叉车属具多油路无线液压控制系统

郭勇 周孟然 胡锋

（1.安庆联动属具股份有限公司 安徽省安庆市 246001 2.安徽理工大学 安徽省淮南市 232000）

叉车属具，用于自动化装卸或短距离搬运的一种高效率设备，其种类也多种多样。随着自动化工厂的快速发展以及其较高效的装卸和搬运效率，叉车属具越来越广泛的应用于工厂内的货物搬运和装卸。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，物流业和仓储货运业的需求和要求也与日俱增，传统的叉车属具大多采用传统的机械结构来实现特定的功能要求，随着微电子技术的发展，智能制造和自动化技术正在渗透到各行各业，叉车属具行业也不例外。安庆联动属具股份有限公司的K 系列调距叉（特点是失载距小、结构轻巧），自推向市场以来，客户（特别是主机厂）反馈油路安装困难，且仅适配基本型门架叉车，限制了产品的使用范围。为此，如何调整K 系列调距液压布局，设计一种无线快速切换使用的液压系统已成为急需解决的问题，也是提升属具产品档次及产品质量的核心技术。为此本文设计了一种更加智能精准高效的叉车属具多油路无线液压控制系统，能够通过无线控制的方法实现叉车属具油路侧移和调距功能。

1 系统总体方案设计

针对现有的叉车属具需要通过油路管道以及多个机械阀配合实现调距和侧移功能，一方面操作相对繁琐，另一方面油路布置、维修等较为复杂，仓储货运行业对叉车属具油路的控制提出了更加智能化的发展要求。正是因为工业现场需求的不断增加，同时考虑到叉车属具油路的高度可控性，就必须实现对其进行无线控制，这样就可以实现对叉车属具调距和侧移功能的无线操作，从而提高叉车操作人员的工作效率，实现仓储货运行业的智能化、高效化、人性化要求。

叉车属具多油路无线液压控制系统的硬件构成如图1 所示，其包含了手持式的控制终端和固定式的执行终端。手持式的控制终端的组成如下：

图1：叉车属具多油路无线液压控制系统结构图

（1）触屏模块：拟选用型号为TJC3224K 系列的触摸屏，用于实现良好的人机交互界面。

（2）微处理器模块1：主要用于实现触摸屏的信号读取、显示以及蓝牙模块的数据交互等功能，综合考虑性能、成本、功耗等因素，选用嵌入式应用设计最常用的STM32 作为控制终端的核心处理器。

（3）蓝牙模块1：选用型号为HC 系列蓝牙模块，用于实现控制终端和执行终端的控制信号的交互。

（4）电源模块2：设计5V 的稳压电源，用于触屏模块、微处理器模块1 和蓝牙模块1 等模块的供电。

固定式的执行终端的组成如下：

（1）微处理器模块2：选用STM32，主要用于处理蓝牙模块2 接收到的信号，并发送给电磁阀控制模块等。

（2）蓝牙模块2：选用型号为HC 系列蓝牙模块，用于实现蓝牙模块1 之间的数据交互。

（3）电磁阀控制模块：设计四路电磁换向阀的驱动电路，用于实现电磁换向阀的控制。

（4）电磁换向阀：选用DHF08-220-DC12V 液压换向阀，用于实现液压油路的通断。此外，考虑到后期产品的进一步升级改造，预留四个接口，便于后期升级改造等。

（5）电源模块2：设计5V 和12V 的稳压电源，用于微处理器模块、蓝牙模块、电磁阀控制模块、电磁换向阀等模块的供电。

叉车属具多油路无线液压控制系统的工作流程可以概述为：控制终端放置在叉车的驾驶室用于控制信号的输入和显示等，主要包含触屏模块、微处理器模块、蓝牙模块以及电源模块等。执行终端放置在调距叉的油管上用于响应控制终端的控制信号并驱动电磁换向阀实现开关动作，主要包含微处理器模块、蓝牙模块、电磁阀控制模块、电磁换向阀和电源模块等；软件系统主要是实现整个系统硬件的有机协调，由主程序以及各功能模块子程序组成。整个系统的工作流程简介：通过控制终端的触屏模块输入控制信号，经过微处理器模块1 处理后，利用蓝牙模块2 将控制信号发送出去。蓝牙模块1 发出的控制信号被执行终端的蓝牙模块2 接收到以后，随后送入微处理器2 进行处理。然后，微处理器模块2发送信号给电磁控制模块，实现2 路电磁换向阀的驱动，最终实现油路的控制。

