基于STM32 的叉车属具油路损耗监测系统研制

方凯 周孟然 胡锋

1.安庆联动属具股份有限公司；2.安徽理工大学

针对叉车属具油路损耗的可靠监测的迫切需求，基于STM32 研制了一种叉车属具油路损耗监测系统，利用多种传感器实时检测油路参数，并结合信号调理与转换装置，实现了叉车属具液压油路的多参数测量，并可以对油路的损耗情况进行分析，实现了叉车属具油路的精准监测，对于保障叉车属具安全、可靠工作具有重要意义。

叉车属具（Forklift Truck Attachment）是一类能够实现自动化装卸、搬运和堆垛的设备，也是充分发挥叉车一机多用功能的优良帮手。叉车在进行货物搬运的过程中，主要是依靠液压油的压力来完成不同货物的安全可靠的装卸、搬运和堆垛。叉车油缸出来的初始油压，在经过阀门、油管、执行单元等功能部件后，每个部件都会产生一定的油压损失，监测属具不同位置的油压、流量、温度等基本信息，这样一方面可以准确掌握油压的损耗情况，另一方面也可以对相关功能部件进行改进以减下油压损坏。虽然市场上也有一些企业提供属具油路损耗系统的解决方案，但是存在价格昂贵、检测精度不高、操作复杂等限制，因此针对叉车属具的油路损耗监测进行系统设计开发，研制出一款油路损耗监测装置，实现属具油路中油压损失情况的精准监测，其将具有非常广阔的市场前景。

1 系统总体方案设计

为实现叉车属具油路损耗的可靠监测，利用多种传感器实时检测油路参数，并结合信号调理与转换装置，最后将测量的油路参数通过微处理器模块进行数据格式转换，同时利用微处理器对不同功能部件的油压损失情况进行分析，将不同功能部件的油压损失情况显示在液晶显示屏上。

为了实现上述功能，设计“叉车属具油路损耗监测系统”，如图1 所示，该监测系统主要包括油路检测单元、主控单元以及显示单元。油路检测单元主要是用于叉车属具的相关油路参数测量，主要包括压力传感器、流量传感器以及温度传感器等，通过在阀门、油管等功能部件两端布置油压检测单元完成两端液压参数的准确测量，再通过计算得到经过该部件的油油路损失情况。主控单元作为整个系统的“大脑”，主要是实现传感器参数采集的控制、液压参数的数据格式转换以及液压参数的显示等功能，该单元主要包括微控制器、时钟模块、储存模块以及微控制器正常运行的相关辅助电路。显示单元主要是作为该监测系统的人机交互接口，实现系统的功能选择和液压参数显示等功能，该单元主要包括触摸屏、显示驱动模块和触摸驱动模块等。此外，为了保障叉车属具油路损耗监测系统的稳定可靠运行，还需要根据各个功能单元的需求，设计相应的电源模块。

图1 系统硬件构成Fig.1 Hardware composition of the system

在油路检测单元中，主要是通过相关传感器采集液压油的压力、流量、温度等基本参数，其结构框图如图2所示。该单元通过压力传感器、流量传感器以及温度传感器采集液压油的压力、流量和温度信息，在通过相应的信号调理模块进行信号的放大和变换等，最后传输至主控单元中进行油路损耗的分析、显示等。

图2 油路检测单元结构框图Fig.2 Structural block diagram of oil circuit detection unit

本系统的工作流程为：首先，通过显示单元中的触摸屏选择油路损耗监测系统的功能；随后，触摸屏输入的控制指令通过主控单元的微控制器读取和理解，并将其转化为相应的参数测量指令发送给传感检测单元；接下来，相应的传感器开始工作，采集压力、流量、温度等参数，经过信号调理单元的调理和转换后送入主控单元的微控制器中；最后，微控制器对调理、转换后的油路信号进行数据格式转换，再通过计算得到经过该部件的油油路损失情况，并通过显示命令发送至显示单元，最终在触摸屏中实现油路损失情况的显示。

2 系统硬件设计

2.1 STM32L151 主控单元

为了实现油路损耗监测系统各功能部件的有机协作，必须采用可靠的微控制器作为控制核心，本设计采用的是ST 公司的超低功耗STM32L151，该微控制器内部将通用串行总线（USB）的连接能力与高性能ARM®Cortex®-M3 32 位RISC 内核（以32MHz（33.3 DMIPS）的频率运行）、内存保护单元（MPU）结合在一起，这些优异特性使其能够满足叉车属具油路损耗监测系统的设计需要。STM32L151 引脚分布如图3 所示。

