路面冷再生机智能喷洒控制器及其控制方法

专利名称：路面冷再生机智能喷洒控制器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及筑路工程机械的控制系统，具体是一种路面冷再生机智能喷洒控制器及其控制方法。
背景技术：
路面冷再生机智能喷洒控制系统是冷再生机实现路面冷再生的关键，其性能的优劣直接影响到冷再生机的工作效率和质量。在路面冷再生施工过程中路面的铣拌料与粘接剂之间的混合需要喷洒大量的水，然而喷洒水的流量和车辆的行驶速度、道路的路面干湿度有直接的关系。所以设计出一个可以根据路面情况调整并实时随车辆行驶速度自动调节喷水量的智能喷洒控制系统，对提高施工质量和施工效率具有很重要的意义。路面冷再生技术是指充分利用旧路面材料，根据需要加入部分新骨料或细集料，然后喷洒适量的水、水泥浆、泡沫浙青或乳化浙青等，在自然环境温度下连续地完成材料的铣刨、破碎、添加、拌合、摊铺及压实成型，重新形成具有所需承载能力结构层的一种工艺方法。在对喷洒水流量的调节中，主要是调节安装在管路中电动阀的开口度，通过开口度的大小来控制喷洒的水量。电动阀开口度的改变是通过对电动阀上的直流伺服电机施加控制信号，通过电机轴的旋转经过减速器带动球阀阀芯旋转实现改变电动阀开口度的。电动阀的阀芯连接一个旋转电位计，阀芯的角度改变进而带动电位计的操作旋钮旋转来改变电位计输出的阻值，通过对电位计阻值的测量可以得出电动阀的开口度信息。一般测量电位计的阻值通常采用电阻串联分压法来实现。传统施工方法，成本高、生产效率低、再生质量差、环境污染多。

发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种路面冷再生机智能喷洒控制器及其控制方法，操作简单，智能化程度高，可靠性好，控制精度高的路面冷再生机智能喷洒控制系统。本发明是以如下技术方案实现的一种路面冷再生机智能喷洒控制器，包括壳体，安装在壳体上的控制面板、安装在壳体内部的集成电路板和安装在集成电路板上的数码显示器、指示灯及按键；集成电路板上设置有对电动阀阀芯旋转角度进行控制的控制电路；所述的控制电路包括单片机，与单片机连接的电动阀开闭驱动器、数码管显示驱动器和电源模块；单片机连接速度传感器，用于采集车速，单片机与电动阀的位置反馈端连接，用于采集电动阀开口度。—种路面冷再生机智能喷洒控制方法，采用一控制器，控制器分别与速度传感器、按键和电动阀的位置反馈端连接；将速度传感器采集的车辆速度信号和通过电动阀的位置反馈端采集电动阀的开口度信号送入控制器，同时扫面按键信号，控制器将信号分析处理后得出对电动阀开口度进行控制，控制电动阀中直流电机的正反转来实现阀的开闭控制，、从而达到闭环控制的目的。本发明的有益效果是本控制器可靠性高、智能化程度高、控制精度高、低功耗、综合性能高、使用方便快捷；控制系统采用了电子控制技术和闭环反馈控制方法，在很大程度上提高了控制系统的控制精度和稳定性。


下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。/
图I是本发明的测控电路原理示意 图2是控制器正面示意 图3是控制器背面示意图
图4是不同路况下设置的车速与开口度之间的函数关系示意 图5是总体程序流程 图6是自动运行模式下的程序流程 图7是定时中断0的程序流程图。图中1、壳体，2、控制面板，3、数码显示器，4、指示灯，5、按键，6、接线柱。
具体实施例方式如图I 3所示，路面冷再生机智能喷洒控制器由壳体I、控制面板2、数码显示器
