shù)字閥和高速開關(guān)閥。高速開關(guān)閥早期主要應(yīng)用在一

28、些要求快速操作的液壓系統(tǒng)，因?yàn)槠鋽?shù)字化的特征在計(jì)算機(jī)控制的液壓系統(tǒng)中受到重視。高速開關(guān)閥采用脈寬調(diào)節(jié)(PWM)控制，只要控制脈沖頻率或脈沖的寬度，開關(guān)閥就能像其它的流量閥一樣，對(duì)流量或其他量進(jìn)行連續(xù)的控制。因?yàn)槠渚哂械倪@個(gè)優(yōu)點(diǎn)，高速開關(guān)閥成為一種廣泛使用的數(shù)字閥。雖然當(dāng)前普通的電磁閥也具有同樣的開關(guān)數(shù)字特征，但普通電磁閥的響應(yīng)時(shí)間較慢。而開關(guān)元件的響應(yīng)速度直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，響應(yīng)速度越抉，穩(wěn)定性越好，控制精度也越高。所以普通的電磁開關(guān)閥作為PWM控制元件并不是特別理想。本課題研究所用的數(shù)字電液比例控制系統(tǒng)就是通過高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)閥與多路換向閥組成的一種數(shù)字電液比例換向閥。這種數(shù)字高速開關(guān)閥

29、，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、工作可靠、壽命長、易于維修、抗污染能力強(qiáng)、可在惡劣的環(huán)境下工作等特點(diǎn)。特別是高速開關(guān)閥具有較高的響應(yīng)速度，重復(fù)誤差小，可直接采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，省去了數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換。這樣就可以應(yīng)用低價(jià)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和高速開關(guān)閥構(gòu)成高可靠性、適用于工程機(jī)械的數(shù)字電液比例控制系統(tǒng)。高速開關(guān)閥有很多種控制方式，目前常用的是PWM的方式，本文也是采用這種方式。3.1 高速開關(guān)閥對(duì)主閥芯位移控制原理高速開關(guān)閥對(duì)主閥芯位移控制原理裝載機(jī)工作裝置的數(shù)字電液比例控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、功率放大器、數(shù)字高速開關(guān)閥、主換向閥和動(dòng)臂油缸及鏟斗油缸等部分組成。系統(tǒng)采用高速開關(guān)閥做為先導(dǎo)級(jí)，控制多路閥主

30、閥芯的位移，油缸獲得與主閥芯位移成比例的輸出流量，從而控制工作裝置的運(yùn)動(dòng)速度及方向。上圖所示為高速開關(guān)閥原理圖，當(dāng)開關(guān)閥通電時(shí)，銜鐵和頂桿向左移動(dòng)，推動(dòng)回油閥鋼球關(guān)閉回油口，進(jìn)油閥鋼球同時(shí)也向左移動(dòng)，打開進(jìn)油口，進(jìn)油口和控制口接通，油液向相應(yīng)的控制腔注入；當(dāng)開關(guān)閥斷電時(shí)，開關(guān)閥的閥芯在進(jìn)油口油液的壓力作用下將進(jìn)油口關(guān)閉，控制口和回油口接通，控制腔的油液回流向油箱。一個(gè)理想的開關(guān)閥，在一個(gè)調(diào)制周期T內(nèi)，電壓波形與閥芯的位移應(yīng)該完全相同。但是由于高速開關(guān)閥受電磁鐵的響應(yīng)能力及閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間的影響，實(shí)際的閥芯響應(yīng)不能實(shí)時(shí)地跟隨脈寬信號(hào)的變化，而是有一定的滯后。并且其響應(yīng)特性隨脈沖調(diào)制周期（或頻率）和占

