便携式叉车属具夹紧力测试仪研制

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　　摘要：针对传统的叉车属具常常难以选择合适的夹紧力来满足现阶段仓储货运和工厂对于搬运不同重量的多种货物的需求，设计提出了一种便携式夹紧力测试仪来实现夹紧力的实时测量。该测试仪以STM32为核心控制单元，通过压力传感器，转换模块，信号调理模块，AD模块将压力模拟信号转化为相应的可读数字信号;还包括了触摸屏模块，可以通过触摸屏设定和实时显示夹紧力的大小等数据。有效的解决了在货物的搬运和装卸过程中无法实时掌握叉车属具夹紧力大小的问题，可以满足现代仓储货运和工厂的多元化需求，具有良好的社会经济价值和广泛的推广应用前景。
　　关键词：叉车属具;便携式测量仪;夹紧力检测;智能化;仓储货运
　　中图分类号：TH2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）03-0013-02
　　0 引言
　　随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，物流行业和仓储货运行业等需要搬运和装卸的货物也越来越多，种类也越来越复杂[1]。传统的叉车属具所面临的工况[2-3]：一方面是商家为了节省成本，包装材料低成本化;另一方需面对各种不同重量的货物，以及搬动、堆垛情况各异，还有可能出现货物混合搬运情况。为避免对产品造成损坏，这对夹紧力提出了更高的要求。如何通过便利的设备迅速精准地根据夹持货物情况选择合适的叉车属具夹紧力，避免人为判断失误造成货物受损。而叉车属具夹紧力的控制常常根据操作人员的经验来调整，大大降低了现场工作效率[4-5]。同时一些常规的压力测量设备体积较大，携带不方便，不适用于需要频繁更换工作地点的叉车设备。考虑到以上一系列问题，研发了一種基于STM32的便携式夹紧力测试仪。便携式夹紧力测试仪是以微处理器为基础，配有可人机交互的触摸屏，通过电池供电的智能压力检测仪表。因为其体积上的便携性，在远离货仓时仍然能可靠地工作，极大的提高了工作范围。
　　1 系统总体方案设计
　　便携式夹紧力测试仪主要由硬件系统和软件系统组成，硬件系统主要由手持终端和采集终端组成，其中手持终端主要由微处理器模型、触屏模块、AD转换模块和电源模块1组成，采集终端主要由压力传感器（一个或者多个）、压力转换模块、信号调理模块和电源模块2组成;软件系统主要由微处理器的系统及IO端口初始化子程序、触摸屏初始化子程序、触摸屏人机交互子程序、AD模块读写子程序以及压力换算子程序等组成。系统硬件部分的总体框图如图1所示。
　　本系统的工作流程为：通过触摸屏选择需要测量的数据，STM32根据指令进行初始化操作，压力转换模块通过压力传感器将夹紧力的大小转化为模拟信号并通过信号调理模块的调理放大后，传入AD模块中;AD模块将模拟信号转化为处理器能读懂的数字信号，最终处理器通过对信号的读取和处理将夹紧力的大小实时显示在屏幕上。
　　2 系统硬件设计
　　2.1 信号采集与处理
　　该部分包括压力传感器、压力转换模块、信号调理模块、AD模块。压力采集使用了8个型号为DYMH-102的5t承载力压阻式传感器，其中6个用于平面叉车属具测量，2个用于曲面叉车属具测量。压力转换采用DY510压力转换模块，利用原装进口高性能器件将传感器输出信号给扩大。信号调理模块本质上就是隔离放大器，其主要作用就是用于信号的放大和前端电路的保护，由于它本身的隔离电压很高，极大的提升了测量设备在恶劣条件下使用不被击穿的性能。
　　考虑到STM32的电压输出不稳定，同时驱动能力不足等缺点，本设计利用超小型16位精密模数转换模块ADS1115，具有板载基准电压和振荡器，通过I2C兼容接口传输数据，工作电压从2.0V到5.5V，取样频率高达860SPS[6]。
　　2.2 人机交互模块
　　触摸屏[7]作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。本设计使用的数字液晶屏为2.8寸TJC3224K028型液晶屏，采用电阻式触摸技术，分辨率为320*240，工作电压为4.65v-6.5v，工作温度为-20/+70，通讯接口采用USART串行接口，Flash存储空间为16M，Ram存储空间为3584bytes。STM32F103F103与液晶屏通过片上接口直接连接，实现用触摸屏控制的作用。
　　2.3 STM32主控模块
　　STM32F103是由ST（意法半导体）开发的一种高性能微控制器[8]，使用的是Cortex-M3内核。该产品系列功能多种多样，最高能实现72MHz的使用频率。使用时可用2-6V的电源为其供电。该系列芯片因为其外设上的优越性加上功耗少、价格低廉、构架简易、简便易用等优点在市场上得到了非常广泛的应用。
　　2.4 电源管理模块
　　本设计的硬件系统包括手持终端和采集终端两部分，而且所需要的电压等级不同，因此需要设计两套不同的电压转换电路。手持端采用4.5V升5V电压转换电路为触摸屏和STM32F103主控制模块供电。
　　采集终端采用芯片XL6009将12V电压转换成24V给系统供电。芯片XL6009内部由三极管和固定频率的振荡器组成，能够在比较大的输入和输出电压下稳定工作。
　　3 系统软件设计
