旋挖钻机数字控制系统毕业设计2甘按毕业设计纸打.docx
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旋挖钻机数字控制系统毕业设计2甘按毕业设计纸打
目录
第1章绪论………………………………………………………1
1.1旋挖钻机的基本知识……………………………………………1
1.2旋挖钻机的发展历史…………………………………………2
1.3旋挖钻机的应用前景………………………………………3
1.4本选题工作内容与任务……………………………………5
第2章计算机控制系统方案及技术指标………………………6
2.1控制系统方案………………………………………………6
2.2主要技术指标………………………………………………6
第3章硬件部分的设计…………………………………………7
3.1电源部分……………………………………………………7
3.2单片机选型……………………………………………10
3.3模拟信号处理部分………………………………………15
3.4PWM功率放大器…………………………………………16
3.5RS232接口………………………………………………16
3.6键盘及显示器接口…………………………………………17
3.7数字输入输出接口及计数器接口…………………………18
3.8CAN总线接口………………………………………………18
第4章控制系统软件设计……………………………………32
4.1主程序……………………………………………………32
4.2中断控制…………………………………………………32
4.3控制规律设计………………………………………………33
4.4PID控制算法……………………………………………34
结束语……………………………………………………………35
参考文献…………………………………………………………36
致谢………………………………………………………………37
第1章绪论
1.1旋挖钻机的基本知识
旋挖钻机是一种用于建筑基础工程中成孔作业的施工机械。
它是以履带为支承的回转斗式旋挖钻孔机械,其工作装置由动力头、伸缩钻杆、加压装置和液压系统等组成。
广泛应用于我国的公路、铁路、桥梁和大型建筑的基础桩施工。
早期大部分所用的旋挖钻机都是由德国和意大利进口或者是日本二手旋挖钻机。
近几年,随着青藏铁路、北京鸟巢等项目的推动,国外进口品牌不断涌入,我国同类产品也在逐步发展起来,未来几年正处于发展的关键时期,同时国内、国外的旋挖钻机产品将不可避免的出现竞争势头。
旋挖钻机的控制属于一般工业自动化应用领域,它要求一种廉价、节能、维护方便、适用于大功率控制及具有一定控制精度的控制技术,所以采用电液比例控制。
它能够接受模拟信号和数字信号,使输出的流量或压力连续成比例地受到控制。
电液比例控制系统有数字控制系统、脉宽调节(PWM)控制系统等。
旋挖钻机钻桅的垂直度直接影响到所钻孔的质量,对于提高工程机械作业效率有着很重要的意义,保证其在要求的范围内是控制系统应完成的主要任务。
所以旋挖钻机的控制方案为:
根据操作员的指令,利用电液比例控制系统控制液压缸运动,实现钻具安全平稳起竖,进而保证旋挖钻机钻桅的垂直度在要求范围内。
同时,精确的井深测量也能极大提高工作效率。
所以,它也是控制系统应完成的任务。
旋挖钻机的特点在于:
1、成孔速度快。
与传统的循环钻机相比优势明显,这样就有效地保证了工程的进度。
2、环保特点突出。
与传统的循环钻机相比,旋挖钻机区别在于可以循环使用泥浆,而传统循环钻机是不断地产生泥浆。
旋挖钻机更可适用于干成孔作业。
3、行走移位方便。
旋挖钻机的履带机构可将钻机方便地移动到所要到达的位置,而不像传统循环钻机移位那么繁琐。
4、桩孔对位方便准确。
这是传统循环钻机根本达不到的,在对位过程中操作手在驾驶室内利用先进的电子设备就可以精确地实现对位,使钻机达到最佳钻进状态。
5、还可配置其他辅助机构,以实现多功能用途。
目前,国内外旋挖钻控制系统的特点是其控制器的所有控制规律处理、输入/输出信号波形处理和功率放大等都由模拟电路进行,因此迫切需要改进。
而旋挖钻机控制的数字化正是目前提高旋挖钻机工作性能的必然要求和发展趋势。
数字控制系统在上个世纪七、八十年代占主导地位。
它采用单片机、和微机作为控制器,控制器内部传输的是数字信号,因此克服了模拟信号在控制系统中的诸多缺点。
数字式控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制、计算和判断,在控制方式、控制时机的选择上可以统一调度和安排,缺点是对控制器本身的要求很高。
1.2旋挖钻机的发展历史
旋挖钻机是在回转斗钻机和全套管钻机的基础上发展起来的。
第二次世界大战前,美国CALWELD首先研制出回转斗、短螺旋钻机。
二十世纪五十年代,法国BENOTO将全套管钻机应用于桩基施工,而后由欧洲各国将其组合并不断完善,发展成为今天的多功能组合模式。
