2.4.3 比較結(jié)論 超聲波自動(dòng)找平控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)： (1)設(shè)備體積小、重量輕，安裝簡(jiǎn)單方便結(jié)構(gòu)緊湊，貯存運(yùn)輸業(yè)很方便，使用時(shí)隨

(2)該系統(tǒng)選在路面上方，與路面非接觸，消除了壓痕及沾輪現(xiàn)象，而且可以回避 各種溝蓋、接縫等的影響，平地效果好。

(3)非接觸平衡梁工作時(shí)長(zhǎng)度短，控制電路采用先進(jìn)的數(shù)字電路，反饋信息快，能 夠及時(shí)地控制鏟刀位置調(diào)整，保證有較好的平整度效果。

(4)但超聲波在空氣中的傳播速度會(huì)受環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)影響，為了提高測(cè)量 精度，一般都要設(shè)置補(bǔ)償和校正裝置，用來(lái)補(bǔ)償環(huán)境因素的影響。

激光自動(dòng)找平控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，有很強(qiáng)的靈活性，相比于超聲波自動(dòng) 找平控制系統(tǒng)平整精度高，作業(yè)效率高，但成本也較高。激光式找平系統(tǒng)也會(huì)受到環(huán)境 因素的影響，在能見度很低的情況下，會(huì)嚴(yán)重影響激光的傳輸，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。更 重要的是，此種找平系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的管理要求較高。雖然系統(tǒng)本身可以區(qū)分現(xiàn)場(chǎng)人員流動(dòng) 和雜物等引起的干擾，但如果工作人員過(guò)于繁雜，流動(dòng)人員過(guò)多時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)工作不穩(wěn) 定，影響系統(tǒng)的控制精度。

根據(jù)以上的分析比較，考慮到成本，以及施工精度的要求，技術(shù)的成熟性等諸方面， 本課題主要研究非接觸式超聲波傳感器自動(dòng)找平控制系統(tǒng)。

1．在施工中一些操作手對(duì)安裝的自動(dòng)找平系統(tǒng)未能正確的掌握其性能要求，未能 正確使用、校對(duì)，造成精度不準(zhǔn)，未能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用，甚至停用。所以，必須 對(duì)操作手進(jìn)行必要的培訓(xùn)，同時(shí)每天工作時(shí)要校對(duì)自動(dòng)找平系統(tǒng)，這樣可以保證整機(jī)工 作精度，確保每天的正常工作。

2．傳感器也是影響自動(dòng)找平系統(tǒng)的一個(gè)重要因素。譬如，本系統(tǒng)采用的是超聲波 傳感器，利用的是超聲波測(cè)距原理：依靠超聲波的傳播速度和聲時(shí)來(lái)計(jì)算探頭到目標(biāo)的 距離的。影響超聲波傳播速度的因素很多，在道路施工中，溫度、風(fēng)力、煙氣是重要的 影響因素。所以必須采取其他措施來(lái)進(jìn)行校正，可以依靠溫度傳感器和參考桿來(lái)補(bǔ)償超 聲波的傳播速度，保證它的測(cè)距精度。

3．通過(guò)對(duì)自動(dòng)找平電液系統(tǒng)分析可知，控制器發(fā)出的信號(hào)并不是直接控制鏟刀的 上下移動(dòng)，控制器和牽引架之間通過(guò)了一個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制信號(hào)的傳遞。就液壓系統(tǒng) 來(lái)說(shuō)，控制器控制信號(hào)的發(fā)出到電磁換向閥的響應(yīng)再到油缸的運(yùn)動(dòng)直至達(dá)到要求的位置 需要一個(gè)響應(yīng)時(shí)間，而這段時(shí)間內(nèi)，控制器對(duì)鏟刀的位置也同時(shí)在不停的檢測(cè)，在油缸 還沒(méi)達(dá)到要求位置時(shí)，A/D所采集的信號(hào)并沒(méi)有真實(shí)的反映控制信號(hào)的控制效果，如果 這時(shí)候控制器對(duì)這段時(shí)間內(nèi)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)果將導(dǎo)致鏟刀始終在不停的上下移 動(dòng)，不斷在調(diào)整自身的狀態(tài)。顯而易見，油缸運(yùn)動(dòng)位移很難達(dá)到理想的控制效果。所以， 液壓系統(tǒng)的滯后時(shí)間長(zhǎng)短，控制器何時(shí)才能對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)是保證控制精度的主要 問(wèn)題。

綜上所述，影響平地機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)精度的因素是多方面的，有平地機(jī)自身性質(zhì)和 工作環(huán)境等外界因素，也與平地機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)的類型有關(guān)。這就需要我們不斷的利用 新技術(shù)，研究并改進(jìn)自動(dòng)找平控制系統(tǒng)，開發(fā)故障診斷等專家系統(tǒng)，不斷提高平地機(jī)平

通過(guò)對(duì)平地機(jī)自動(dòng)找平裝置的工作原理分析，我們對(duì)平地機(jī)的找平性能有了理論上 的認(rèn)識(shí)，但是在平地機(jī)自動(dòng)找平控制系統(tǒng)中，不僅需要分析找平裝置的工作原理，而且 對(duì)液壓控制系統(tǒng)、超聲波傳感器、以及自動(dòng)找平控制方案等都需要有進(jìn)行一定深度的理 解和分析。

自動(dòng)找平控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，就控制方式來(lái)說(shuō)，從最初的開 關(guān)式控制發(fā)展到比例式控制再到目前常用的比例脈沖式控制；傳感器的發(fā)展也由單一的 角度傳感器發(fā)展到目前的超聲波和激光傳感器；同時(shí)在目前常用的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)中，用的較多的控制方式脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)。本章確定了平地機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)的控制 方案。

保證平整出來(lái)的路面平整度達(dá)到規(guī)定的要求是平地機(jī)自動(dòng)找平控制系統(tǒng)的一項(xiàng)基本 功能。要實(shí)現(xiàn)對(duì)平地機(jī)鏟刀升降的精確控制就要求系統(tǒng)必須采用閉環(huán)控制，通過(guò)反饋來(lái) 判斷和調(diào)整控制信號(hào)的準(zhǔn)確性。然而，對(duì)于自動(dòng)找平系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以往的模擬式控制系統(tǒng) 已經(jīng)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鏟刀升降的控制，在數(shù)字式自動(dòng)找平控制系統(tǒng)中不僅僅只是要將 控制精度提高，還應(yīng)該考慮到讓操作人員能在工作中隨時(shí)可以了解到機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)， 根據(jù)不同的路況和路面平整度要求對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，使控制器在能夠滿足不同 等級(jí)路面施工的需求。綜合各方面考慮，平地機(jī)自動(dòng)找平控制系統(tǒng)應(yīng)該要求具備以下功 能:

