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基于ARM的液压实训台在线监测系统设计

范文

郑东旭章建林胡洁蔡晓春

摘 ? 要：为了将“工匠精神”有效地融入技术技能型课程教学模块，机电一体化技术专业针对理实一体化教室的液压实训设备进行升级设计，设计出基于高级精简指令集处理器ARM的液压实训台在线监测系统，通过多组传感器的数据采集，经由ARM核心板进行数据处理，显示液压系统的运行状态参数，供学生学习和使用，极大地增强了学生的学习兴趣，为培养学生的知识、技能以及职业素养起到了重要作用。

关键词：ARM核心板;液压实训台;在线监测;工匠精神

在新时代，对高职学生“工匠精神”的培养应贯穿教学的整个过程，技术技能型课程教学模块是重要载体之一。我院机电一体化技术专业对“液压传动”课程的教学改革进行了探索。该课程采用理实一体化的教学模式，整合教学内容，融入其他学科知识，训练学生发现问题、解决问题的能力以及“智能制造”和“绿色制造”的能力，并培养他们积极探索、精益求精的创新精神。液压实训设备是“液压传动”课程进行理实一体化教学必不可少的设备，教室配备10台“液压传动与可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）实训装置”，集真实的液压元件、继电器控制单元、PLC编程等技术于一体，可以训练学生对综合知识的应用能力。由于该设备利用率高、元件老化速度快、学生操作不当等原因，液压系统故障频出，如漏油不断、调压能力降低、电气控制模块接触不良等问题。为了更好地解决诸多问题，项目组根据现有条件自行设计并改造了基于高级精简指令集处理器（Advanced RISC Machines，ARM）的实训台运行参数在线监测系统，以保障设备维护的及时性，同时，引入相关知识供同学们进行课堂拓展。

1 ? ?需求分析

针对液压实训设备在长期使用中遇到的维护维修问题，确定基于ARM的液压实训台在线监测系统应具备以下功能：

（1）可以监测10台液压实训设备工作油压、液压油箱的油温、液位等。

（2）可以通过触摸屏显示监测参数，超过阈值时报警指示。

（3）可以通过触摸屏指令或所监测的参数控制液压泵的启动、停止。

（4）可以根据课堂需要，利用教学主机对监控参数进行投屏展示。

（5）可以查询教学主机的图像监控数据，为维护维修提供数据保证。

（6）预留Wi-Fi功能，可与路由器进行数据传输，将数据传送至云端保存，为维护维修提供数据保证。

2 ? ?总体方案设计

通过传感器组油压传感器、液位传感器和油温传感器，分别采集10台液压实训设备的运行状态参数，并传送给ARM核心板，核心板通过数据处理显示在触摸屏上，参数异常时可以通过蜂鸣器报警，利用指示灯显示对应的设备故障。对于拓展功能，选用无线摄像头监控触摸屏参数，将采集的图像传到云平台上，在教学主机上安装客户端，访问网络可以投屏展示监控画面，供同学们参考，也可以将图像数据保存，为维护维修使用提供保证。系统总体框图如图1所示。

3 ? ?硬件设计

3.1 ?ARM核心板

为缩短开发时间，ARM核心板选择野火F103-指南者开发板，这是基于ARM内核的STM32F103VET6微控制器，Cortex-M3系列，具有高性能、低功耗、低成本等特点，拥有80个多功能双向输入/输出（Input/Output，I/O）口，并且通过端口复用，搭载了丰富的片上外设，包含13个通信接口，可以支持多种通信协议;11个定时器。在野火F103-指南者开发板上，STM32F103的引脚均以针脚的方式引出，支持串口在线系统编程（In-System Programmability，ISP）一键下载，并板载了报警指示、Wi-Fi模块、液晶屏幕接口、摄像头接口、蓝牙模块接口、安全数码（Secure Digital，SD）卡接口等，为功能的扩展提供了条件。除此以外，利用Keil5软件编写程序时，可调用芯片供应商提供的固件库进行开发，能有效缩短开发时间。