意大利土力公司首先从美国将安装在载重汽车上和附着在履带起重机上的钻机引入欧洲。
动力头为固定式,不能自行安装套管,难以适应硬质土层施工。
1960年德国宝峨公司研制了配有伸缩钻杆的BG7型钻机。
该钻机直接从底盘提供动力,配置可锁式钻杆实现加压钻孔,钻孔扭矩增大,可实现在紧密砂砾层和岩层的钻孔。
日本于1960年从美国引进CALWELD旋挖钻机。
同年加藤制作所开发了15-H型钻机,以后开发了可配套摇管装置和抓斗的钻机。
1965年日立建机研制了利用挖掘机底盘装有液压加压装置的钻机;1974年开发了利用液压履带起重机底盘由液压马达驱动的钻机。
1981年日立建机与土力公司合作开发了为提高单桩承载力的扩展钻头,使旋挖钻机进入了钻孔扩底灌注桩的施工领域。
德国宝峨的加入和日立建机与住友建机的联盟进一步促进了旋挖钻机技术在日本的发展。
日本的旋挖钻机扭矩比欧洲的同类产品小。
目前国外的旋挖钻机主要厂家为:
德国:
BAUER、LIEBHERR、Delmag、WIRTH、MGF;意大利:
SoilMec、MAIT、CMV、CASAGRANDE、IMT、ENTEGO;西班牙:
LLAMADA;日本:
日本车辆、HITACHI、住友、加藤;芬兰:
JUNTTAN、TAMROCK;美国:
APE、Ingersoll-Rand;英国:
BSP等。
1984年天津探矿机械厂首次从美国RDI公司引进车载式旋挖钻机。
1988年北京城建工程机械厂仿制了土力公司1.5m直径的附着式旋挖钻机。
1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP公司附着式旋挖钻机。
1998年上海金泰股份有限公司与宝峨合作组装BG15。
1999年哈尔滨四海工程机械公司和徐州工程机械股份有限公司先后开发了附着式旋挖钻机和独立式旋挖钻机。
2001年经纬巨力第一台旋挖钻机试制成功。
2003年后三一、三河智能等多家生产厂家的旋挖钻机陆续下线,产销两旺。
目前国内的旋挖钻机主要生产厂家为:
湖南山河智能、湖南三一、徐工、中联重科、徐州东明、北京巨力、天津宝峨、石家庄煤机、连云港黄海、哈尔滨四海、内蒙古北方重汽、宇通重工、南车时代、山东鑫国、郑州勘察等。
1.3旋挖钻机的应用前景
混凝土质量的改善,桩基础施工技术的完善,灌注桩承载能力的提高,以及城市环境法规的严格执行,混凝土灌注桩几乎取代了其他基础,成为应用最广泛的基础。
国内外成孔作业中各种钻孔机(反循环、旋挖钻机、全套管)的比例迥然不同。
在国外大直径混凝土灌注桩施工中,旋挖钻机一般占2/3以上,反循环钻机在欧洲城市中几乎不再使用。
而国内钻孔机产品中反循环钻机的产量占90%。
旋挖钻机因其具有装机功率大、输出钮矩大、轴向压力大、机动灵活、施工效率高、环保等特点,配合不同钻具,适应我国大部分地区的地质条件,成为适合建筑基础工程中成孔作业最理想的施工机械。
近年来,北京地铁、环线路网建设,特别是青藏铁路、奥运场馆、首都机场新航站楼等大型工程的施工中,旋挖钻机高校、环保、效益高的优势得到公认。
随着改革开发的逐步深化,国内市场经济的需求,使得铁路公路水路交通,城市公共设施和工业民用建筑,水利电力设施,港口码头机场的建设全面飞速发展桩基础施工机械潜在的巨大市场已经出现。
仅铁路建设方面,2005年我国将再立项一批新项目,到2020年铁路建设总投资要超过2万亿元,平均每年投资在1000亿元以上。
旋挖钻机及施工工艺在我国北方地区已经得到很快普及。
在南方地区特别是东南沿海发达地区由于地层较软,桩一般较大较深,旋挖钻机成孔困难,目前仍以正反循环钻机为主。
实际上旋挖钻机配合一些其他设备也可在该地区施工。
一种方法是旋挖钻机与套管式钻机联合施工;另一种方法是利用我国已广泛使用的振动桩锤沉拔钢护筒在软土地区成孔施工。
通过浙江大塘乌沙山电厂、宁波金华兰溪电厂等施工证明完全是可行的。
旋挖钻机的大量应用只是在近几年,我国缺乏相应的产品标准,尚未编制旋挖钻机的施工规范,没有系统的工法研究,缺少技术培训,基本理论的研究有待深入。
旋挖钻机与土木工程及施工工艺结合的非常紧密。
研制旋挖钻机的技术人员应熟悉桩基础施工,使用旋挖钻机的工程技术人员应了解其工作原理和作业性能。
为此,中国工程机械工业协会将和有关科研单位、主机生产厂家及施工部门开展与旋挖钻机相关的技术培训、施工经验的交流等活动,适时地制定旋挖钻机产品标准及相关标准,推动机械化施工和旋挖钻机产品地发展,尤其是数字控制的旋挖钻机,数字式是今后发展的必然趋势,需要专业人员深入研究。
1.4本选题工作内容与任务
1.4.1选题依据
本论文的题目是"旋挖钻机的数字控制系统-CAN总线接口设计”,是自选课题。
之所以选CAN总线而不选其它类型的总线,主要基于以下几点原因:
(1)CAN总线符合IS011898标准,目前已经形成国际标准的总线,并被公认为是最有前途的现场总线之一;
(2)CAN总线的硬件接口非常简单,编程方便;