31、空比變化很大。如圖34所示為調(diào)制周期較大時(shí)，閥芯位移與占空比之間的關(guān)系曲線，其中的橫坐標(biāo)t為時(shí)間，縱坐標(biāo)Xv為閥芯位移。圖b表示閥芯對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)做出完全響應(yīng)的情況，實(shí)際上閥芯在吸合和釋放過程中并非勻速運(yùn)動(dòng)。圖中表示成勻速僅為簡化結(jié)果。通常用開啟時(shí)間ton表示從線圈加上電壓的時(shí)間開始，一直到閥開啟至閥芯最大位移處的時(shí)間，toff表示從線圈斷電到閥芯完全關(guān)閉所需要的時(shí)間，由圖b可得：式中t1、t2、t3和t4分別為電磁鐵電流增長到閥芯可以移動(dòng)的滯后時(shí)間、閥芯開啟運(yùn)動(dòng)時(shí)間、電磁鐵電流衰減到閥芯可以移動(dòng)的時(shí)間和閥芯關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí)間。以PWM信號(hào)控制下的高速開關(guān)閥的閥芯平均位移與占空比之間的靜態(tài)特性曲線如

32、圖3-5所示，其中橫軸表示占空比，縱軸表示閥芯的平均位移。如果實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)中油液壓力較大、油缸的泄漏不可忽略時(shí)，需要考慮油液的可壓縮性和油缸的泄漏。本文需要用電控的方法來實(shí)現(xiàn)鏟斗的自動(dòng)放平，而實(shí)際裝載機(jī)的液壓系統(tǒng)中，動(dòng)臂油缸與轉(zhuǎn)斗油缸的控制閥之間有干涉；即一個(gè)閥如果不是處于中位，則另一個(gè)閥不能工作；也就是說，同一時(shí)刻動(dòng)臂油缸與轉(zhuǎn)斗油缸只有一個(gè)可以工作，這樣當(dāng)處于工況III和工況IV時(shí)，轉(zhuǎn)斗油缸被鎖住，無法進(jìn)行操作，如圖3.5。改造可采用兩種方式，一種是增加一個(gè)供油泵，將原來干涉的油路分開，每個(gè)閥都有獨(dú)立的油泵供油；另一種是增加一個(gè)三位四通閥和一個(gè)小油泵，并聯(lián)在轉(zhuǎn)斗液壓缸的油路上，對(duì)液壓缸的長

33、度進(jìn)行調(diào)節(jié)，本文采用后一種方式，下圖即為改造后的液壓系統(tǒng)。改造可采用兩種方式，一種是增加一個(gè)供油泵，將原來干涉的油路分開，每個(gè)閥都有獨(dú)立的油泵供油；另一種是增加一個(gè)三位四通閥和一個(gè)小油泵，并聯(lián)在轉(zhuǎn)斗液壓缸的油路上，對(duì)液壓缸的長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，本文采用后一種方式，下圖即為改造后的液壓系統(tǒng)。3.2 控制系統(tǒng)硬件的選擇控制系統(tǒng)硬件的選擇3.2.13.2.1 單片機(jī)的選擇單片機(jī)的選擇單片機(jī)選用美國Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52芯片，AT系列單片機(jī)是當(dāng)今世界上新型的電擦寫8位單片機(jī)，該產(chǎn)品和Intel的MC-51系列單片機(jī)完全兼容，內(nèi)部含有Flash存儲(chǔ)器，有超強(qiáng)的加密功能，完全替代8751/52和87

34、C51/52，低電壓，低電流，低功耗，有DIP，PLCC，QRP封裝形式，有民用級(jí)，工業(yè)級(jí)，汽車級(jí)，軍品級(jí)等多種產(chǎn)品規(guī)格。它的特性表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器由于內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，編程錯(cuò)誤亦無廢品產(chǎn)生，因此在應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易地進(jìn)行程序的修改，大大縮短了應(yīng)用程序的開發(fā)周期。（2）與80C51引腳兼容AT89系列單片機(jī)的引腳與80C51是一樣的，所以當(dāng)用AT89系列單片機(jī)取代80C51時(shí)，可以直接代換。（3）可反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)每次試驗(yàn)可以編入不同的程序，從而使設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化，而且隨應(yīng)用系統(tǒng)的變化，還可以方便地進(jìn)行程序升級(jí)。（4）價(jià)格低廉性能穩(wěn)定相對(duì)于英特爾公