1、具備兩種工作模式: 手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，在平地機(jī)工作時(shí)應(yīng)能在這兩種工作模 式之間相互切換。

2、具有靈敏度設(shè)置功能, 使平地機(jī)在不同的施工環(huán)境和平整不同等級(jí)的路面時(shí)能對(duì) 靈敏度進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)合理設(shè)置很好的協(xié)調(diào)好保證路面平整度要求和減小自動(dòng)找平系統(tǒng) 振蕩兩者之間的矛盾。

3、系統(tǒng)也應(yīng)該具有控制窗口設(shè)計(jì)功能, 平地機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)的基準(zhǔn)是通過(guò)超聲波傳 感器設(shè)定, 在整平的過(guò)程中，由于路基高度的突變,超出了正常的工作范圍,超聲波傳感

系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)有一個(gè)窗口值，當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)值與基準(zhǔn)的差值超過(guò)窗口值，那么便認(rèn) 為情況不正常,這時(shí)系統(tǒng)應(yīng)立即停止輸出控制信號(hào)，同時(shí)以一定的方式通知操作人員， 讓他知道系統(tǒng)發(fā)生了故障，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4、在手動(dòng)模式下，應(yīng)屏蔽靈敏度和窗口設(shè)置功能。這時(shí)系統(tǒng)保持高度誤差顯示，同 時(shí)通過(guò)“增”和“減”兩個(gè)按鍵來(lái)控制鏟刀的升降。

5、在自動(dòng)模式下，應(yīng)能隨時(shí)對(duì)靈敏度和窗口值進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置， 根據(jù)不同的高度誤差對(duì)鏟刀采用不同的調(diào)整方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏟刀的精確控制。

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該力求在實(shí)現(xiàn)所有功能的前提下，盡量使操作變得簡(jiǎn)便(即必 須把控制面板設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單明了)，通過(guò)硬件和軟件的結(jié)合，不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)鏟刀的精確控 制，還要使的控制界面更人性化，操作更簡(jiǎn)便。

根據(jù)平地機(jī)自動(dòng)找平控制系統(tǒng)的特性，以及平地機(jī)的結(jié)構(gòu)特征等，確定平地機(jī)自動(dòng) 找平控制系統(tǒng)的方案，如圖 3.1 所示。由平地機(jī)自帶的蓄電池向自動(dòng)找平控制器和電磁 換向閥提供+24V 電源，首先通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定平地機(jī)的工作基準(zhǔn)，進(jìn)入工作狀態(tài)后， 平地機(jī)開始勻速行使，超聲波傳感器開始檢測(cè)路面的變化，控制器通過(guò)不斷對(duì)超聲波傳 感器的采樣獲取路面的高度，并將其與設(shè)定的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較取偏差，通過(guò)控制算法后 得出控制輸出信號(hào)，控制信號(hào)對(duì)電磁換向閥進(jìn)行控制進(jìn)而調(diào)整液壓油缸的升降，實(shí)現(xiàn)消 除誤差的目的，達(dá)到土地的平整。

主控制器的選擇是控制方案的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它直接影響到自動(dòng)找平控制系統(tǒng)的性 能、價(jià)格以及控制功能等。滿足平地機(jī)使用功能要求的主控制器的選擇范圍有高性能單 片機(jī)、可編程控制器(PLC)、工業(yè)控制機(jī)、以及數(shù)字信號(hào)處理(DSP)等，這四種形式各有 優(yōu)缺點(diǎn)。

1．單片機(jī):在目前的應(yīng)用研究中，較易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的方案是使用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 其功能，尤其是新型的 8 位，16 位單片機(jī)具有 A/D、PWM、EEPROM、比較輸出、捕捉輸 入、SPI 接口、異步串行通訊接口、FLASH 程序存儲(chǔ)器等功能。單片機(jī)成本低，易開發(fā)， 因?yàn)閱纹瑱C(jī)價(jià)格不斷下降，而其技術(shù)含量卻不斷提高。另外，單片機(jī)的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛， 有許多可以借鑒的成功應(yīng)用范例與大量的公用程序。尺寸小，結(jié)構(gòu)易布置，由于單片機(jī) 及其外圍接口電路可以緊湊地放在一塊印刷電路板上，這就為控制器的面板設(shè)計(jì)帶來(lái)方 便，面板形狀與大小都可以在一定程度上隨意設(shè)計(jì)。對(duì)于一些比較復(fù)雜的控制，其計(jì)算 量往往很大，這樣，計(jì)算速度將直接影響控制精度。

2．可編程控制器(PLC):順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等。PLC 是專門為順序生 產(chǎn)過(guò)程而設(shè)計(jì)的控制器，它替代傳統(tǒng)的繼電器，具有很強(qiáng)的時(shí)序性。抗干擾能力強(qiáng)，因 為 PLC 是專門用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，在抗干擾能力方面優(yōu)越于單片機(jī)系統(tǒng)。與電磁閥連接 容易，因?yàn)?PLC 的輸出形式為數(shù)字脈沖形式，可以通過(guò)開關(guān)量輸出組件輸出電平信號(hào)省 去了 D/A 轉(zhuǎn)換，直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、電磁繼電器和電磁開關(guān)等;同時(shí)可以大量節(jié)省外圍驅(qū) 動(dòng)電路。與此同時(shí)，因?yàn)?PLC 是一種時(shí)序性很強(qiáng)的順序式控制器，其計(jì)算能力不是很強(qiáng)， 這就限制了一些控制方案的實(shí)現(xiàn)。雖然也出現(xiàn)了一些具有較強(qiáng)計(jì)算能力的 PLC，但其本 質(zhì)并沒(méi)有脫離原來(lái)的特點(diǎn)，仍基于循環(huán)掃描和程序執(zhí)行方式，往往影響計(jì)算速度。