3、指示灯4、按键5、接线柱6以及集成电路板组成。集成电路板上设置有用于对电动阀阀芯旋转角度进行控制的控制电路。控制电路包括单片机，与单片机连接的电动阀开闭驱动器、数码管显示驱动器和电源模块。集成电路板分为前、后两块电路板，数码显示器3、指示灯4和按键5均安装在前电路板上，前电路板固定在控制面板2后面的壳体内，控制面板2上设有对数码显示器3和指示灯4显示的透明显示窗；将后面的数码管和指示灯的显示信息通过显示窗显示出来。控制面板2上设有按键膜，通过按键膜将操作的形变传递到按键上；完成对按键的操作。控制面板上面印有文字符号来标注相应的显示元件或按键的作用。后电路板上焊接有单片机及单片机外围电路、电动阀开闭驱动电路、数码管显示驱动器、脉冲信号调理模块和电源模块；后电路板直接安装在控制器的壳体里，通过导线和前电路板上的电子元件相连接。前电路板通过四个螺栓和控制面板2固定在一起，数码显示器3由四个八段数码管组成，用于实时显示电动阀的开口度；用0.0-100.0来表示阀从完全关闭到完全打开的状态。指示灯4由三个LED灯组成，对应显示控制器的自动/手动模式和电动阀正在开启和正在关闭的状态。按键5有三个，分别用来控制控制器的自动/手动模式切换和手动控制模式下电动阀的启闭；数码管、LED灯和按键朝向控制面板侧，也就是将前电路板上面焊接的电子元器件固定在控制面板和前电路板之间，以实现通过控制面板上的透明显示窗显示信息和控制后面按键的功能，达到了即保护了人机交互的电子元器件又能够很好的实现人机信息交互传递的功能。在壳体I的背面设有多个接线柱6，接线柱的接线片从壳体的后端面伸进壳体内部，通过导线和安装在控制器壳体内的电路板相连，每个接线柱上面装有螺栓压线片，接线柱6通过导线对应连接车载24V直流电源、电动阀的正反转输入端、阀芯位置反馈元件输出端、速度传感器，还有一个作为扩展用接线端子。每一个接线柱又通过导线穿过控制器壳体后端面和后电路板上相对应的接口相连。每一个接线柱旁边都标有相应的接线指示符号，以方便操作人员在不了解其中的内部构造的情况下也能够正确的接线并使用。速度传感器采用霍尔速度传感器，脉冲信号调理模块采用光电耦合器电路；霍尔速度传感器输出的脉冲信号经过光电耦合器电路隔离后接入到单片机的IO 口。通过检测阀对电动阀芯旋转角度的反馈信号读出阀开口度并和速度传感器中得到的车辆速度信号以及按键信号在控制主机中进行分析判断，来控制电动阀中直流电机的正反转来实现阀的开闭，最后达到一个闭环反馈控制。壳体I内集成有+24V转+5V的电源模块，通过电源模块将24V直流电转换为控制器供电的标准+5V电源。壳体I的材料为工程塑料，形状为长方体，控制面板安装在控制器的正面外壳的开口上，作为一个控制器的端盖来使用。控制面板作为长方体的盒子的端盖固定在控制器壳体的开口处，形成一个密闭的控制器壳体。 单片机采用AVR的ATmegaS单片机，采用有源晶振作为时钟输入信号，数码管显示驱动器采用74HC164移位寄存器。考虑到工程机械的工作环境比较恶劣，受环境温度变化比较大，在这里选用受环境温度变化小精度比较高的有源晶振来作为单片机的时钟信号，有源晶振需接+5V电源和电源地，时钟输出端接在单片机的XTAL1(PB6)引脚。四位数码管的段选端接口 8位总线接在PB 口的除了 PB6上的其他7位端口上，剩下的一个接在PDl上，以保证能够留一个IO管脚接有源晶振。数码管的四个位选输入端接在移位寄存器74HC164的输出端上，移位寄存器的控制端CLK和D1/D2端则分别接在单片机的PD6和PD7上。三个LED指示灯的一端分别接在单片机的PB0、PB1、PB2端口上，另一端也分别接在移位寄存器输出端口的另外三个输出口上。通过单片机H)6 口向移位寄存器的脉冲信号输入端CLK输入时钟脉冲，就可以将PD7连接的D1/D2接口上的电平信号在8个输出端口上按位移动，通过操作PD6上面的时钟时序和PD7上面的电位信号，就可以实现对74HC164移位寄存器的8个输出口分时选通，再配合PB 口的位选功能就可以实现数码管和LED指示灯动态显示的功能。三个独立按键分别连接在单片机的PCO、PCI、PC2 口上，另一端共地连接。单片机IO 口 ro3、PD4 口通过电动阀控制驱动模块分别连接在电动阀的“开启”和“关闭”控制输入端，来控制电动阀的开启和关闭。