35、司的MCS-51系列產(chǎn)品有更高的性價(jià)比。結(jié)合本課題的實(shí)際情況：芯片須有一定的內(nèi)部ROM區(qū)以保存單片機(jī)程序；芯片中程序的讀寫必須方便，當(dāng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)程序存在問題時(shí)便于改正和重寫；鑒于Atmel單片機(jī)具有集成度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工藝特性好，可靠性和處理功能強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足本課題的需要，故本電路以AT89C52芯片為核心構(gòu)成控制單元。3.2.23.2.2 單片機(jī)與高速閥接口電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)與高速閥接口電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)對(duì)高速閥的控制任務(wù)就是將供給流量按程序要求轉(zhuǎn)化為占空比信號(hào)輸出到高速閥電路中，高速閥電路根據(jù)這些脈沖信號(hào)產(chǎn)生一系列的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此信號(hào)通過功率放大，使開關(guān)閥磁鐵按特定頻率勵(lì)磁，

36、實(shí)現(xiàn)了控制主閥流量的要求，如圖4-1。如果高速閥的驅(qū)動(dòng)電流比較大，需要在控制芯片與高速閥的連接處有信號(hào)放大電路。3.2.33.2.3 單片機(jī)系統(tǒng)中的按鍵接口單片機(jī)系統(tǒng)中的按鍵接口鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的輸入設(shè)備，操作人員可以通過鍵盤向單片機(jī)系統(tǒng)輸入指令、地址和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通信。在圖4-2中，當(dāng)按鍵未被按下時(shí)，P1.1輸入為高電平，S閉合后，電路不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，斷開時(shí)也不會(huì)馬上斷開，而是有一連串的抖動(dòng)，這種抖動(dòng)對(duì)人來說是感覺不到的，但對(duì)單片機(jī)能夠感應(yīng)到。按鍵抖動(dòng)會(huì)引起一次按鍵被誤讀多次，為了確保單片機(jī)對(duì)鍵的一次閉合僅作一次處理，必須進(jìn)行消抖處理，在鍵閉合穩(wěn)定時(shí)取鍵狀態(tài)，當(dāng)鍵釋放穩(wěn)

37、定后再進(jìn)行處理。按鍵的抖動(dòng)，可用硬件或軟件兩種方法消除，由于本設(shè)計(jì)使用的按鍵較少，所以采用硬件消抖，如圖所示：本文采用基本RS觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)按鍵的消抖，基本RS觸發(fā)器實(shí)際上是由兩個(gè)與非門按一定方式連接所構(gòu)成。設(shè)單刀雙擲開關(guān)原來與A點(diǎn)接通，這時(shí)觸發(fā)器的狀態(tài)為1，當(dāng)開關(guān)由A撥向B時(shí)，其中有一短暫的浮空時(shí)間，這是觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)不變，觸點(diǎn)與B接觸時(shí)，B點(diǎn)的電位由于振動(dòng)而產(chǎn)生“毛刺” ，但是首先是A點(diǎn)已經(jīng)為高電平，B點(diǎn)一旦出現(xiàn)低電平，觸發(fā)器的狀態(tài)即翻轉(zhuǎn)為0，即使B點(diǎn)再出現(xiàn)高電平，也不會(huì)改變觸發(fā)器的狀態(tài)，所以Q端的電壓波形不會(huì)出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象。實(shí)際可采用74LS00芯片作為兩個(gè)按鍵的消抖芯片，74LS

38、00芯片集成了四個(gè)與非門，通過一定的連接恰好可以滿足兩個(gè)按鍵的消抖需要。3.2.43.2.4 串行通信接口串行通信接口幾個(gè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備（計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部設(shè)備）之間的信息交換稱為數(shù)據(jù)通信。計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備、計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信經(jīng)常發(fā)生。數(shù)據(jù)通信由兩種不同的方式：即并行方式和串行方式，本課題采用串行方式。串行方式是指數(shù)據(jù)的各位在一條傳輸線上分時(shí)傳送。只需一根數(shù)據(jù)線，外加若干條控制線和一根地線。因?yàn)閿?shù)據(jù)是在一條數(shù)據(jù)線上一位一位分時(shí)傳送，所以一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，至少得分8次才能傳送完畢。串行通信必須實(shí)現(xiàn)的基本功能是：數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，把并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)發(fā)送到線路上去；在接收時(shí)，把串行數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù)，送入計(jì)算