3.2 ?传感器采集模块

在基于ARM的液压实训台在线监控系统中，通过接入传感器组采集数据，实现对实训台运行参数的实时监测。本系统的传感器数据采集部分分为油温、油压、液位和摄像头采集的图像等，需要根据液压实训台的相关参数选取传感器。

压力传感器组用于采集液压泵出口压力，由于变量叶片泵的压力为7 MPa，额定流量为8 L/min，故选择42CPT8-1型压力传感器，其测量范围为0～10 MPa，供电电源为直流+5 V，信号输出的比例电压输出为0.5～4.5 V。

油温传感器组用于采集油箱液压油温度。由于实验室设备工作温度在0～65 ℃，选用Pt100温度传感器，其阻值随着温度的变化而变化，并且通过温度变送器转换为电压，进而反映液压油温度情况[1]。工作电压为+12 V，其输出电压信号的范围为0～+5 Vdc，工作温度范围为0～+100 ℃。

液位传感器组用于采集油箱液压油液位高度，本系统中不需采集油箱中的具体液位值，仅当液位超过设定值时进行报警，控制电路断开液压泵的动力源，故选用FP-35SH侧装鸭嘴式不锈钢液位开关即可，工作电压为﹣30～+180 V，输出形式常开，延时关闭时间为0.2 s，负载功率为50 W。

传感器的选择和测控电路的设计可以让学生进行创新改造，引导学生运用所学知识，培养他们积极探索的工匠精神，此处给出温度采集的参考电路，如图2所示。

3.3 ?电源供电模块

为了保证系统可以安全稳定地运行，需要3种电源供电，分别为：+12 V（油温传感器）、+5 V（压力传感器，液位传感器、开发板）、+3.3 V（STM32芯片）。其中，传感器布置在各个实训台所在位置，需设计+12 V和+5 V电源，给每台设备所用的传感器供电，可由220 V交流电压直接降压整流滤波得到[2]。

由于ARM核心板是通过采集各实训台的状态数据来控制各个液压泵的启停的，需就近放置，且开发板上自带USB供电接口，经过板载AMS1117芯片转换成+3.3 V电压，可不与传感器共用+5 V电源，故选用+5 V（1 A）的手机适配器给开发板供电即可。

传感器供电电压为+12 V、+5 V的电路设计可由学生运用电工电子技术的知识自行完成，培养他们的创新精神，必要时给学生提供参考电路。

4 ? ?软件设计

软件设计采用模块化设计思想，包括软硬件初始化模块、传感器采集模块、数据处理模块、触摸屏数据显示与控制模块、报警指示模块、液压泵启停控制模块[3]。单台设备数据处理流程如图3所示。利用Keil5软件编程并编译，选用与开发板配套的高速仿真器，或利用串口ISP一键下载功能将程序烧录在STM32芯片中。整个程序是一个主程序调用各个子程序实现功能的过程。

5 ? ?结语

本监测系统基于ARM核心板设计，对各个液压实训台的压力、油温、液位进行检测，实现在线监测、控制功能，均可通过触摸屏显示数据，利用教学主机投影展示各个液压实训台运行状况，能满足教师及实验室管理员的教学、运行维护需求，激发学生对知识的求知欲望，训练学生发现问题、解决问题的能力，培养学生精益求精的创新精神，为其他类型课程融入工匠精神的培养提供一个可借鉴的思路。

[参考文献]

[1]刘雪霞，谭业发.基于STM32单片机的液压动力系统监测仪设计[J].仪表技术与传感器，2019（9）：38-41.

[2]王晓瑜.秸秆基质覆盖机测控系统设计与研制[D].西安：西北农林科技大学，2018.

[3]鲁壮，李波.車间多机床状态实时监测系统研究[J].机床与液压，2019（10）：77-81.

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