西安工业大学(本科)毕业论文-基于mc9s12xs128打桩机控制系统的硬件设计(编辑修改稿)

西安工业大学(本科)毕业论文-基于mc9s12xs128打桩机控制系统的硬件设计(编辑修改稿)内容摘要：

不同，可以控制不同重量大小的桩锤，MC9S12XS128系列冲孔桩机控制系统可以根据施工需要对桩锤的重量和冲孔的孔径大小进行配置，提高了MC9S12XS128系列冲孔桩机自动控制系统在各种环境下冲孔打桩施工的适应能力。 本研究系统的设计内容主要包括：a．本项目研究的是基于MC9S12XS128打桩机控制系统的设计，从机械改装和执行器设计以及硬件进行设计；b．设计系统的安全保护方面，主要电源设计、线路板的硬件保护等方面对冲孔桩机自动控制系统可能出现的故障进行保护。 c．设计中对系统的可靠性和抗干扰方面进行了设计，从电磁兼容的角度出发，针对系统应用的施工现场的各种干扰进行了设计。 2冲孔打桩机的施工原理与总体硬件设计42冲孔打桩机的施工原理与总体硬件设计经过对课题工程背景的研究，设计需要从控制对象的角度寻找设计的切入点，本章从冲孔桩机手动控制系统的打桩原理和施工过程进行分析，从而得出冲孔桩机自动控制系统的总体设计思想框架。 落锤打桩机系统主要由桩锤、桩架、卷扬机、操作台及一些附属设备等组成。 冲孔桩机的机械系统由桩锤、桩架、卷扬机、泥浆机及一些附属设备等组成。 桩锤由钢丝绳吊起，通过桩架前部的立柱顶部的定滑轮与桩架相连。 桩架为一钢结构塔架，在其后部设有卷扬机，作为吊起桩锤的动力源，桩架前面有两根导杆和一个定滑轮组成的导向架，用以控制打桩方向，使钢丝绳不致乱甩从而造成安全隐患，并使桩锤能够按照设计方位准确提升与下降。 桩架上设有人工操作台，西安工业大学毕业设计（论文）5人工操作台主要由施工人员完成打桩过程中通过对离合和刹车操作杆的操作，完成对电机的刹车、离合和开关控制。 冲孔桩机的电器系统主要是卷扬机，卷扬机是一种用来完成牵引工作的机械设备，通过人力或者机械动力对卷扬机的卷筒进行驱动，从而使得卷筒卷绕绳索完成垂直、水平或者倾斜拉动或拽引重物。 卷扬机根据驱动力的不同分为手动和电动两种，在冲孔桩机手动控制系统中，采用的是电动卷扬机，它由5个部分组成，即电动机、联轴节、制动器、齿轮箱和卷筒，卷扬机安装在桩架上，对于冲孔桩机的起升高度和工作频繁的施工特点，能够灵活快速的使桩锤上升与下降，调速性能好。 对于冲孔打桩机来说，卷扬机的电机是45KW的三相异步电动机，它是整个系统的动力来源，电机正常运转是整个系统安全运行的关键，因此在施工过程中对于电机的控制和保护是非常重要的。 当现场打桩工作的前期准备工作完成以后，施工人员准备进行手动打桩时，首先，现场持有桩机操作证的施工人员先将冲孔桩机的桩架搭建并放置在预定的打桩位置，再将桩锤和钢丝绳稳定的焊接在一起，机械安装检查无误后，打开三相异步电机电源，使电机能够正常运转，之后便由工作人员开始进行手动打桩。 手动打桩时，施工人员首先控制离合操作杆，使电机带动桩锤上升，上升到一定高度后，松开离合操作杆，使桩锤做自由落体运动，当下落至一定高度时，拉紧刹车操作杆，刹车操作的时间要控制好，快了容易打空锤，对钢丝绳寿命造成影响，慢了会使放绳过长，使得卷筒的钢丝绳偏离预定的缠绕位置，对整个机械和桩锤的垂直提升造成影响。 当出现故障时，必须拉紧刹车操作杆，关掉三相异步电机的电源后再检查故障。 手动打桩时，至少有两名施工人员在现场配合工作，手动打桩的高度和频率控制主要靠施工人员的工作和操作经验完成，劳动量比较大，需要时刻注意安全问题。 硬件是系统的框架，在对原有的冲孔打桩机手动控制系统进行执行器的改装之后，针对冲孔打桩机手动控制系统的经验控制参数，选择微控制器实现所设计系统的自动化控制，选择相应的传感器对高度及故障信号进行检测，根据工人自己的经验对打桩的高度控制，可以通过人机接口电路完成自动控制系统的参数设定，使自动控制系统进行自动打桩成孔，通过桩锤以及各种传感器传输回来的参西安工业大学毕业设计（论文）6数，微控制器可以根据得到的信息判断打桩机施工的工作状态，经过相应算法随时调整对刹车、离合和电机的控制，当通过故障检测模块检测到故障时，微控制器及时处理故障，使得各个功能模块合理配合完成打桩施工的稳定运行。 根据落锤打桩机自动控制系统的控制要求。 