基于单片机的液压挖掘机模型控制系统设计

潘晓贝

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

基于单片机的液压挖掘机模型控制系统设计，其原理就是通过挖掘机控制系统中的单片相机对挖掘机操作人员的一系列重复性的操作动作进行复制记忆，然后进行机械自动化操作。

1 基于单片机的液压挖掘机模型控制系统设计概述

液压挖掘机机械功能多，运用领域广阔。尤其是在交通运输工程、水利水电工程、电力系统工程以及矿山采掘工程等需要机械设备及器具的工程施工中被广泛运用。然而由于在这些工程的具体施工过程中，挖掘机的具体操作状况较为复杂多变，操作人员在机械操作中要灵活并且及时的调动较多机械结构的运转，还要使机械操作科学到位，因此，操作人员面临着一定的工作难度。随着单片机控制技术的不断发展，特别是电、液、机一体化的迅速发展，将单片机运用于液压挖掘机模型控制系统设计已经是当下业内相关人员应该研究和探讨的课题。在机械行业的不断改革和完善中，基于单片机的液压挖掘机控制系统的设计研究及应用实现单片机控制，根据液压系统中压力值的上下浮动对挖掘机的作业状况进行动态跟踪，进而科学合理的调整挖掘机的操作，模拟建立该模型，并不断深化对该设计的改革，将对提高液压挖掘机控制系统的控制水平有着十分重要的意义。

2 液压挖掘机模型控制系统设计中单片机的概述

第一，单片机一词的来源。单片机源于英文名称“single chip microcomputer”，即单片微型计算机，人们通常将其简称为MCU。在单片机诞生初期，SCM是较为精确而且广被接受的称谓。但是，随着科学技术的不断进步和发展，SCM在技术上不断有新的突破，在结构体系上也不断创新和开拓，更重要的是在控制功能上不断超越。因此，“单片微型计算机”已经不再能够精确的的表达单片机的内涵，在国际上，SCM已经逐步被“MCU”即（microcontroller unit）替代。第二，单片机的内容。单片机是一种集成电路芯片，液压挖掘机模型控制系统设计中单片机的作用就是将记忆并控制挖掘机操作的具体动作，并在下次执行时自动根据已有记忆的时间和顺序进行。

3 单片机的液压挖掘机模型控制系统设计背景的概述

挖掘机是一种大型的机器设备，在各种工程施工中被广泛使用。近年来，随着科学技术的不断进步，我国挖掘机行业在技术上逐步突破难关，新型的液压挖掘机替代了传统的挖掘机，液压挖掘机呈现机电一体化态势。当今社会经常采用的挖掘机有机械挖掘机和液压挖掘机两种类型。而后者产量远远大于前者，后者占据了挖掘机市场的主要部分。对于相关部门及机构而言，研究基于单片机的液压挖掘机模型控制系统设计对挖掘机事业的推进以及工业建设工程的推动有着十分积极的作用。电气控制是传统挖掘机的控制方法，电气控制适合用于较为简单的挖掘机控制系统，而对于比较复杂的挖掘机控制系统，电器控制则存在缺点和不足，例如线路较为复杂，维修较为困难等。基于单片机的液压挖掘机控制系统则能够很好的克服电气控制的缺点和不足，并且单片机挖掘机控制系统具有电气控制系统无法比拟的优势，诸如：单片机重量轻便、体积小巧、功能强大、稳重可靠、耗能较低、编程简捷、便于安装等,是挖掘机行业在实践中不断探索和研究的产物，是新一代工业机械设备中较为常用的控制系统。基于单片机的液压挖掘机控制系统设计给挖掘机技术注入了新的活力。

4 液压挖掘机模型控制系统的总体设计

以MCS-51单片机为液压挖掘机控制系统的核心，采用模块化的设计方法。通常有触摸屏模块、挖掘机部件位置控制模块、单片机系统模块和挖掘机部件位置信息采集模块。分成这几个模块的优点在于实用性较强、组织形态灵活、降低控制系统成本、缩短硬件的开发周期、减少冗余量，便于故障排除及排除故障效率高。液压挖掘机模型控制系统设计结构组织图、系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