39、機(jī)或其他的智能設(shè)備處理。串行通信比并行通信傳輸速度低，但技術(shù)的發(fā)展，使串行通信也能達(dá)到很高的速度，完全能滿足一般數(shù)據(jù)通信對(duì)傳輸速度的要求。串行通信能大大節(jié)省傳輸線路，而且能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。串行通信可以分為同步通信和異步通信兩類。同步通信通過共享一個(gè)單個(gè)時(shí)鐘或定時(shí)脈沖源保證發(fā)送方和接收方的準(zhǔn)確同步，效率較高；異步通信方式不要求雙方同步，收發(fā)方可采用各自的時(shí)鐘源，雙方遵循異步的通信協(xié)議，以字符為數(shù)據(jù)傳輸單位，發(fā)送方傳送字符的時(shí)間間隔不確定，發(fā)送效率比同步傳送效率低。（1）同步通信同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳送一幀信息。這里的信息幀與異步通信中的字符幀不同，它們均由同步字符

40、、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符組成。其中同步字符位于幀開頭，用于確認(rèn)數(shù)據(jù)字符的開始。數(shù)據(jù)字符在同步字符之后，個(gè)數(shù)沒有限制，由所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊長度來決定；校驗(yàn)字符有1到2個(gè)，用于接收端對(duì)接收到的字符序列進(jìn)行正確性的校驗(yàn)。同步通信的缺點(diǎn)是要求發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步，實(shí)際中比較難以做到。（2）異步通信異步通信中，在異步通行中有兩個(gè)比較重要的指標(biāo)：字符幀格式和波特率。數(shù)據(jù)通常以字符或者字節(jié)為單位組成字符幀傳送。字符幀由發(fā)送端逐幀發(fā)送，通過傳輸線被接收設(shè)備逐幀接收。發(fā)送端和接收端可以由各自的時(shí)鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘源彼此獨(dú)立，互不干擾。通信中如果接收端檢測到傳輸線上發(fā)送過來的低電平邏輯0（

41、即字符幀起始位）時(shí)，確定發(fā)送端已開始發(fā)送數(shù)據(jù)，每當(dāng)接收端收到字符幀中的停止位時(shí)，就知道一幀字符已經(jīng)發(fā)送完畢。異步操作的最大優(yōu)點(diǎn)是互相通信的兩個(gè)或多個(gè)裝置之間各自有自己的時(shí)鐘，數(shù)據(jù)幀之間可能不同步，但每個(gè)數(shù)據(jù)幀中的每個(gè)位必須嚴(yán)格同步，并且通信各方必須遵守有嚴(yán)格的幀格式協(xié)議。89C52單片機(jī)串行接口是一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口。它可用作異步通信方式，與串行傳送信息的外部設(shè)備相連接。89C52單片機(jī)通過管腳RXD（P3.0，串行數(shù)據(jù)接收端）和管腳TXD（P3.1，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端）與外界通信。SBUF是串行口緩存寄存器，包括發(fā)送寄存器和接收寄存器。它們有相同名字和地址空間，但不會(huì)出現(xiàn)沖突，因?yàn)樗鼈?/p>

42、兩個(gè)一個(gè)只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，一個(gè)只能被CPU寫入數(shù)據(jù)。與PC機(jī)串口通信中，RS-232所規(guī)定的邏輯電平是與單片機(jī)的邏輯電平不一致，因此當(dāng)單片機(jī)和PC機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，必須將微處理器的信號(hào)電平（TTL電平）轉(zhuǎn)換為RS-232電平，或者對(duì)兩者進(jìn)行逆轉(zhuǎn)換，這兩種轉(zhuǎn)換通常是由專用電平轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)的。最常用的芯片有MAX232。MAX232芯片是Maxim公司生產(chǎn)的包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的IC芯片，適用于各種EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變壓器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成為RS-232-C輸出電平所需要的10V電壓。MAX232使用典型工作電路如