图3 STM32L151 引脚图Fig.3 Pin diagram of STM32L151

2.2 显示单元

本设计采用淘晶驰的TJC8048K070 型触摸屏来实现显示和和谐的人机交互，该显示屏具有7 寸的显示尺寸（分辨率达到了800×480），能够提供优异的显示效果。同时，该显示模块可以通过USART 串口就能够和STM32L151主控单元实现通信和信息交互，大大缩减了开发周期。除此之外，其配置了16M 的Flash 和2048bytes 的RAM，能够满足监测系统对于液压油三参数（压力、流量和温度）的显示和处理。总而言之，这些优异特性使其能够满足叉车属具油路损耗监测系统的设计需要。TJC8048K070接口特性如图4 所示。

图4 TJC8048K070 接口特性参数Fig.4 Interface characteristic parameters of TJC8048K070

2.3 压力传感器

为了实现叉车属具液压油压力的准确测量，综合考虑传感器性能、安装难易度以及性价比等诸多因素，本系统最终选择型号为MIK-P300 的压力传感器作为油压测量的前端传感单元，其实物图如图5 所示。

图5 MIK-P300 压力传感器实物图Fig.5 Physical drawing of MIK-P300 pressure sensor

2.4 流量传感器

为了实现叉车属具液压油流量的准确测量，本系统选用型号为FS-LWGY10 型的流量传感器，其实物图如图6 所示。该传感器的基本原理是：当被测量液压油流经传感器的时候，在液压油的作用下，其内部的叶轮将会旋转，旋转的速度和流体的平均流速是成正比的，同时叶轮的周期性选择也会导致内部磁通的变化，产生周期的感应电动势，通过测量该感应电动势即可简介地测量液压油的流量。

图6 FS-LWGY10 型的流量传感器实物图Fig.6 Physical drawing of FS-LWGY10 flow sensor

2.5 温度传感器

为了实现叉车属具液压油温度的准确测量，本系统选用型号为TS-SWB200 的温度传感器，该通用型温度变送器采用高精度PT100 作为信号测量元件，并通过稳定可靠且抗干扰能力强的放大电路，将被测介质的温度信号转换成标准的模拟信号或数字信号，且有精湛的封装技术和完善的检测工艺确保了该产品优异的性能，其实物如图7 所示。

图7 TS-SWB200 的温度传感器的实物图Fig.7 Physical drawing of temperature sensor of TS-SWB200

2.6 模数转化模块

压力传感器、流量传感器以及温度传感主要作用是将压力、流量和温度等非电物理量转化为电气物理量，但是传感器采集到信号经过信号调理后仍然是模拟量信息，不能直接作为微控制器的输入，因此，需要增加模数转化模块，将这些采集到的模拟量数字化，形成微处理器便于读取、传输、存储以及分析的数字量信号。本系统为了采集到两个监测点的油路数据（每个点包含油压、流量和温度三个数据），共计需要采集6 个油路数据，因此需要使用2 片ADS1115来完成模拟量信号到数字量信号的转化，ADS1115 实物图如图8 所示。

图8 ADS1115 实物图Fig.8 Physical drawing of ADS1115

2.7 电源模块

本系统需要的电源主要是给微控制器、传感器、信号调理模块、视觉单元、储存器、触摸屏以及相关辅助电路进行供电，主要电压等级有DC 24V 和DC5V。为了保证系统供电的可靠性和稳定性，采用12V 聚合物锂电池作为系统电源，再经过升压模块（XL6009 芯片）和降压模块（LM2596 芯片）分别得到DC 24V 和DC 5V电源。

3 系统软件设计

本系统采用STM32L151 作为中央控制单元，根据图9 所示主程序流程图在STM32L151 中设计相应的程序代码，软件系统的主要工作流程为：油路监测系统开机后，首先软件系统会被激活并对芯片和各功能子程序进行初始化，初始化完成后系统进入等待状态，等待操作人员从触摸屏以触摸方式选择相应的功能，在功能选定后STM32L151 主控单元会发送指令控制相应传感器采集数据，传感器采集到的模拟量数据经过AD 模块进行模数转化后，传输回STM32L151 主控单元进行数据的分析和处理，并通过串口发送至触摸屏进行叉车属具油路参数和损失情况的显示。

图9 主程序流程图Fig.9 Flow chart of main program

4 总结

为解决叉车属具油路损耗监测这一的问题，以STM32L151 作为主控单元设计了一款叉车属具油路损耗监测系统，该系统利用压力传感器、流量传感器、温度传感器等多种传感器实现了叉车属具液压油路的多参数测量，并可以对油路的损耗情况进行分析，实现了叉车属具油路的精准监测，对于保障叉车属具安全、可靠工作具有重要意义。

引用

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