3．工控機(jī):相對(duì)于單片機(jī)和 PLC 來(lái)說(shuō)功能靈活，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它集單片機(jī)與 PLC 優(yōu)點(diǎn) 于一體，具有很強(qiáng)的控制功能。工控機(jī)成本高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若和其它控制系統(tǒng)聯(lián)合 使用，不僅會(huì)降低成本，而且會(huì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的工作，采用先進(jìn)的控制模式，實(shí)現(xiàn)控制 的智能化。編程容易，接口簡(jiǎn)單，可以采用高級(jí)語(yǔ)言編程，設(shè)計(jì)友好的工作界面，利用 計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，編制復(fù)雜的軟件;另外，其接口都是標(biāo)準(zhǔn)接口，易于與各系統(tǒng) 之間進(jìn)行通訊與連接。工業(yè)控制有強(qiáng)大的計(jì)算、管理及通訊功能，適宜于高性能進(jìn)行機(jī)

據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)及改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，采用流水技術(shù)，即每條指令都由 片內(nèi)多個(gè)功能單元分別完成取指、譯碼、取數(shù)和執(zhí)行等多個(gè)步驟，從而在不提高時(shí)鐘頻 率的條件下減少了每條指令的執(zhí)行時(shí)間；DSP 芯片內(nèi)有多條總線可以同時(shí)進(jìn)行取指令和 多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作，并且有輔助寄存器用于尋址，它們可以在尋址訪問(wèn)前或訪問(wèn)后自動(dòng) 修改內(nèi)容，以指向下一個(gè)要訪問(wèn)的地址;DSP 芯片大多帶有 DMA 通道控制器和串行通信 口等，配合片內(nèi)總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)塊傳送速度大大提高；DSP 芯片配有中斷處理器和定時(shí) 控制器，可以方便地構(gòu)成一個(gè)小規(guī)模系統(tǒng);具有軟、硬件等待功能，能與各種存取器接 口；針對(duì)濾波、相關(guān)和矩陣運(yùn)算等需要大量乘法累加運(yùn)算的特點(diǎn)，DSP 芯片大多配有獨(dú) 立的乘法器和加法器，使得在同一時(shí)鐘周期內(nèi)可以完成乘、累加兩個(gè)運(yùn)算;低功耗，一 般為 0.5～4W，而采用低功耗技術(shù)的 DSP 芯片只有 0.1W，可用電池供電，節(jié)能；驅(qū)動(dòng)電 流小，驅(qū)動(dòng)電磁閥需要外加外圍電路。

工控機(jī)具有超過(guò) 100OMHz 的工作頻率，非常完善的開發(fā)手段，非常豐富的軟件支持， 在這些方面，DPS 是無(wú)法與之相比的。但是，工控機(jī)并非針對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，其 數(shù)據(jù)輸入/輸出能力相對(duì)于其處理能力要低得多，其響應(yīng)速度或者響應(yīng)延遲不能滿足實(shí) 時(shí)處理要求。在相同的工作頻率下，工控機(jī)進(jìn)行乘積、FTF、編解碼等常用數(shù)字信號(hào)處 理的速度要比 DPS 低得多。工控機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗多，價(jià)格較高。

單片機(jī)有較高的運(yùn)算速度，開發(fā)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于開發(fā)；另外，單片機(jī)的應(yīng) 用已經(jīng)非常的廣泛，具有許多可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)，為控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)方便。[12][13]

場(chǎng)上有沒(méi)有符合我們要求的傳感器。同時(shí)必須弄明白其工作原理，這樣才能更好的使用 它，更好的明白整個(gè)自動(dòng)找平控制系統(tǒng)。[12][14]

超聲波是一種特殊的聲波，它具有聲波傳輸?shù)幕�本物理特性，如反射、折射、散�?等。超聲波測(cè)距傳感器就是利用超聲波的方向性、反射性等特性進(jìn)行工作的，它的非接 觸性能在工程機(jī)械自動(dòng)找平系統(tǒng)中有著明顯的優(yōu)越性。近年來(lái)隨著超聲波技術(shù)和電子技 術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距傳感器在平地機(jī)、瀝青混凝土攤鋪機(jī)等非接觸式找平系統(tǒng)中得到 了廣泛的應(yīng)用。

1、工作原理：非接觸找平系統(tǒng)中的超聲波測(cè)距傳感器是按照脈沖回波方式工作的， 其工作原理如圖3.2所示。

式中： S—探頭到目標(biāo)的距離，m； C—聲波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s； t—聲時(shí)，s。

2、測(cè)試精度影響因素：在式(3.1)中，聲波在介質(zhì)中的傳播速度C受多種因素影響， 是一個(gè)變量；聲時(shí)t由計(jì)時(shí)電路測(cè)量，并隨被測(cè)距離的改變而變化。式(3.1)兩邊微分得

②超聲波頻率影響 超聲波測(cè)距傳感器的換能器當(dāng)收到機(jī)械回波信號(hào)后立即輸出電信號(hào)，電信號(hào)(接收

信號(hào))的幅值隨時(shí)間的變化規(guī)律簡(jiǎn)圖如圖3.3所示。如果取A點(diǎn)所在的水平電信號(hào)為觸發(fā) 計(jì)時(shí)電路的閥值，那么，計(jì)時(shí)電路的觸發(fā)工作時(shí)間比接收信號(hào)的開始時(shí)間滯后約2個(gè)周 期，在單程測(cè)試距離內(nèi)將產(chǎn)生1個(gè)聲波波長(zhǎng)的誤差，即

所以，超聲波頻率越大，周期就越小，傳感器的測(cè)試精度越高。但在選用超聲波換 能器時(shí)，還應(yīng)考慮到超聲波換能器的頻率越大，傳播過(guò)程中的衰減系數(shù)越大，將影響它 的有效測(cè)試距離。

ⅱ)聲速的影響 式(3.1)表明：脈沖回波法超聲波測(cè)距傳感器在測(cè)試距離時(shí)，必須獲得超聲波在介質(zhì)

中的傳播速度，才能從聲時(shí)中求出探頭到目標(biāo)間的距離。超聲波的傳播速度是一個(gè)變量， 受多種因素影響，即使在傳播介質(zhì)確定的情況下，介質(zhì)溫度、聲壓、風(fēng)力等的改變，也 將影響超聲波的傳播速度。[15][[16]

有 3 種輸出方式選擇，開關(guān)輸出：PNP 和 NPN，模擬量輸出 0~10V 和 4~20mA。考慮 到長(zhǎng)距離傳播信號(hào)的失真問(wèn)題，我們決定模擬量電流輸出 4~20mA ，選用型號(hào)為