(3)CAN总线特别适合于微处理器之间的相互通信,而且Motorola,Intel,Philips等公司均生产独立的CAN芯片和带有CAN接口的89S51芯片,使CAN总线系统的构成比较容易且价格低廉,因此具有较高的性价比;
(4)现有的有关CAN总线的技术资料比较详细;
(5)CAN总线的采用短帧发送,因此信息的传输速度快,实时性好,适合应用在工业控制中。
1.4.2对此CAN总线的设计目标
本选题的主要任务是旋挖钻机数字控制系统的CAN总线设计,掌握CAN总线技术及CAN总线控制系统的基本理论,并就所涉及的有关知识进行研究与说明,以巩固所学知识和查阅资料的能力。
设计目标包括:
(1)支持CAN的技术规范CAN2.0A。
(2)对CAN总线节点进行硬件设计。
该节点以AT89S51为核心,采用CAN控制器SJA1000,CAN总线接口PCA82C250等器件形成具有光电隔离的CAN总线接口电路,可配备人机接口,具有现场编程和显示功能。
(3)对CAN总线节点进行软件的初始化、发送及接收数据编程设计。
(4)对于本课题其他部分做简要介绍。
第2章计算机控制系统方案及技术指标
2.1控制系统方案
方案如图2-1所示。
系统监测倾角传感器信号、比例阀反馈信号、液压缸位置传感器信号和操纵杆发来的指令,根据控制算法产生控制数据,控制数据经过转换算法产生控制量(PWM信号),并通过驱动电路控制电液比例阀,采用反馈控制技术实现两个液压通道的精确同步控制,克服了钻具起竖过程中由于两个比例方向阀参数不一致而造成的歪斜。
旋挖钻机的正常工作还需要许多辅助系统,在本控制系统中包含有井深测量控制系统、故障检测系统和保护控制系统。
为满足不同旋挖钻机的控制需要,本系统还具有控制参数设置和旋挖钻机工作过程参数显示等功能。
图2-1旋挖钻机控制系统结构图
2.2主要技术指标
·垂直度(圆周)误差<0.2°,也就是在两个正交轴上,倾角误差的平方和的平方根小于0.2°;井深测量误差可控制在小于10cm的范围内。
·提供稳定的±5V和±10V电压接口,以满足操纵杆和传感器的用电要求。
·提供八路开关量输出信号,用于系统保护、告警和状态指示。
·可控制两个三位四通比例换向阀,驱动电流大于2A。
·提供RS232接口,用于系统参数设定、故障检测,并提供CAN总线接口,用于系统组网。
第3章硬件部分的设计
该控制系统主要由电源、传感器供电电源、模拟信号处理、单片机、RS232接口、CAN总线接口、PWM功率放大、数字输入输出、计数输入、液晶显示器接口、数字键盘接口等部分组成,其配置框图如图3-1所示。
3.1电源部分
系统的传感器模块、显示模块、微控制器模块、通信模块都需要稳定可靠的电源供电,因此电源也是仪表系统中非常重要的部分之一,其可靠性、抗干扰能力、稳定性等性能指标将直接影响到系统控制的质量。
CAN总线上各模块工作时使用+5V、+12V和+10V直流电源,因此需要将总线提供的标准十24V转化为所需的电源。
大家知道电源电路是引入强干扰的主要通道,瞬间干扰可以通过电源线窜入CPU系统,所以首先使用DC/DC隔离器进行电源隔离,再采用LM2575HVT-5.0和LM2575HVT-12.0电源模块将+24V电源分别降为+5V和+12V。
LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的集成稳压电路,是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。
它内部集成了一个固定的振荡器,只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路;大大减小了散热片的体积,或在大多数情况下不需散热片;内部有完善的保护电路,包括电流限制及热关断电路等;芯片可提供外部控制引脚。
(1)LM2575系列开关稳压集成电路芯片的主要参数如下:
①最大输出电流:
1A;②最大输入电压:
45V;③输出电压:
3.3V,5V,12V,15V,ADJ(可调);④振荡频率:
54kHz;⑤最大稳压误差:
4%;⑥转换效率:
75%~88%(不同的电压输出的效率不同);⑦工作温度范围:
-40℃~+125℃。
(2)LM2575的引脚功能如下:
VIN:
未稳压电压输入端;
OUTPUT:
开关电压输出,接电感及快恢复二极管;
GND:
公共接地端;
FEADBACK:
反馈输入端;
ON/OFF:
控制输入端,接公共接地端时,稳压电路工作,接高电平时,稳压电路停止。
用LM2575模块将标准的+24V电源电压分别降为十5V和+12V电压的电路原理图如图3-2所示,电感的选择根据输出的电压档次、最大输入电压、最大负载电流等参数选择。
输入电容应大于47uF,并要求尽量靠近电路。
输出电容推荐使用的电容量为100uF~470uF,其耐压值应大于额定输出的1.5~2倍。
二极管的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍,但考虑到负载短路的情况,二极管的额定电流值应大于LM2575最大电流限值。
