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  小型挖掘机单杆操作系统的硬件设计


  挖掘机在工作的时候,电子控制系统需要从外部采集所需要的信号,转换成微处理器所能接收的信号,然后在内部完成处理,得到需要输出的信号,最后通过功率放大电路,完成对外部执行件的驱动。


  1 小型挖掘机总体方案的设计


  小型挖掘机控制系统的原理图,角度传感器和压力传感器采集相应位置的数据信息,然后控制器对角度传感器和压力传感器所采集的数据进行分析、处理,再通过驱动电路驱动功率器件达到对工作装置的动作的控制。

小型挖掘机单杆操作系统的硬件设计
  小型挖掘机主要是通过控制器将传感器所采集的动臂、斗杆、铲斗的数据进行处理再输出给液压阀体从而控制动臂、斗杆、铲斗的动作,


  小型挖掘机通过角度传感器将动臂处所采集的数据经控制器处理后输出给电液控制阀,实现动臂按照一定的曲线作等角速度运动。斗杆的动作通过斗杆操纵杆来控制。角度传感器所采集的铲斗位置信息经控制器处理后输出给电液控制阀控制铲斗油缸实现铲斗的运动,若铲斗接触地面则压力传感器将会发出信号。将控制回转马达的电液控制阀的电源控制线引入斗杆操纵杆手柄处,通过设置两个按键来控制斗的回转。


  通小型挖掘机过控制对铲斗的倾角以及动臂的运动完成挖掘工作。整个挖掘过程只需要操作斗杆操纵杆就可以实现。
整个控制系统的硬件实物,可以分为三个部分:系统控制器、信号采集输入元件、执行元件。
小型挖掘机单杆操作系统的硬件设计

  1.1  小型挖掘机系统控制器


  这里相当于整个控制系统的大脑,它把采集到的信号,通过信号变换电路,在自身的CPU中通过计算、分析和判断,发出相应的控制信号,控制外部执行件动作。这里是控制系统硬件设计的主要内容,其上需要设计各类信号的供电电路模块,输入通道模块,输出通道模块,MCU模块以及各个模块内部和之间的电磁兼容性。


  1.2  小型挖掘机信号采集输入元件


  包括检测各类信号的角度传感器,压力传感器和人为输入的选择开关。在选用这些传感器时,需要考虑的因素有:传感器的精度,使用环境,价格,电特性(例如供电电压转换的信号类型)等等。


  1.3  小型挖掘机执行元件


  接受电子控制单元所发出的指令完成动作,例如高速开关阀和电磁阀。因为这些执行件相对于电子电路来说是大功率大体积器件,需要考虑它们的供电方案和安装。硬件电路的设计主要集中系统控制器上:单片机外围电路、电源电路、角度信号处理电路、压力信号处理电路、开关信号处理电路和功率驱动电路等部分。此次开发的控制系统选


  用先进的16位单片机——美国TI公司的MSP430,硬件电路的设计工作在很大程度上是针对该单片机的外围接口电路开发。本文将在后面对它们分别进行分析与设计。

小型挖掘机单杆操作系统的硬件设计
  2 小型挖掘机系统控制器的设计


  2.1  小型挖掘机微控制器的选型


  微电子技术的发展已渗透到科学技术的各个领域,单片机已被广泛应用于工业控制。单片机具有很强的运算功能和抗干扰能力强,需要和相应的软件及外部硬件设备相结合,成为单片机控制系统。


  微控制器(Micro-programmed Control Unit,简称MCU)是电子控制系统的中枢,其选型主要服从于系统功能的需要。课题研究的控制系统具有输入信号种类与数目多、控制对象多、控制功能复杂、实时性与可靠性要求高等特点,应当选择可靠性高、运算速度快、集成度高、各种接口丰富的微控制器。国内外控制系统使用的MCU种类繁多,


  Intel公司的MCS51、96系列(及其兼容芯片)是应用最为普遍的类型,在车辆控制领域,Motorola公司的M68HC系列芯片的应用也非常广泛。它们都属于集中指令集(CISC)结构,具有指令丰富的特点,功能较强,但价格较高,本文在此选用了基于精简指令集


  MSP430全系列产品均为工业级。其工作温度范围为:-40~+85℃,具内置看门狗功能和ESD保护,抗干扰能力很强,可以适应挖掘机工作时的恶劣环境。MSP430系列是一种超低功耗的FLASH微控制器,功耗仅为其他Flash MCU的五分之一。


  MSP430F149有丰富的系统资源:片内12位A/D转换配合外部器件可构成单斜边A/D转换器,具有高速和通用的特点;片内精密比较器、2组带捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、2组USART、16个带中断的I/0端口以及硬件乘法器等,并可在RAM中直接进行查表处理。 MSP430X14X系列,自身带有采样保持,8个可配置的外部采样通道的最大采样速率为200kps;丰富的片上外围模块有利于简化外围设计。因此,该MCU应该可以满足单杆控制系统的需要。


  2.2  最小系统的开发


  所谓小型挖掘机最小系统,是指让控制器能够独立运行的基本硬件电路系统。它一般包括电源电路、时钟电路、复位电路、程序存储器和数据存储器扩展电路等。


  由于本文采用的小型挖掘机单片机内置了Flash ROM和RAM,因此不需要考虑存储器扩展电路,大大简化了控制器最小系统的电路设计。MSP430的允许工作电压为+1.8~+3.6V,正常工作电流很小(小于4m A),只有写程序进入Flash ROM时需要较大电流本文采用直流高精度+3.3V为其供电,通过电压基准芯片REG1117-3.3 从系统+5V主电源间接获取,。


  小型挖掘机时钟电路是系统正常工作的重要一环,MSP430的系统时钟频率为32K~8M,时钟电路应当提供适当频率的时钟信号。此单片机有两个管脚(XIN和XOUT/TCLK)直接用于时钟电路的连接,可通过使用XT2IN和XT2OUT连接外部振荡器产生更高频率的时钟信号,本文将采用8MHz外部晶振上电复位电路是系统初始化的关键,其作用是确保系统能够可靠复位,即复位低电平保持足够长的时间。根据MSP430用户手册,可以设计如图所示的上电复位电路,调整R1的阻值与C3的电容值可以改变复位电平的延时周期。
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