943-F4Y-2D-1D0-180E 超聲波傳感器。

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的平地機(jī)均采用機(jī)電液一體化的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)，其中液壓系統(tǒng) 是多種多樣的，但其共同點(diǎn)都是向油缸供定量油液，以保證油缸調(diào)節(jié)的及時(shí)性及穩(wěn)定性。 通常，典型的電液控制系統(tǒng)由油泵、安全閥、流量閥、電磁換向閥、液控單向閥、油缸 及油管、接頭等組成(參見圖 3.5)。系統(tǒng)采用定量泵供油，油泵輸出的壓力油經(jīng)過(guò)兩個(gè) 流量閥排出定量的油液，在電磁換向閥的控制下經(jīng)液控單向閥進(jìn)入左右兩個(gè)油缸。再經(jīng) 油缸活塞桿的伸縮來(lái)控制牽引架繞前鉸點(diǎn)上下擺動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)平地鏟刀高度的精確把 握。

在工作過(guò)程中，首先通過(guò)控制器設(shè)定整平基準(zhǔn)，當(dāng)平整路面發(fā)生上下起伏的變化時(shí)， 牽引架會(huì)發(fā)生上下移動(dòng)，所以它也會(huì)帶著鏟刀一起升降，同時(shí)安裝在牽引架上的超聲波 傳感器也共同升降。這樣，超聲波傳感器就能檢測(cè)到當(dāng)前的與路基的實(shí)際距離，通過(guò)與 基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，可以得出偏差信號(hào)。這個(gè)偏差信號(hào)被控制器采樣后，通過(guò)一定的分析 和處理，發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路給電磁閥供電。電磁閥接到信號(hào)后，根據(jù)信 號(hào)的不同做出不同的響應(yīng)，使得牽引點(diǎn)的工作油缸上腔或下腔進(jìn)油，讓牽引點(diǎn)回到原來(lái)

作為系統(tǒng)的主要控制對(duì)象，電磁換向閥的控制方式是決定整個(gè)控制系統(tǒng)性能的主要 因素。對(duì)于電磁換向閥的控制，目前主要有兩種控制方式，一是開關(guān)式控制；二是比例 脈沖式控制。基于系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性考慮，本系統(tǒng)采用了脈寬調(diào)制(PWM)比例脈沖式來(lái)對(duì)電磁換向閥進(jìn)行控制。

PWM 是通過(guò)改變導(dǎo)通時(shí)間 t 與工作周期 T 的比值，即調(diào)節(jié)占空比，使一個(gè)周期時(shí)間 內(nèi)輸出的平均值與相應(yīng)時(shí)刻采樣得到的信號(hào)成正比。如圖 3.6 所示不同的占空比情況。

T1=T/2                            T1>T/2              T1<T/2 圖 3.6占空比圖

的脈沖電壓，由于電磁鐵線圈電感的濾波作用而變?yōu)橥�頻率小幅度充電的近似直流電流 信號(hào)。當(dāng) fPWM遠(yuǎn)高于電磁鐵線圈的截止頻率時(shí)，閥對(duì) PWM 信號(hào)的響應(yīng)不完全，其響應(yīng) 特性近似于對(duì)模擬信號(hào)的響應(yīng)，但疊加上一個(gè)脈動(dòng)幅值很小的顫振信號(hào)， fPWM越高，脈動(dòng)幅值越小。

PWM 信號(hào)的調(diào)制頻率的選擇應(yīng)考慮閥本身的響應(yīng)特性，例如固有頻率和過(guò)渡時(shí)間。 平地機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)的電磁換向閥的截止響應(yīng)頻率為 4Hz，所以在設(shè)置 PWM 信號(hào)輸出時(shí)， 其頻率必須小于截止頻率。本系統(tǒng)將輸出的 PWM 控制信號(hào)頻率設(shè)定為 3Hz，通過(guò)改變 PWM 信號(hào)的占空比來(lái)控制電磁閥的通斷時(shí)間，從而達(dá)到對(duì)鏟刀的精確控制。

系統(tǒng)對(duì)工作油缸的行程控制采用分步進(jìn)行的方式，通過(guò)超聲波傳感器檢測(cè)到的高度 信號(hào)，與系統(tǒng)設(shè)定的基準(zhǔn)高度相比較，如果高度誤差超出了系統(tǒng)設(shè)定的靈敏度范圍，那 么對(duì)油缸的運(yùn)動(dòng)采取恒速控制(即使電磁閥始終處于常開狀態(tài))；若高度誤差在靈敏度范

為了使得系統(tǒng)的控制精度進(jìn)一步提高，在脈沖區(qū)內(nèi)對(duì)脈沖的寬度采用比例調(diào)節(jié)的方式， 根據(jù)逼近理想高度的不同程度來(lái)調(diào)整PWM 的占空比，這樣即能將調(diào)平精度控制在一個(gè)很 小的范圍之內(nèi)，又可以最大限度的避免系統(tǒng)超調(diào)的發(fā)生。[12][17][18]

1、工作裝置的數(shù)學(xué)模型 設(shè)定平地機(jī)鏟刀所受的阻力保持不變，則鏟刀的運(yùn)動(dòng)將沿著牽引點(diǎn)的作用點(diǎn)連線方

成比例的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥，使調(diào)平油缸以相應(yīng)的速度調(diào)節(jié)鏟刀升降。控制器輸出的 PWM 波的占空比按一定比例變化(占空比的變化在 10%—90%之間)。

移動(dòng)(如圖 3.9 所示)，使得當(dāng)路面的波動(dòng)較大時(shí)鏟刀能夠在最短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整過(guò)來(lái)。系 統(tǒng)的恒速調(diào)節(jié)區(qū)大小為窗口值和靈敏度值之差，也隨著系統(tǒng)設(shè)置的不同而不同。[17][22]

(2) 介紹了超聲波傳感器的選擇，講述傳感器的選擇原則和超聲波傳感器的測(cè)距原 理及精度影響因素，最終選擇了美國(guó)霍尼韋爾公司生產(chǎn)的 943 系列超聲波傳感器；

(3) 接下來(lái)介紹了平地機(jī)自動(dòng)找平控制系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，講述了自動(dòng)找平液壓系統(tǒng) 的工作原理及確定采用 PWM 比例脈沖電磁閥的控制模式；