另外二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍.
另外10V直流电源用LM7808稳压模块接一稳压管产生,如图3-3所接:
Fu
速熔保险、电源反接保护电路及滤波电路如图3-4:
3.2单片机选型
3.2.1单片机简介
在选用单片机之前,首先简要介绍一下它的概念及特点。
单片机是单片微型机算计的简称,是微型计算机的一个重要分支,也是一个非常活跃和颇具生命力的机种。
它特别适用于控制领域,故友称为微控制器(Microcontroller)。
通常单片机单块集成电路芯片构成,内部包含有:
中央处理器CPU(由运算器、控制器和中断电路等组成)、存储器(RAM和ROM)和I/O接口电路等。
因此,单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。
单片机CPU进行算术运算和逻辑操作的字长由8位、16位、32位到64位不等,当然字长越长运算速度越快,数据处理能力也越强。
单片机在工业控制中起着非常重要的作用,它具有体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点,故可以广泛应用于国民经济的个领域,对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。
本设计系统中,单片机亦是核心控制器件。
由于MCS-51单片机影响极深远,许多公司都推出了兼容系列单片机,就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。
MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品,典型产品有 8031(内部没有程序存储器,实际使用方面已经被市场淘汰)、8051(芯片采用HMOS,功耗是630mW,是89C51的5倍,实际使用方面已经被市场淘汰)和8751等通用产品,一直到现在, MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品(比如目前流行的89S51、89C51等),8051是早期的最典型的代表作,其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而已。
同样的一段程序,在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的,如ATMEL的89C51(已经停产)、89S51, PHILIPS(菲利浦),和WINBOND(华邦)等,我们常说的已经停产的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51单片机,同时是在原基础上增强了许多特性,如时钟,更优秀的是由Flash(程序存储器的内容至少可以改写1000次)存储器取带了原来的ROM(一次性写入),AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。
不过在市场化方面,89C51受到了PIC单片机阵营的挑战,89C51最致命的缺陷在于不支持ISP(在线更新程序)功能,必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。
89S51就是在这样的背景下取代89C51的,现在,89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿,作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51,将用AT89S51代替。
89S51在工艺上进行了改进,89S51采用0.35新工艺,成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。
89SXX可以像下兼容89CXX等51系列芯片。
同时,Atmel不再接受89CXX的定单,大家在市场上见到的89C51实际都是Atmel前期生产的巨量库存而已。
3.2.2AT89S51单片机
基于市场流行趋势和产品本身性能,本设计中选用ATMEL公司生产的 AT89S51单片机, AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
(1)AT89S51具有如下特点:
40个引脚;4kBytesFlash片内程序存储器;128bytes的随机存取数据存储器(RAM);32个外部双向输入/输出(I/O)口;5个中断优先级2层中断嵌套中断;2个16位可编程定时计数器;2个全双工串行通信口;看门狗(WDT)电路;片内时钟振荡器。
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
另外,仅针对89C51来说,89S51新增加很多功能,性能有了较大提升,价格基本不变,甚至比89C51更低!