2 系统硬件设计

叉车属具多油路无线液压控制系统，其硬件部分的电路部分主要有STM32F103 主控模块、触摸屏、电源模块、蓝牙通讯模块、电磁阀驱动模块和电磁阀构成，STM32F 系列核心模块保证了能实时对采集、输入数据进行处理，准确进行油路切换，完成调距和侧移功能。

2.1 STM32F103模块

本设计的叉车属具多油路无线液压控制系统，采用STM32 系列主控模块作为系统的核心处理单元，实现油路切换，完成调距和侧移功能的自动控制。STM32F103[是由ST（意法半导体）开发的一种高性能微控制器。STM32F103 在智能仪表中的广泛应用主要是得益于Cortex-M3 内核和72 MHz 的CPU 频率。该产品系列具有16KB ～ 1MB Flash、多种控制外设、USB 全速接口和CAN，最高72MHz 工作频率，在存储器的0 等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ（DhrystONe2.1）。该芯片具有2.0V至3.6V 宽电压范围的供电，通常采用电压为3.3V 的直流电来进行主控芯片的供电，保障其安全可靠运行。同时，STM32F1 系列的微控制器可以自主设置为睡眠模型、停机模型以及待机模式，这样可以根据系统运行的需要，及时调整工作模式，这使得STM32F103 主控模块的功耗非常低。

2.2 触摸屏模块

触摸屏是一种感应式液晶显示设备，可以接收触点等输入信号，也被称之为触控面板。触摸屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可以根据预先编程的程序驱动各种连接设备，取代机械按钮面板，由液晶显示屏产生动态视听效果。触摸屏作为微机设备的最新输入设备，是目前最为主流的人机交互方式之一，其具有交互简洁、界面友好、用户体验自然等诸多优点。它给多媒体带来了新的面貌，是一款极具吸引力的新型多媒体交互设备，主要用于化工行业、煤炭行业、电气行业以及生物医疗行业等诸多行业提供良好的人机交互体验。

本设计使用的触摸屏采用的是淘晶驰公司生产的2.8 寸液晶触摸屏（其具体型号为TJC3224K028），该触摸屏的供电电压范围非常宽（4.65V 至6.5V），通过USART 通信接口可以很轻松的和主控制器实现交互，同时其配置的16M的Flash 和3584bytes 的RAM 完全能够胜任工业检测和控制领域的应用，其核心参数表1 所示。

表1：TJC3224K028 显示屏的核心参数

一般来说，LCD 上显示的图像可以看作一个矩形。液晶屏有一个显示指针，指向要显示的像素。显示指针的扫描方向由左向右和自上而下，图形按像素绘制。这些像素点的数据通过RGB 数据线传输到液晶屏。在同步时钟CLK 的驱动下，它们逐个传输到液晶屏，并交给显示器指针。当一行完成传输时，水平同步信号HSYNC 电平跳变一次，当一帧完成传输时，VSYNC 电平跳变一次。

2.3 蓝牙通讯模块

为了完成本系统的功能设计，完成叉车属具多油路液压功能的调距和侧移无线式一键切换，采用HC-08 蓝牙串口通信模块实现控制终端和执行终端的无线连接。HC-08 蓝牙串口通信模块是新一代的基于Bluetooth Specification V4.0 BLE 蓝牙协议的数传模块。该模块采用2.4GHz 的工作频率，使用GFSK 调制，在空旷区域其通信距离可以达到80 米，这完全能够满足叉车属具多油路无线式控制的需求。模块大小26.9mm×13mm×2.2mm，集成了邮票封装孔和排针焊接孔，既可以贴片封装，也又可以焊接排针，很方便嵌入应用系统之内。自带LED 状态指示灯，可直观判断蓝牙的连接状态。模块的核心器件采用的是TI 公司生产的CC2540F256 芯片，用户可以根据产品和设计的具体需要来灵活地设置模块的角色、通讯的波特率、通讯方式等。HC-08 模块接线示意图如图2 所示。