繼 1971 年微處理器的研制成功不久，就出現(xiàn)了單片的微型計(jì)算機(jī)即單片機(jī)，最早 的單片機(jī)是一位的。1976 年 Intel 公司推出了 8 位的 MCS—48 系列的單片機(jī)，它以其 體積小、控制功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，贏得了廣闊的市場(chǎng)。MCS—51 是在 MCS—48 的基 礎(chǔ)上于 80 年代初發(fā)展起來(lái)的，雖然它仍然是 8 位的單片機(jī)，但其功能較 MCS—48 有很 大的增強(qiáng)。此外，其具有品種全、兼容性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、軟硬件資料豐富等特點(diǎn)，應(yīng)用 愈加廣泛，直到現(xiàn)在 MCS—51 仍為單片機(jī)的主流系列。隨后又出現(xiàn)了 16 位單片機(jī)如 MCS

—96 系列，現(xiàn)在已經(jīng)有了 32 位單片機(jī)，處理速度是提高了，功能強(qiáng)大了，但用的并不 多。考慮到控制系統(tǒng)的要求，以及工作的環(huán)境、價(jià)格等諸多因素，本系統(tǒng)采用 Intel 公 司生產(chǎn)的 MCS—51 系列的 8051 單片機(jī)作為微控制器。

XTAL1（18 腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；在 8051 片內(nèi)它是振蕩電路反相放 大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時(shí)鐘電路時(shí)，該引腳 輸入外部時(shí)鐘脈沖。

XTAL2（19 腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大 器的輸入端。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。

（3）控制信號(hào)引腳 RST，ALE， PSEN和 EA

RST/VPD（9 腳）：RST 是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持兩個(gè)機(jī)器 周期（24 個(gè)時(shí)鐘振蕩周期）的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。RST 引腳的第二個(gè)功 能時(shí) VPD，即備用電源的輸入端。當(dāng)主電源 VCC 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時(shí)，將

+5V 電源自動(dòng)接入 RST 端，為 RAM 提供備用電源，以保證存儲(chǔ)在 RAM 中的信息不丟 失，從而使復(fù)位后能繼續(xù)正常運(yùn)行。

ALE/ PROG（ADDRESS LATCH ENABLE/PROGRAMMING，30 腳）：地址鎖存 允許信號(hào)端。當(dāng) 8051 上電正常工作后，ALE 引腳不斷向外輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為 振蕩器頻率 fosc 的 1/6。CPU 訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 輸出信號(hào)作為鎖存低 8位地址的

PSEN(PROGRAM STORE ENABLE ，29 腳)：程序存儲(chǔ)允許輸出信號(hào)端。在訪問(wèn)

EPROM 的OE端。 PSEN端有效，即允許讀出 EPROM/ROM 中的指令碼。

PSEN端同樣可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。

EA/VPP（ENABLE ADDRESS/VOLTAGE PULSE OF PROGRAMMING，31 腳）：

當(dāng) EA引腳接高電平時(shí)，CPU 只訪問(wèn)片內(nèi) EPROM/ROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中 的指令，但當(dāng) PC（程序計(jì)數(shù)器）的值超過(guò) 0FFFH，將自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器內(nèi)

當(dāng)輸入信號(hào) EA引腳接低電平（接地）時(shí)，CPU 只訪問(wèn)外部 EPROM/ROM 并執(zhí)行 外部程序存儲(chǔ)器的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。對(duì)于無(wú)片內(nèi) ROM 的 8031 等， 需外接 EPROM，此時(shí)必須將 EA引腳接地。如使用片內(nèi) ROM 的 8051，外擴(kuò) EPROM

也是可以的，但也要將 EA接地。

P0 口（P0.0－P0.7，39－32 腳）：P0 口是三態(tài)輸入/輸出接口，既可作為并行 I/O 口， 也可作為數(shù)據(jù)總線口。

P1 口（P1.0－P1.7，1－8 腳）：P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 P1 口的每一位能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。在 P1 口作為輸入口時(shí)，應(yīng)先向 P1 口鎖存 器（地址 90H）寫入全 1，此時(shí) P1 口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。

P2 口（P2.0－P2.7，21－28 腳）：P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端 口。P2 口的每一位能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。在訪問(wèn)片外 EPROM/RAM 時(shí)，它輸出 高 8 位地址。

P3 口（P3.0-P3.7，10－17 腳）：P3 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 P3 口的每一位能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。P3 口與其他 I/O 端口有很大區(qū)別，它除作 為一般準(zhǔn)雙向口 I/O 口外，每個(gè)引腳還具有第二功能。

在平地機(jī)超聲波自動(dòng)找平控制系統(tǒng)中通過(guò) 5  個(gè)按鍵來(lái)設(shè)置系統(tǒng)的工作參數(shù)和工作 狀態(tài)，分別是：設(shè)置鍵、自動(dòng)手動(dòng)切換鍵、增鍵、減鍵和確認(rèn)鍵。在平地機(jī)工作過(guò)程中， 通過(guò)幾個(gè)按鍵設(shè)定控制器的工作參數(shù)，控制鏟刀的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制。

●              增建和減鍵：這兩個(gè)按鍵配合著設(shè)置鍵一同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各項(xiàng)工作參數(shù)，同時(shí)在手動(dòng) 狀態(tài)下可以通過(guò)這兩個(gè)按鍵直接控制平地鏟的升降。

●              確認(rèn)鍵：參數(shù)設(shè)定完畢后，當(dāng)按下該鍵，存儲(chǔ)所設(shè)定值，并返回到正常顯示狀態(tài)。 數(shù)字控制器利用單片機(jī)的 I/O口的引腳作為輸入端，圖 4.3 為開關(guān)量輸入接口電路 圖[25]，采用的是獨(dú)立式非編碼按鍵電路。程序運(yùn)行過(guò)程中不斷的對(duì)按鍵狀態(tài)進(jìn)行掃描，

由于機(jī)械式觸點(diǎn)在閉合和斷開時(shí)，均發(fā)生抖動(dòng)，抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間一般在 5~10ms 之間， 在此之間，邏輯電路的輸入端電平是不穩(wěn)定的，CPU  在讀入觸點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，會(huì)檢測(cè)到多 次的電平跳變，造成命令被重復(fù)執(zhí)行。