43、圖所示。其中5個(gè)電容均為1F。在實(shí)際應(yīng)用中，器件對(duì)電源噪聲很敏感。因此，電源必須要對(duì)地接去耦電容，另外的4個(gè)同樣數(shù)值的電解電容，用以提高抗干擾能力。與此同時(shí)，9腳、12腳可直接連接在TTL/CMOS電平的單片機(jī)的串行發(fā)送端TXD；10腳、11腳可直接連接在TTL/CMOS電平的單片機(jī)的串行接收端RXD；同樣的，8腳、13腳可直接連接在PC機(jī)的RS-232串口的發(fā)送端，7腳、14腳可直接連接在PC機(jī)的RS-232串口的接收端。3.2.53.2.5 傳感器的選用傳感器的選用傳感器包括測量動(dòng)臂與機(jī)架、動(dòng)臂與鏟斗之間的角度傳感器和測量機(jī)身傾斜度的傾斜傳感器以及控制手柄所用的環(huán)形電勢差計(jì)。角度傳感器選用

44、某型號(hào)的直流差動(dòng)電感式角位移傳感器，該傳感器采用非接觸式技術(shù)，不存在磨損問題，內(nèi)部的數(shù)字電路具有很強(qiáng)的環(huán)境干擾功能，特別適合于工業(yè)應(yīng)用。該傳感器量程為0360度，輸入電壓為4.755.25V，在輸入電壓為5V時(shí)輸出電壓為0.54.5V，最大輸入電流21mA，輸出阻抗小于10歐姆，頻率響應(yīng)200Hz，線性度誤差0.5%，可重復(fù)性0.1%，工作溫度-45+100度，耐久性一億次，完全能夠滿足本課題的設(shè)計(jì)要求。測量機(jī)身傾斜度的傳感器是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵元件，因此選用ADIS16209傾斜計(jì)，它是ADI公司最近發(fā)布的一款高集成度、雙軸傾斜計(jì)。ADIS16209可編程、雙軸傾斜計(jì)傳感器適用于多種需要

45、測量傾斜變化的工業(yè)應(yīng)用設(shè)備。ADIS16209體積非常小，功能相同的傾斜計(jì)解決方案的外形尺寸通常是ADIS16209的100倍。ADIS16209作為最精密的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）傾斜計(jì)，提供小于0.1度線性傾斜誤差的全補(bǔ)償直接角度輸出，從而使其精度提高到至少是同類傾斜傳感器的兩倍。ADIS16209雙軸可編程傾斜計(jì)，基于ADI公司的iMEMS集成微電子機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)核，當(dāng)它處于水平安裝時(shí)，能夠在30度測量范圍內(nèi)以小于0.1度的誤差測量雙軸傾斜。由于其獨(dú)特的雙軸工作模式，這種新式傳感器在全部360度范圍內(nèi)也支持垂直安裝的單軸檢測。可調(diào)整的數(shù)字傳感器器數(shù)據(jù)是通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口（SPI）輸

46、出，這個(gè)接口可接入傾斜度（0.025度分辨率） 、加速度（0.244 mg分辨率） 、溫度和電源電壓。ADIS16209還具有一個(gè)12bit輔助ADC輸入和DAC輸出、數(shù)字自檢功能和可配置的狀態(tài)監(jiān)測，包括報(bào)警器。傳感器采用3 V3.6 V單電源供電，并且能夠耐受3500g沖擊。是一種理想的測量機(jī)身傾斜度的傳感器。用作角位移測量的環(huán)形電勢差計(jì)的設(shè)計(jì)如圖所示。它由電阻環(huán)和與中央轉(zhuǎn)軸相連的滑動(dòng)接觸片組成，環(huán)形電阻的一端接直流電源，另一端接地電勢?；瑒?dòng)接觸點(diǎn)與電源輸入端的電阻值正比于軸的轉(zhuǎn)角。環(huán)形電勢差式的角位移傳感器在涉及轉(zhuǎn)動(dòng)測量和控制的機(jī)械系統(tǒng)中引用極廣，環(huán)形電勢差計(jì)角位移傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、輕便可靠

47、，大量用在汽車方向控制這種關(guān)鍵的地方。3.2.63.2.6 A/DA/D 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換芯片A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809，ADC0809被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域中。該芯片是用CMOS工藝制成的雙列直插式28引腳的8位A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)有8路模擬開關(guān)及地址鎖存與譯碼電路、8位A/D轉(zhuǎn)換和三態(tài)輸出鎖存緩沖器，其數(shù)據(jù)輸出線可以直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連。ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE置1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到AD轉(zhuǎn)換完成，EOC