　　本系统主要采用了STM32系列单片机进行整体控制，因此选用ARM公司研发的可用于微控制器的Keil平台[9]。系统主程序流程图如图2所示。核心控制板上电之后，需要对系统进行初始化，根据任务需求开始夹紧力的测量，通过触摸屏选择需要显示的压力值，然后压力传感器开始工作，信号进过压力变换器和信号调理器变换放大在经过AD模块转换之后送入主控制器上，控制器在将其转化为具体数字显示在触摸屏上，从而实现叉车属具夹紧力的实时测量和显示。
　　4 测试结果分析
　　本系统所有操作均通过手持式夹紧力测量仪来进行测量控制，触摸屏共分为平面测试和曲面测试两个界面。通过工作人员现场测试，当叉车属具施加的力发生改变时，通过采集终端采集到的数据传送到手持终端，通过观察手持终端电阻屏压力显示，判断整体的准确性，然后改变连接通道，测试不同通道的准确和稳定性，测量结果如表1所示。可见本设计的便携式夹紧力测试仪能够清晰、稳定地测量叉车属具夹紧力的实时压力值，可以满足实际的现场工作要求，为今后叉车属具夹紧力的稳定准确控制提供可靠保障。 　　5 结语
　　本产品设计的便携式叉车属具夹紧力测量仪能够手持测量装置对叉车属具的平面夹紧力或曲面夹紧力进行实时检测，并且为了人机交互的便利性，测量仪采用电阻式触摸屏进行实时操作，同时也避免了传统按键容易受腐蚀而无法使用的问题。作为新一代更加智能化的压力力测量显示仪表，主要用于叉车属具的夹紧力的测量，因为其体积上的便携性，在远离货仓等工作环境时依旧能稳定有效地工作，极大的提高了在工业控制与监测方面的工作效率。
　　参考文献
　　[1] 李雪梅.我国物流业存在的主要问题及探讨[J].中国商贸，2010（18）：70-71.
　　[2] 王桂洪.叉车属具现状及发展趋势[J].中国储运，2014（05）：109-111.
　　[3] 邓艳芳.叉车属具新标准已进入征求意见阶段[J].工程机械文摘，2014（5）：38-39.
　　[4] 盛玉洁，蒋旭东.浅谈叉车属具[J].叉车技术，2001（04）：10-12.
　　[5] 朱则刚.叉车属具及其合理应用[J].现代零部件，2006（11）：80-84.
　　[6] 陳楠.ADS1115：不到2mm的超小型ADC芯片[J].世界产品与技术，2009（9）：74.
　　[7] 杨邦朝，张治安.触摸屏技术及应用[J].电子世界，2003（02）：80-81.
　　[8] 孙书鹰，陈志佳，寇超，等.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].网络新媒体技术，2010，31（12）：59-63.
　　[9] 王科飞.Keil uVision3与Proteus的联合仿真在单片机教学中的应用[J].吉林工商学院学报，2010（05）：64-66+83.
　　Abstract：In view of the traditional forklift accessories are often difficult to choose the appropriate clamping force to meet the needs of the current storage and freight and the factory for carrying different weights of various goods， a portable clamping force tester is designed to realize the real-time measurement of the clamping force. With STM32 as the core control unit， the pressure analog signal is transformed into corresponding readable digital signal by pressure sensor， conversion module， signal conditioning module and ad module. In addition， it also includes the touch screen module， which can set and display the clamping force and other data in real time through the touch screen. It can effectively solve the problem that the forklift can't grasp the clamping force in real time in the process of cargo handling and loading and unloading. It can meet the diversified needs of modern storage， freight transportation and factories. It has good social and economic value and wide application prospects.
　　Key words：forklift appliance;portable instrument;detection of clamping force; intelligent;warehouse carrying
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