中 74LS14 為史密特反向器，可以消除輸入電平緩慢上升過(guò)程中輸出信號(hào)的毛刺。 采用硬件電路消除觸點(diǎn)抖動(dòng)需要對(duì)每個(gè)鍵附加一套消抖電路，這樣會(huì)加大硬件成

本。在單片機(jī)系統(tǒng)中通常采用軟件方法解決：當(dāng) CPU 檢測(cè)到某一輸入電平變化時(shí)，先 延時(shí) 20ms，等觸點(diǎn)穩(wěn)定下來(lái)后，讀入觸點(diǎn)狀態(tài)，從而避免了觸點(diǎn)的抖動(dòng)。

為了保證按鍵每輸入一次僅作一次處理，需要在程序結(jié)構(gòu)中加以考慮。按鍵輸入處 理程序的框圖如圖 4.5 所示。[21]

由于超聲波傳感器輸出的是電流信號(hào)(4~20mA)，而單片機(jī)的 A/D 只能對(duì)電壓信號(hào) (0~5V)進(jìn)行處理，所以我們必須把從傳感器采集的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，所以本系 統(tǒng)設(shè)計(jì)了電流電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖 4.6 所示

此電路實(shí)現(xiàn)了超聲波傳感器(4~20mA)的輸出電流信號(hào)到（0~5V）電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)變， 電路簡(jiǎn)單，可靠性高。

2、濾波放大電路設(shè)計(jì) 超聲波傳感器在工作的工程中，由于平地機(jī)機(jī)身不可避免的振動(dòng)以及其他因素等，

導(dǎo)致超聲波傳感器探頭也發(fā)生振動(dòng)，而且這種振動(dòng)帶有一定的隨機(jī)性，它直接影響了傳 感器信號(hào)的真實(shí)性。所以我們采用一階有源濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，將干擾信號(hào)消除， 使得輸出信號(hào)基本上能夠真實(shí)反映當(dāng)前鏟刀的高度。同時(shí)該電路能夠?qū)Σ杉�的信�?hào)進(jìn)行

要有一定的時(shí)間來(lái)完成量化及編碼的操作。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，如果模擬量產(chǎn)生變化，將直 接影響轉(zhuǎn)換精度。特別是在同步系統(tǒng)中，幾個(gè)并聯(lián)的參量均需取自同一瞬時(shí)，而幾個(gè)參 數(shù)的 A/D 轉(zhuǎn)換又共享一個(gè)芯片，所得到的幾個(gè)量就不是同一時(shí)刻的值，無(wú)法進(jìn)行計(jì)算和 比較。所以要求輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬量在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持不變，但轉(zhuǎn)換之后， 又要求 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)能夠跟隨模擬量變化，能夠完成上述任務(wù)的器件叫采樣/ 保持器(Sample/Hole),簡(jiǎn)稱 S/H

發(fā)出時(shí)刻的模擬量輸入值，直到保持命令撤銷時(shí)為止。此時(shí)，采樣/保持器的輸出重新 跟蹤輸入信號(hào)的變化，直到下一個(gè)保持命令來(lái)到為止。[21][28]

最常用的采樣/保持器有美國(guó) AD 公司的 AD582、AD585、AD346 等以及國(guó)家半導(dǎo)體公 司的 LF198/298/398 等。

LF198/298/398 是由雙級(jí)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管組成的采樣保持電路，它具有采樣速度 快，保持下降速度慢，以及精度高等特點(diǎn)。作為單一的放大器時(shí)，其電路增益精度為

0.002％,采樣時(shí)間小于 6μs 時(shí)精度可達(dá) 0.001％,采用雙級(jí)型輸入狀態(tài)可獲得低偏差電 壓和寬頻帶。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管比 MOS 電路抗干擾能力強(qiáng)，而且不受溫度影響。總的設(shè)計(jì)保 證是，即使是在輸入信號(hào)等于電源電壓時(shí)，也可以將輸入饋送到輸出端。LF198 的邏輯 輸入全部為具有低輸入電流的差動(dòng)輸入，允許直接的差動(dòng)輸入，允許直接與 TTL、PMOS、 CMOS 電平相聯(lián)。其門限值為 1.4V。LF198 供電電源可以從±5V 到±18V。LF198 的原理

A/D 轉(zhuǎn)換。多路開關(guān)是用來(lái)切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵器件，為了提高參數(shù)的測(cè)量精度， 對(duì)其要求是：導(dǎo)通電阻小，開路電阻大，交叉干擾小，速度快。

輸出接通。而當(dāng) INH 為高電平時(shí)，不論 A、B、C 為何值，8 個(gè)通道均不通。該多路開關(guān) 輸入電平范圍大，數(shù)字量為 3~15V，模擬量可達(dá) 15V。

單片機(jī)只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，所以我們必須對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使它轉(zhuǎn)換成 單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，而 A/D 轉(zhuǎn)換器就具有此功能，它是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號(hào)最常用的器件。A/D 轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理可以分為逐次比較型和積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器，按位數(shù)分類有 8 位、10 位、12 位、14 位和 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器等。本系統(tǒng) 采用的是 ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC0809是采用逐次比較法的8位A/D變換芯片。芯片內(nèi)部除A/D轉(zhuǎn)換部分外還有多 路模擬開關(guān)及其地址譯碼鎖存器，三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器等電路。它可以直接與Z80、8085、

8080、8031等CPU相連，也可以獨(dú)立使用。 主要技術(shù)指標(biāo)：

電源電壓：6.5V； 分辨率：8位；

圖 4.11 是 ADC0809 與 8051 接口的連接方法。由于參考電壓 UR+接+5V 的電源， UR–接地，所以輸入信號(hào)的變化范圍是0~5V。單片機(jī) 8051 的 P2.0 配合 WR 引腳發(fā)送 ADC0809 的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，配合 RD 引腳發(fā)送讀取 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的信號(hào)。P0 口的 P0.0， P0.1，P0.2 與 ADC0809 的地址線 A、B、C 相連接，對(duì)應(yīng) 8 路輸入模擬信號(hào)的地址是 FEX8H~FEXFH。ADC0809 的EOC 經(jīng)反相器與 P3.0 引腳相連接，則 8051 根據(jù) P3.0 引 腳的狀態(tài)來(lái)判斷轉(zhuǎn)換結(jié)果是否結(jié)束。接口電路中 74LS373 是常用的鎖存器電路，主要 用來(lái)在總線傳輸電路中鎖存地址信息或數(shù)據(jù)信息，并實(shí)現(xiàn)總線信號(hào)的緩沖與驅(qū)動(dòng)。