3冲孔桩机自动控制系统的硬件设计73冲孔桩机自动控制系统的硬件设计针对冲孔桩机自动控制系统的控制要求，前面对系统的机械进行了改装，接下来是对控制系统的硬件设计，根据对手动打桩机控制系统的分析，硬件系统设计的出发点在于对整个打桩机系统的各个参数采取相应的采集与处理。 对于冲孔桩机自动控制系统的硬件设计原理方法主要有：1）对电机信号的检测：采用电流互感器对电机的运行信号及起锤信号进行检测；2）对电机通断的控制：采用间接控制的方式实现对电机的控制，具体做法是直流继电器控制急停开关，急停开关控制三相异步电机的通断；3）对高度信号的检测：设计中在卷扬机的转轴上面等距离的放置一圈永磁铁，采用霍尔传感器检测磁信号的脉冲来计算高度和余绳长度；4）对刹车时间和离合时间的控制是通过控制电磁阀实现的。 5）对故障的处理，对于卡锤故障，设计中采用霍尔传感器检测桩架的位移来检测是否出现了卡锤故障；对于天锤故障，设计采取霍尔传感器检测磁信号的脉冲进行检测，当故障出现时，及时将信号送给微控制器进行处理。 硬件电路的设计直接影响到整个系统的设计，因此系统硬件设计至关重要。 硬件电路设计采用模块化的设计方法，冲孔桩机自动控制系统的硬件系统由微控制器模块、电源模块、电机控制模块、离合和刹车控制模块、高度和卡锤检测模块、人机交互模块等部分组成。 本章节主要介绍冲孔桩机硬件组成以及功能实现方法。 设计中采用Freescale公司生产的16位的处理器MC9S12XS128为核心控制芯片。 西安工业大学毕业设计（论文）8根据冲孔桩机自动控制系统的控制要求对各个单元模块进行设计如下。 微控制器的选择：系统采用飞思卡尔半导体公司的16位处理器MC9S12XS128为核心控制芯片。 MC9S12XS128微控制器是Freescale公司MC9XS12系列的16位单片机，112管脚LQFP封装。 因其容量大，处理速度快，I/O口也足够，耐温较51单片机要好很多，所以选此芯片。 西安工业大学毕业设计（论文）9123456789101112ABCD121110987654321DCBAC10104C11104C22104E1010UFE1110UFE1410uL6INDUCTORL7INDUCTORL8INDUCTOR5VVCC5VVCCIO5VVCCPWM31PWM22PWM13PWM04PK35PK26PK17PK08IOC0/PT09IOC1/PT110IOC2/PT211IOC3/PT312VDDF13VSS114PWM4/IOC4/PT415VREG_API/PWM5/IOC5/PT516PWM6/IOC6/PT617PWM7/IOC7/PT718PK519PK420KWJ1/PJ121KWJ0/PJ022MODC/BKGD23PB024PB125PB226PB327PB428PB529PB630PB731KWH7/PH732KWH6/PH633KWH5/PH534KWH4/PH435XCLKS/ECLKX2/PE736PE637PE538ECLK/PE439VSSX240VDDX241RESET42VDDR43VSS344VSSPLL45EXTAL46XTAL47VDDPLL48KWH3/PH349KWH2/PH250KWH1/PH151KWH0/PH052PE353PE254IRQ/PE155XIRQ/PE056VDD65VSS266PAD00/AN0067PAD08/AN0868PAD01/AN0169PAD09/AN0970PAD02/AN0271PAD10/AN1072PAD03/AN0373PAD11/AN1174PAD04/AN0475PAD12/AN1276PAD05/AN0577PAD13/AN1378PAD06/AN0679PAD14/AN1480PAD07/AN0781PAD15/AN1582VDDA83VRH84VRL85VSSA86PM787PM688PS0/RXD089PS1/TXD090PS2/RXD191PS3/TXD192PS4/MISO093PS5/MOSI094PS6/SCK095PS7/SS096TEST97PJ7/KWJ798PJ6/KWJ699PM5/SCK0100PM4/MOSI0101PM3/SS0102PM2/MISO0103PM1