48、變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。3.2.73.2.7 裝載車燈的控制（略）裝載車燈的控制（略）3.2.83.2.8 電源的設(shè)計(jì)電源的設(shè)計(jì)在大多數(shù)的單片機(jī)系統(tǒng)中默認(rèn)電源電壓都是為5V，所有EDA軟件都是以默認(rèn)值5V為標(biāo)準(zhǔn)的；實(shí)際操作中，可用裝載機(jī)上所帶的蓄電池與LM7805構(gòu)建，如下圖所示：其中LM7805為3端正穩(wěn)壓電路TO-220封裝。使用外接元件，可提供多種固定的輸出電壓和電流，應(yīng)用范圍較廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1A，完全能夠滿足電路系統(tǒng)的供電

49、要求。3.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)在確定了以上各種元器件的型號(hào)后，下一步就是控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)了。這里使用Proteus軟件進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)，Proteus軟件是來自英國Labcenter electronics公司的EDA工具軟件，Proteus軟件有十多年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它EDA工具一樣的原理布圖、PCB自動(dòng)或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的電路仿真是互動(dòng)的，針對(duì)微處理器的應(yīng)用，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)軟件源碼級(jí)的實(shí)時(shí)調(diào)試，如有顯示及輸出，還能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏

50、輯分析儀等，可仿真各種電路和IC，并支持單片機(jī)，元件庫齊全，使用方便，是不可多得的專業(yè)的單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)，該軟件的特點(diǎn)有：1、全部滿足我們提出的單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，可以非常容易的修改電路，更換元器件，在同類產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢。2、具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動(dòng)態(tài)仿真、IC調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。3、目前支持的單片機(jī)類型有：6800系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列，支持大量的存儲(chǔ)器和外圍芯

51、片。該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大，恰好可以彌補(bǔ)沒有實(shí)驗(yàn)器材的缺陷。下圖即是在Proteus上所設(shè)計(jì)的整個(gè)控制系統(tǒng)的電路圖：4 4裝載機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)裝載機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如果說控制系統(tǒng)硬件電路是人的大腦，那么軟件就是人腦的思想；沒有軟件的支持，硬件就毫無用處。軟件的設(shè)計(jì)是極為重要的步驟，通常由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，軟件設(shè)計(jì)不能“眉毛胡子一把抓” ，必須要分塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，各個(gè)塊之間都要提供一個(gè)公共的接口，用于和外界的通信，不同的塊可以由不同的團(tuán)隊(duì)去完成，這樣可以大大的降低軟件設(shè)計(jì)的難度，提高資源的利用率。本課題就是遵照這種方式，對(duì)軟件系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行分塊，逐個(gè)

52、進(jìn)行設(shè)計(jì)。4.1 軟件開發(fā)的一般步驟軟件開發(fā)的一般步驟軟件生存周期中的軟件開發(fā)過程由概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)(即編碼與單元測試)、組裝測試、驗(yàn)收測試5個(gè)階段組成。其中，概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)統(tǒng)稱為設(shè)計(jì)；編碼即編程；單元測試、組裝測試和驗(yàn)收測試統(tǒng)稱為測試。軟件開發(fā)過程就是軟件開發(fā)人員按照需求規(guī)格說明的要求，由抽象到具體，直到生成程序，并進(jìn)行全面地測試，最后產(chǎn)生軟件產(chǎn)品的過程。1概要設(shè)計(jì)概要設(shè)計(jì)又稱總體設(shè)計(jì)。其任務(wù)是對(duì)需求規(guī)格說明中提供的軟件系統(tǒng)邏輯模型進(jìn)行進(jìn)一步的分解，從而建立軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各子系統(tǒng)之間、各模塊之間的關(guān)系，定義各子系統(tǒng)接口界面和各功能模塊的接口，設(shè)計(jì)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，規(guī)定設(shè)