MCS—51 系列的單片機(jī)的程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)在尋址邏輯上是相互獨(dú)立的，程 序存儲(chǔ)區(qū)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的尋址空間各有64K。由于受生產(chǎn)工藝和成本的限制，8051 單片機(jī)內(nèi)部只配置了 4Kb 的內(nèi)部 ROM 和 128 個(gè)字節(jié)內(nèi)部的 RAM，在應(yīng)用中這些存儲(chǔ)器滿 足不了實(shí)際的需要，必須采用額外的存儲(chǔ)芯片，對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。

在本文中用 2817A 電可改寫只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)，對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展；6116 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其擴(kuò)展電路如圖 4.12 所示[21][24][29]

單片機(jī)所提供的輸入輸出(I/O)線很少，大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)需要外加擴(kuò)展 I/O 接口。 MCS—51 系列單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行 I/O 擴(kuò)展時(shí)，經(jīng)常采用的是美國(guó) Intel 公司的外圍接口芯 片，如并行接口 8255A、74 系列的 TTL 電路或 CMOS 電路等。本系統(tǒng)采用 74LS377 擴(kuò)展

8 位輸出口，這類 I/O 口具有體積小、價(jià)格低、無(wú)需初始化、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因而得 到了廣泛的應(yīng)用。[28]

線； E為片選信號(hào)線，CP 為時(shí)鐘輸入線。當(dāng) E為低電平時(shí)，CP 脈沖的上升沿把 D 端

平地機(jī)在工作過(guò)程中，自動(dòng)找平系統(tǒng)必須根據(jù)其運(yùn)行的狀態(tài)以一定的方式通知操作 人員平地機(jī)目前的運(yùn)行狀況。LED 顯示器的 7 段數(shù)碼顯示并不能滿足所有的要求，因此 本控制系統(tǒng)除了 LED 顯示之外還加上了一些系統(tǒng)狀態(tài)指示燈，使得系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)一目了 然。如圖 4.14 其硬件接口電路。

作業(yè)燈(Working):當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，工作狀態(tài)燈始終是亮的，直到系統(tǒng) 停止運(yùn)行。

油缸運(yùn)動(dòng)顯示燈(Lifting/Lowing)：當(dāng)油缸向上運(yùn)動(dòng)后，那么向上的指示燈就亮； 當(dāng)油缸不運(yùn)動(dòng)時(shí)，那么不運(yùn)動(dòng)指示燈；當(dāng)油缸向下運(yùn)動(dòng)后，那么向下的指示燈就亮。

對(duì)于平地機(jī)鏟刀升降自動(dòng)找平控制系統(tǒng)而言，顯示器也是一個(gè)不可忽略的部分。在 單片機(jī)系統(tǒng)中，常用的顯示器有：發(fā)光二極管顯示器，簡(jiǎn)稱 LED (Light Emitting Diode）； 液晶顯示器，簡(jiǎn)稱 LCD (Liquid Crystal Display)；熒光管顯示器。其中發(fā)光二極管顯示 器結(jié)構(gòu)、原理簡(jiǎn)單，使用方便，是最常用的顯示器之一。

本文考慮到平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)需要顯示的內(nèi)容以及特點(diǎn)，采用 MAX7219 顯示驅(qū) 動(dòng)芯片來(lái)設(shè)計(jì) 7 段 8 位 LED 顯示器。

（1）共陽(yáng)極接法 把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起構(gòu)成公共陽(yáng)極。使用時(shí)公共陽(yáng)極接＋5V。陰極端輸

（2）共陰極接法 把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。使用時(shí)會(huì)共陰極接地，陽(yáng)極端輸入高

8 個(gè)共陰極 7 段 LED 顯示器。其片內(nèi)包含有一個(gè) BCD 碼譯碼器、多路復(fù)用掃描電路、 段和位驅(qū)動(dòng)器及存儲(chǔ)每個(gè)數(shù)字的 8×8 固態(tài) RAM。

DIG0—DIG7：LED 位線，從共陰極 LED 中吸入電流； LOAD：數(shù)據(jù)裝載信號(hào)輸入端，在 LOAD 的上升沿最后的 16 位串行數(shù)據(jù)被鎖入； SEGA—SEGG，SEGDP：段碼輸出端；

DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端，輸入到 DIN 的數(shù)據(jù)在 1615 個(gè)時(shí)鐘周期后在 DOUT 腳發(fā) 出，該腳用于與級(jí)聯(lián)擴(kuò)展；

CLK：移位脈沖輸入端，最高時(shí)鐘頻率位 10MHz，在 CLK 的上升沿?cái)?shù)據(jù)被鎖入內(nèi) 部移位寄存器；在 CLK 的下降沿，數(shù)據(jù)從 DOUT 腳被輸出；

準(zhǔn)備就緒，CLK 的每個(gè)上升沿將一位數(shù)據(jù)移入 MAX7219 內(nèi)移位寄存器，當(dāng) 16 位數(shù)據(jù) 移入完，在 LOAD 引腳信號(hào)上升沿將 16 位數(shù)據(jù)裝入 MAX7219 內(nèi)的相應(yīng)位置，在 MAX7219 內(nèi)部硬件動(dòng)態(tài)掃描顯示控制電路作用下實(shí)現(xiàn)以上動(dòng)態(tài)顯示。

MAX7219 和 8051 的連接有兩種形式，并行接口方式和串行接口方式。本文采用并 行接口方式。如圖 4.17 所示

平地機(jī)自動(dòng)找平控制系統(tǒng)的后向通道主要是指 PWM 信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路，電磁換向閥兩 端的電磁鐵的驅(qū)動(dòng)功率為 35W，單片機(jī)輸出的PWM 信號(hào)功率很小，不足以驅(qū)動(dòng)電磁閥工 作，所以在后向通道中，我們必須加上一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)提高 PWM 控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。 電路設(shè)計(jì)如圖 4.18 所示。[22]