/TXCAN0/TXD1104PM0/RXCAN0/RXD1105VSSX1106VDDX1107PK7108PP7/KWP7/PWM7109PP6/KWP6/PWM6110PWM5111PWM4112PA057PA158PA259PA360PA461PA562PA663PA764MC9S12XS128U11MC9S12XS128C4115pfC4220pfY216MHzR5210MEXTALXTAL123456BDM15VVCCRESETBKGD5VGNDR26R235VGND5VGND5VGNDIO5VGND5VGND5VGND5VVCC1234COM1CON45VGND5VVCCTXD0RXD0PWM0PWM1PWM2PWM3PK0PK1PK2PK3PT0PT1PT2PT3PT4PT5PT6PT7PK4PK5PJ0PJ1BKGDPB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PH0PH1PH2PH3PH4PH5PH6PH7EXTALXTALPE4PE5PE6RESETPE0PE1PE2PE3PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PAD00PAD01PAD02PAD03PAD04PAD05PAD06PAD07PAD08PAD09PAD10PAD11PAD12PAD13PAD14PAD15PM6PM7RXD0TXD0PS2PS3PS4PS5SCLSDAPJ6PJ7PM0PM1PM2PM3PM4PM5PK7PWM4PWM5PWM6PWM7MC9S12XS128微控制器以高速的CPU12内核为核心，由标准片上外围设备组成，包括16位中央处理器、128KB的Flash存储器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口、一组8通道增强型定时器（ECT）、两组8通道10位模数转换器（A/D）、一组8通道脉宽调制模块（PWM）、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口、5个增强型CAN总线接口。 同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要，外部输入时钟经过内部锁相环后，频率可达96MHz。 端口A、B和K为通用I/O口；端口E整合了IRQ，XIRQ中断输入；端口T整合了1个定时模块；端口S整合了2个SCI模块和1个SPI模块；端口P整合了PWM模块，同时可用作外部中断源输入；端口H和J为通用I/O接口，同时可用作外部中断源输入。 电源能否提供稳定的电压是一个系统能否稳定运行的前提，没有一个稳定的西安工业大学毕业设计（论文）10硬件系统作为基础，打桩机的正常运行是不可能完成的。 为了能够获得稳定的电源输出，设计中的电源模块为各个功能模块提供合适的、稳定的工作电压。 在本设计系统中，有多种电压，分别为直流3V、+5V、24V和交流220V几种。 其中3V为纽扣电池，为保证时钟的正确在系统下电时为时钟芯片提供电压，；5V为微控制器等大部分集成芯片供电；+24V为外围接口电路，例如电机继电器、电磁阀、霍尔传感器等供电；交流220V为ACDC（220V转24V）供电。 电源电路主要经过稳压芯片稳压和电容滤波。 ，24V电路中主要是滤波，F2为保险，D2为防反二极管，CC4为CBB电容，E3为50V470uF的电解电容，与C3组成滤波电容，T2为共模扼流圈。 24V转5V是通过稳压芯片LM25765实现的，LM2576系列的稳压器是单片集成电路，能提供降压开关稳压器的各种功能，能驱动3A的负载，又优异的线性和负载调整能力。 图中R1为0欧电阻，起到隔离的作用。 同时，为了避免每一个模块电源之间的相互干扰，在每一路的电源进出口都加了滤波电容和差模电感，以此来消除高频干扰、共模干扰和差模干扰。 123456789101112ABCD121110987654321DCBAD2IN400724VVCC_IN24VGND_IN11223344T2E3470uF 50V24VVCC24VGNDVin1Ground3ON/OFF5FeedBack4Out。