53、計(jì)約束，制定組裝測試計(jì)劃，進(jìn)而給出每個(gè)功能模塊的功能描述、全局?jǐn)?shù)據(jù)定義和外部文件定義等。要完成概要設(shè)計(jì)，必須選擇某種方法和工具。比如，可以來用面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計(jì)方法，將需求分析得到的軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖進(jìn)一步分解，然后以結(jié)構(gòu)圖為工具，將數(shù)據(jù)流圖映射為軟件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖；也可以采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法和工具等。需要指出，設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)應(yīng)具有良好的總體結(jié)構(gòu)、盡量降低模塊接口的復(fù)雜度，并力爭做到各功能模塊之間的聯(lián)系較松散(低耦合度)，而功能模塊內(nèi)部具有較高的內(nèi)聚度。2詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是將概要設(shè)計(jì)產(chǎn)生的功能模塊進(jìn)一步細(xì)化，形成可編程的程序模塊，然后設(shè)計(jì)程序模塊的內(nèi)部細(xì)節(jié)，包括算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及各程序

54、模塊間的接口信息，并設(shè)計(jì)模塊的單元測試計(jì)劃。詳細(xì)設(shè)計(jì)可以采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，采用結(jié)構(gòu)化的程序流程圖、NS圖、過程設(shè)計(jì)語言等工具進(jìn)行描述，也可以以采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法等。3實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)即是編碼和單元測試。編碼的主要任務(wù)是根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)格說明用某種選定的程序設(shè)計(jì)語言把詳細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)果轉(zhuǎn)化為機(jī)器可運(yùn)行的源程序模塊，這是一個(gè)編程和調(diào)試程序的過程。一般來說，對(duì)軟件系統(tǒng)所采用的分析方法、設(shè)計(jì)方法、編程方法以及所選用的程序設(shè)計(jì)語言應(yīng)盡可能保持一致。編碼階段應(yīng)注意遵循編程標(biāo)準(zhǔn)、養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣，以便編寫出正確的便于理解、調(diào)試和維護(hù)的程序模塊。每編寫出一個(gè)程序模塊的源程序，調(diào)試通過后，即對(duì)該模塊進(jìn)行測試，這稱為

55、單元測試。單元測試的任務(wù)是按照詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的單元測試計(jì)劃給出的測試用例和預(yù)期的結(jié)果認(rèn)真測試每一個(gè)程序模塊，找出錯(cuò)誤并改正。4組裝測試組裝測試是根據(jù)概要設(shè)計(jì)提供的軟件結(jié)構(gòu)、各功能模塊的說明和組裝測試計(jì)劃，把經(jīng)過單元測試檢驗(yàn)的模塊按照某種選定的策略逐步進(jìn)行組裝和測試。組裝測試的主要任務(wù)是測試系統(tǒng)各模塊間的連接是否正確，系統(tǒng)或子系統(tǒng)的正確處理能力、容錯(cuò)能力、輸入/輸出處理能力是否達(dá)到要求。5驗(yàn)收測試驗(yàn)收測試又稱確認(rèn)測試。其任務(wù)是按照驗(yàn)收測試計(jì)劃和準(zhǔn)則對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行測試，看其是否達(dá)到了需求規(guī)格說明中定義的全部功能和性能等方面的需求。確認(rèn)測試結(jié)束時(shí)，應(yīng)生成驗(yàn)收測試報(bào)告、項(xiàng)目開發(fā)總結(jié)報(bào)告，并向用戶提交源程

56、序清單、最終用戶手冊(cè)、操作手冊(cè)等文檔資料。4.2 軟件設(shè)計(jì)總體思路軟件設(shè)計(jì)總體思路本課題選用的編程軟件是keil，Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機(jī)的軟件，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，易學(xué)易用。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。更重要的一點(diǎn)是，編譯后生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢。隨著版本的不斷更新升級(jí)，keil軟件