其增加的新功能包括:
-- ISP在线编程功能,这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。
是一个强大易用的功能。
不再像89C51只支持并行写入,同时需要VPP烧写高压。
-- 最高工作频率为33MHz,大家都知道89C51的极限工作频率是24M,就是说S51具有更高工作频率,从而具有了更快的计算速度。
-- 具有双工UART串行通道。
-- 内部集成看门狗计时器,不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
-- 双数据指示器。
-- 电源关闭标识。
-- 全新的加密算法,这使得对于89S51的**变为不可能,程序的保密性大大加强,这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
-- 兼容性方面:
向下完全兼容51全部子系列产品。
比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。
也就是说所有教科书、网络教程上的程序(不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等),在89S51上一样可以照常运行,这就是所谓的向下兼容。
(2)89S51的引脚配置见附录1中图3-5。
(3)引脚说明如下:
VCC:
AT89S51电源正极输入,接+5V电压。
GND:
电源接地端。
XTAL1:
接外部晶振的一个引脚。
在单片机内部,它是一反相放大器输入端,这个放大器构成了片内振荡器。
它采用外部振荡器时,此引脚应接地。
XTAL2:
接外部晶振的一个引脚。
在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。
当采用外部振荡器时,则此引脚接外部振荡信号的输入。
RST:
AT89S51的复位信号输入引脚,高电位工作,当要对芯片又时,只要将此引脚电位提升到高电位,并持续两个机器周期以上的时间,AT89S51便能完成系统复位的各项工作,使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。
ALE/PROG:
ALE是英文“ADDRESSLATCHENABLE”的缩写,表示允许地址锁存允许信号。
当访问外部存储器时,ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器(如74LS373),将端口P0的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。
在非访问外部存储器期间,ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16,因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。
当问外部存储器期间,将以1/12振荡频率输出。
/EA/VPP:
该引脚为低电平时,则读取外部的程序代码(存于外部EPROM中)来执行程序。
因此在8031中,EA引脚必须接低电位,因为其内部无程序存储器空间。
如果是使用AT89S51或其它内部有程序空间的单片机时,此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器,当程序指针PC值超过片内程序存储器地址(如8051/89C51/89S51的PC超过0FFFH)时,将自动转向外部程序存储器继续运行。
/PSEN:
此为“ProgramStoreEnable”的缩写。
访问外部程序存储器选通信号,低电平有效。
在访问外部程序存储器读取指令码时,每个机器周期产生二次PSEN信号。
在执行片内程序存储器指令时,不产生PSEN信号,在访问外部数据时,亦不产生PSEN信号。
P0:
P0口(P0.0~P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口,当访问外部数据时,它是地址总线(低8位)和数据总线复用。
外部不扩展而单片应用时,则作一般双向I/O口用。
P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。
P2:
P2口(P2.0~P2.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口),当访问外部程序存储器时,它是高8位地址。
外部不扩展而单片应用时,则作一般双向I/O口用。
每一个引脚可以推动4个LSTL负载。
P1:
P1口(P1.0~P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/O端口(准双向并行I/O口),其输出可以推动4个LSTTL负载。
仅供用户作为输入输出用的端口。
P3:
P3口(P3.0~P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/O端口(准双向并行I/O口),它还提供特殊功能,包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。
其特殊功能引脚分配如下:
P3.0:
RXD串行通信输入
P3.1:
TXD串行通信输出
P3.2;INT0外部
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