而不是傳統(tǒng)的直接用它來(lái)控制電磁鐵，這樣使得驅(qū)動(dòng)電路和主控制器完全隔離，確保控 制器的安全。

通過(guò)以上分析，實(shí)際上我們把驅(qū)動(dòng)電路做成了一個(gè)類似于開關(guān)電路的模式，其開閉 狀態(tài)由 PWM 輸出的高低電平來(lái)決定，這樣可以消除 PWM 波用作光耦的控制信號(hào)后使得輸 出的信號(hào)在電平跳轉(zhuǎn)邊沿出現(xiàn)的一些波形失真的情況，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁閥開閉時(shí)間的 精確控制。由于電磁鐵是感性元件，所以其瞬間的通斷電過(guò)程中，必然會(huì)產(chǎn)生較大的尖 峰脈沖，如果不加任何防范措施，這個(gè)反相的尖峰電壓將直接加在達(dá)林頓管上而將其燒 毀，所以我們?cè)陔姶盆F的正負(fù)端連上一個(gè)續(xù)流二極管，使得尖峰電壓通過(guò)續(xù)流二極管形 成的回路消耗掉，保證了達(dá)林頓管的安全。

按系統(tǒng)要求有兩個(gè) 4 位 7 段 LED 顯示器，在工作過(guò)程中，上 4 位顯示實(shí)際測(cè)量高 度值，下 4 位顯示設(shè)定基準(zhǔn)值。圖 4.19為數(shù)字控制器的外觀圖，采用一體式外觀設(shè)計(jì)， 就是將 LED 顯示器，按鍵和工作狀態(tài)指示燈做在一起，這樣就可以使得操作人員能夠 很方便的了解系統(tǒng)的工作情況，隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)做出調(diào)整。[17][21]

8051 芯片內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振 器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。

（即 2 個(gè)機(jī)器周期）以上，8051 就會(huì)執(zhí)行復(fù)位操作，然后把 RST 恢復(fù)為低電平。 復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按健手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位

電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電路如圖 4.21（a）。按健手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩 種。其中按健電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與 VCC 電源接通而實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要是依靠軟件的設(shè)計(jì)來(lái)完成。本系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為若干個(gè)模塊，分別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。這樣在系統(tǒng)軟 件的調(diào)試過(guò)程中，各個(gè)模塊的獨(dú)立調(diào)試有助于問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和解決。在一定程度上減少了 程序錯(cuò)誤的發(fā)生，同時(shí)也節(jié)約了程序的調(diào)試時(shí)間。

C 語(yǔ)言是一種使用非常方便的語(yǔ)言，使用 C 語(yǔ)言進(jìn)行 8051 單片機(jī)開發(fā)有很大的優(yōu) 勢(shì)。為此，從 20 世紀(jì) 80 年代中后期就已經(jīng)開始將 C 語(yǔ)言向 8051 單片機(jī)上移植。近年 來(lái)，各生產(chǎn)單片機(jī)(微控制器)的廠家都相繼開發(fā)了一種專為單片機(jī)設(shè)計(jì)的 C 語(yǔ)言編譯器， 如德國(guó) KELI 公司推出的 KELI C 就是一種高性能的 C 語(yǔ)言編譯器。它以代碼緊湊，使 用方便而得到用戶的廣泛使用。本系統(tǒng)程序的編寫和調(diào)試采用 8051 系列微控制器的開 發(fā)工具 Keil uvision2（此后簡(jiǎn)稱 Keil）。Keil 是 8051 系列單片機(jī)的軟件開發(fā)工具，利用 該工具可以開發(fā)所有 8051 系列單片機(jī)的嵌入式應(yīng)用。Keil 用來(lái)編譯 C 源碼匯編、匯編 源程序連接、重定位目標(biāo)文件和庫(kù)文件、創(chuàng)建 HEX文件、調(diào)試目標(biāo)程序。[33]

1、主程序模塊：主要完成系統(tǒng)各外設(shè)的初始化，并檢查系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的完整性， 調(diào)用掃描按鍵子程序等，等待各中斷的發(fā)生。

2、按鍵掃描模塊：主要完成系統(tǒng)中各個(gè)按鍵的狀態(tài)識(shí)別，通過(guò)識(shí)別執(zhí)行相應(yīng)的指 令，完成對(duì)系統(tǒng)的在線設(shè)置。由于系統(tǒng)的按鍵采用的是薄膜按鍵，所以在按鍵掃描過(guò)程 中(如自動(dòng)/手動(dòng)鍵)必須記住當(dāng)前的狀態(tài)，假設(shè)第一次按下為自動(dòng)狀態(tài)，則再次按下系 統(tǒng)將轉(zhuǎn)到手動(dòng)狀態(tài)，如此交替循環(huán)。在靈敏度設(shè)定時(shí)，考慮到操作人員的方便性，若快 速按下增、減鍵則相應(yīng)的系統(tǒng)值加(減)一，若是長(zhǎng)時(shí)間按下不放，則相應(yīng)的系統(tǒng)值將處 于連續(xù)加(減)狀態(tài)，直到按鍵松開為止。

3、顯示模塊：主要功能是顯示系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中高度偏差，以及設(shè)定的基準(zhǔn)高度值， 以便操作員隨時(shí)對(duì)基準(zhǔn)高度做出調(diào)整，而且采用 LED 顯示，方便直觀、簡(jiǎn)單并且容易操 作。

數(shù)字控制器的軟件和硬件設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷改進(jìn)，不斷完善的過(guò)程，本文設(shè)計(jì)的平地 機(jī)自動(dòng)找平數(shù)字控制器，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其性能，包括數(shù)字控制器的準(zhǔn)確性和可靠 性，并在設(shè)計(jì)和開發(fā)過(guò)程中對(duì)數(shù)字控制器的硬件電路以及軟件進(jìn)行不斷的調(diào)整，以達(dá)到 理想預(yù)期的效果。

逐步檢測(cè)數(shù)字控制器的控制功能和控制性能，適當(dāng)調(diào)整數(shù)字控制器的硬件和軟件設(shè) 計(jì)，提高數(shù)字控制器的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，模仿現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，驗(yàn)證自動(dòng) 找平控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果，將測(cè)試得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) Matlab 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 和曲線擬合，進(jìn)行分析研究。

6.2 實(shí)驗(yàn)工具

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：硬件電路（實(shí)驗(yàn)用 8051 主電路板、外圍電路板、LED 顯示器）、

PC 機(jī)、萬(wàn)用表、示波器等。各器件如圖 6.1 所示。

圖 6.1.18051主電路板              圖 6.1.2外圍電路板