57、完全克服了以前用C語言編程代碼過于臃腫，程序執(zhí)行效率低的缺點(diǎn)；與用匯編所設(shè)計(jì)的程序相比，目前優(yōu)化過的C語言代碼長度僅為前者的1.2倍左右；而當(dāng)今硬件的發(fā)展速度又極快，系統(tǒng)的容量和運(yùn)行速度都大幅提高，用C語言給單片機(jī)系統(tǒng)編程有逐漸取代匯編之勢，是今后的發(fā)展方向。根據(jù)系統(tǒng)需要，本軟件設(shè)計(jì)的總體思路是，當(dāng)系統(tǒng)上電后，看門狗芯片產(chǎn)生200ms復(fù)位脈沖使系統(tǒng)復(fù)位；系統(tǒng)剛上電后各端口默認(rèn)為高電平，緊接著系統(tǒng)進(jìn)入初始化程序，初始化中系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)控制打開，然后進(jìn)入自動(dòng)控制子程序，執(zhí)行完成一次后進(jìn)行判斷，達(dá)到退出的條件時(shí)便返回主程序。系統(tǒng)主要包括幾大模塊：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)收集處理、工作裝置狀態(tài)識(shí)別處理、工作模

58、式選擇、按鍵中斷、串口中斷、看門狗使能、錯(cuò)誤處理以及發(fā)送數(shù)據(jù)等部分。其中最重要的三部分是初始化、自動(dòng)控制子程序和手動(dòng)控制子程序。系統(tǒng)工作的總流程圖如圖5-1所示。在正常情況下，某一時(shí)刻系統(tǒng)到底是自動(dòng)控制還是手動(dòng)控制，主要取決于以下四個(gè)方面：1、自動(dòng)放平鍵是否閉合；2、轉(zhuǎn)斗油缸手動(dòng)開關(guān)是否閉合或轉(zhuǎn)斗操作桿電位計(jì)是否不在中位；3、工裝裝置是否處于自動(dòng)控制區(qū)；4、系統(tǒng)故障燈是否點(diǎn)亮。4.3 軟件各模塊的設(shè)計(jì)軟件各模塊的設(shè)計(jì)由上文所述，系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)初始化、自動(dòng)控制子程序和手動(dòng)控制子程序這三大模塊，現(xiàn)在開始分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊。4.3.14.3.1 系統(tǒng)的初始化系統(tǒng)的初始化系統(tǒng)的初始化比較簡單，主

59、要包括自動(dòng)控制燈的初始化、報(bào)警燈的清零、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的初始化、數(shù)據(jù)的更新、定時(shí)器的賦值及中斷的打開等，比較重要的有定時(shí)器中斷和串口的設(shè)置。當(dāng)單片機(jī)的CPU正在處理某件事情的時(shí)候，單片機(jī)外部或內(nèi)部發(fā)生的某一事件請(qǐng)求CPU迅速去處理，于是CPU暫時(shí)中止當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)處理程序處理所發(fā)生的事件。中斷服務(wù)處理程序處理完該事件后，再回到原來被終止的地方繼續(xù)原來的工作，這就是中斷，CPU處理事件的過程，稱為CPU的中斷響應(yīng)過程。中斷是單片機(jī)的一個(gè)很重要的功能，如果沒有中斷技術(shù)，CPU的大量時(shí)間可能會(huì)浪費(fèi)在原地踏步的查詢操作上，采用中斷技術(shù)完全消除了CPU在查詢方式中的等待現(xiàn)象，大大地提高了CPU的

60、工作效率。由于中斷工作方式的優(yōu)點(diǎn)極為明顯，因此在單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)中都帶有中斷系統(tǒng)。MCS51單片機(jī)的每一個(gè)中斷源可以用軟件獨(dú)立地控制為允許中斷或關(guān)中斷狀態(tài)；每一個(gè)中斷源的中斷級(jí)別均可用軟件來設(shè)置。根據(jù)系統(tǒng)情況，需要打開單片機(jī)的五個(gè)中斷，分別是外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器T0、定時(shí)器T1和串口中斷。外部中斷0監(jiān)測串口通訊鍵是否按下，如果按下，串口開始工作，串口指示燈點(diǎn)亮；外部中斷1監(jiān)測自動(dòng)放平鍵是否按下，定時(shí)器T0主要為系統(tǒng)提供延時(shí)，定時(shí)器T1是為了設(shè)置串口的波特率。所有的操作都必須通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器來完成，與之相關(guān)的有六個(gè)寄存器，分別是TMOD、TCON、SCON、PCON、IE和IP寄存