图2：HC-08 模块接线示意图

2.4 电磁换向阀及驱动模块

本系统采用DHF08-220-DC12V 液压换向阀，属于整个系统中执行器部分，实现对多油路执行功能的切换，完成叉车属具的调距和侧移功能。可根据输入控制电流线性调节输出压力值，较小流量为3 L·min-1，较大流量100 为L·min-1，较高使用压力为24.5MPa，压力调整范围为0.5～16MPa，额定电流为700mA。线圈电阻为10Ω，滞环小于2%，重复精度为1%，重量为5.6kg。由于叉车所用液压系统的最大压力输入为16MPa，所以无法产生大于16MPa 的压力。其结构原理图与实物图如图3 所示。

图3：DHF08-220-DC12V 液压换向阀

DHF08-220-DC12V 液压换向阀的驱动是通过Risym 公司的2 路继电器实现的，STM32 微控制器发送调距或者侧移功能命令给该驱动模块，随后驱动模块通过继电器切换电磁换向阀的工作状态，实现油路功能的无线切换。该继电器具有以下特点：

（1）具备交流250V/10A（或者直流30V/10A）的交直流带负载能力；

（2）采用贴片式光耦隔离，驱动能力强，性能稳定，触发电流为5mA；

（3）多工作电压可选，可以根据需要选择5V 和12V等常规电压等级；

（4）高/低电平触发方式设置简单、快速；

（5）指示突出便于观察（电源等采用绿色LED，状态灯采用红色LED）；

（6）接口设计人性化，接口均可通过接线端子直接连线引出，方便后续的线路连接。

3 软件设计

软件部分主要分为核心控制板和控制子板，其中核心控制板采用了STM32F103 为控制芯片，控制子板包括显示屏、触摸屏等。核心控制板上电之后，需要对系统进行初始化，根据任务需求开始油路功能的设置和切换，通过触摸屏选择需要执行的叉车属具动作功能（调距功能或者是侧移功能），手持端的STM32 微控制器读取触摸屏设定的功能并进行指令转换，随后通过HC-08 蓝牙通讯模块发送至执行终端，电磁换向阀驱动模块根据执行终端STM32 微控制器给定的控制命令完成对电磁换向阀的驱动控制，从而实现叉车属具多油路液压功能的蓝牙无线控制。本系统主程序流程图如图4 所示。

图4：主程序流程图

除了STM32 内部的软件系统设计之外，本系统所有操作均通过手持式多油路无线控制系统来实现油路功能的切换，完成一键切换侧移和调距功能，因此触摸屏上的软件操作系统也是至关重要的。下图5-7 为显示屏的操作兼显示界面。其中图5 为多油路无线控制系统的主界面，屏幕下方显示有安庆联动属具股份有限公司的字样；屏幕中间位置显示有多油路无线控制系统，可以通过触摸点击该按钮进入功能选择主菜单。图6 为油路控制中调距功能对应的控制界面，通过点击功能按钮实现调距功能和侧移功能的切换，通过调距按钮下方的ON 和OFF 切换实现调距大小的设定。图7为油路控制中侧移功能对应的控制界面，通过点击功能按钮实现侧移功能和调距功能的切换，通过调距按钮下方的ON和OFF 切换实现侧移方向的设定。通过图6 和图7 中的返回按钮，可以返回主界面，即返回图5 所示的操作界面。

图5：系统主界面

图6：调距功能控制

图7：侧移功能控制

4 结论

本设计的叉车属具多油路无线液压控制系统能够通过叉车控制室的手持式控制终端实现多油路液压的无线控制，并且为了人机交互的便利性，控制系统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。

本产品由硬件和软件开发组成，硬件系统主要由控制终端和执行终端组成，其中控制终端主要由STM32 微处理器模块、触屏模块、电源模块、蓝牙通信模块等子功能模块组成，执行终端主要由STM32 微处理器模块、电磁阀驱动模块、继电器模块、电源模块、蓝牙通信模块等子功能模块组成；软件系统主要由微处理器的系统及IO 端口初始化子程序、定时器初始化子程序、触摸屏初始化子程序、触摸屏人机交互子程序、电磁阀控制功能子程序等组成。相比较于传统使用叉车属具的侧移和调距控制方式，本产品主要实现了以下功能：

（1）通过触摸屏实现了叉车属具侧移和调距功能的智能化控制。

（2）通过蓝牙通讯模块实现了叉车属具油路的无线控制。