该控制系统主要由以下四部分构成，分别是：信息检测口、电气传输口、通信传输口、执行部件。单片机核心液压挖掘机控制系统主要表现为闭合环绕式控制。大臂旋转位置控制、小臂旋转位置控制、挖斗旋转位置控制及整体位置控制，这四个部分的信息传输给挖掘机部件位置控制模块，该模块通过分别采集这四个部分的旋转角度，经过变换整理输入到单片机系统模块。该模块将触摸屏输入的预设角度与挖掘机部件位置模块部件传来的角度进行分析比较，同时驱使挖掘机部件位置信息采集模块部件进行运转，直到彻底消除角度差值。与此同时，挖掘机部件位置的信息通过单片机系统模块部件输送到触摸屏模块进行动态展示。

5 基于单片机的液压挖掘机模型控制系统的硬件设计

硬件设计组成部分如系统总体结构框图所示。分为触摸屏部分、挖掘机部件位置控制部分、单片机系统部分和挖掘机部件位置信息采集部分。触摸屏模块主要有触摸屏和上位机两个内容。上位机将分析整理好的工程经过通过USB接口传输给触摸屏并在触摸屏进行运转。挖掘机部件位置控制模块中，液压缸驱动作用于挖掘机的四个运动部件，而液压缸则受控于四个双电控和三位五通换向阀。由于单片机输出口的驱动力无法满足换向阀电磁铁的24V直流电，因此在两者之间应加八通道功率放大板。操作人员按下触摸屏上的相关按钮，便产生了一系列的控制系统操作，从而对挖掘机的大小臂、挖斗及整体发出动作指挥，单机系统模块中，要在单片机P1位置加装四通道八位模数转换芯片，在P2位置加装八通道功率放大板，这样才能使电磁铁运转。挖掘机在运转时，挖掘机部件位置信息采集模块中，传感器首先测试其各个部位的旋转角度，然后通过A/D模数芯片转换成八位数字量输送到单片机对应的储存位置，转换程序根据数字信号转换并判别出挖掘机各部分构件的具体旋转角度，进而将信息通过接口输送至触摸屏，触摸屏调整对应构件的运转，并将转运转的实际角度直观的展示在图形中。

该控制系统的硬件设计原理整体上如系统硬件原理图（图2）所示。在硬件的设计中要在保证设计质量的前提下最大程度的减少并优化使用相关器件，使控制系统中的硬件部分在MCS-51单片机最精简系统的基础上对外接通触摸屏、转换芯片、倾角感应器、功率放大板及电磁换向阀。

图2 系统硬件原理图

6 基于单片机的液压挖掘机模型控制系统的软件设计

以单片机为基础的液压挖掘机模型控制系统设计，其相关模块的设计主要涵盖有触摸屏组态模块部分、MCS-51单片机模块部分以及通信模块部分。触摸屏组态模块设计中，主要包括新建工程、分析数据对象、制造画面、连接设备、下载并调试相关程序。触摸屏组态模块侧重于发挥与操作人员交互操作信息的作用，它可以迅速、便捷的实现多种针对于现场操作信息采集、数据处理以及设备控制。MCS-51单片机模块设计中主要包括主程序、采集数据、转换数据信息及PID控制。单片机模块是采集数据信息和控制系统的主要模块，它包括系统初始化、数据的采集、数据的转换、输入信号的处理、分析、并最后给出控制系统的输出量。通信模块则旨在进行单片机和触摸屏之间的数据信息交换。这三个模块相互促进相辅相成缺一不可，它们之间联系密切，主要表现在触摸屏组态模块好比是总指挥，它掌管着整个系统的结构组织和运转流程，单片机模块根据系统的既定周期进行信息采集，同时还要接收和分析触摸屏组态模块输送来的指令实施对挖掘机的自动调控。而通信模块则致力于单片机数据与触摸屏数据之间的相互传输。

7 结语

在上文对基于单片机的液压挖掘机模型控制系统设计的探讨中，简单介绍了设计理念的时代背景和环境趋势，简要阐述了关于单片机、液压挖掘机及其控制系统的概念，并提出了总体设计思路、硬件设计思路以及软件设计思路等。

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