由于电动阀的驱动需要24V电压并且需要的功率也比较大，所以使用了这个开关型驱动模块，当TO3 口输出高电平时，驱动模块的“开启”输出端输出24V直流信号，PD4 口输出低电平，驱动模块的“关闭”输出端相当于连接在电源地上，这样通过连接上电动阀后就构成了一个闭合的电源回路，从而驱动电动阀实现阀开启的动作。反之亦然，当H)4 口输出高电平，PD3 口输出低电平时，电动阀进行关闭的动作。电动阀上有一个连接在阀芯转动轴上的旋转电位计，通过阀芯的旋转带动电位计的旋钮旋转，从而改变了电位计上的电阻值。我们采用实时测量电动阀上的电位计的阻值的方法来实时检测电动阀的阀芯位置确定电动阀的开闭情况。通过对阀位置反馈的电位计施加5V直流电可以得到一个正比于电位计阻值的连续变化的模拟量电压信号，将该电压信号连接在单片机的模数转换接口上，通过编程就可以实现对阀位置信号的采集。控制程序是通过计算机编程软件编写并烧写在单片机中的。程序实现单片机控制器的车速采集、阀开口度信号采集、控制阀的开启与闭合以及数码管、指示灯的显示等功能。程序还完成对整套的控制器操作时序的控制，如上电启动后自动关闭电动阀、初次启动自动读取系统预存参数、手动切换到自动模式后自动将当前值存入控制芯片中以及按照一定的频率读取传感器传来的车速信号，并实时的显示在数码管显示器上等功能。控制器还通过利用系统预存的参考开口度和参考车速值来计算确定在当前车速下电动阀所应该达到的目标开口度，并自动的与现在的当前开口度做一个阈值比较，假如当前开口度不在所应该达到的开口度的阈值范围内时，控制器发出控制信号，控制电动阀朝着当前开口度与目标开口度之间的偏差减小的方向 运行，最终达到电动阀的开口度在目标开口度阈值范围内，实现闭环控制的功能。控制系统采用了比较先进的现代电子控制技术和闭环反馈控制方法，在很大程度上提高了控制系统的控制精度和稳定性。根据以上所述，控制器通过检测电动阀的位置反馈可以实现对电动阀开口度的闭环控制，提高了控制精度。控制器通过对车速的测量和根据参考开口度和参考车速所确定目标开口度一车速函数关系，可以实时确定不同车辆速度下所应该达到的目标开口度，实现了阀开口度的自适应控制。通过每次根据不同的施工环境手动微调控制参数并存入到系统中，可以实现系统适应不同施工环境的功能。在初次使用该控制器时，首先按要求连接好和电动阀、车速传感器的接线，并接通电源，开机调试，由于初次使用系统中并没有存储参考开口度和参开车速的参数值，所以直接在阀关闭的情况下调到手动运行模式，启动冷再生生机在施工中设置一个参考值后再调到自动模式。在以后的使用中只有路面环境变化比较大或是需要手动调整的时候才使用手动调节系统参数。这样使用大大减少了人员操作的难度，使用方便快捷、控制精度高、智能化程度高。该控制器已经在试验阶段，得到了用户很好的评价。一种路面冷再生机智能喷洒控制方法，采用一控制器，控制器分别与速度传感器、按键和电动阀的位置反馈端连接；将速度传感器采集的车辆速度信号和通过电动阀的位置反馈端采集电动阀的开口度信号送入控制器，同时扫面按键信号，控制器将信号分析处理后得出对电动阀开口度进行控制，控制电动阀中直流电机的正反转来实现阀的开闭控制，从而达到闭环控制。根据当前车速确定电动阀开口度作为在以该车速下的目标开口度对电动阀进行控制，控制器具有自动和手动两种工作模式，控制器每次开机后通过读取EEPROM信息判断系统上一次的复位原因，如果不是上电复位，则直接执行自动模式，否则自动将阀门关闭，操作人员就通过手动模式进行下一步操作，两种模式具体工作步骤如下
自动模式(1)将阀的上一次手动微调后存入系统的开口度和车速作为本次自动运行的参考开口度和参考车速并且记为参考I点，将系统原点记为参考2点,最终确定一条经过原点的一次函数；
将每次手动微调后存入系统的参考开口度和参考车速作为参考I点与参考2点确定一系列斜率不同都经过原点的阀开口度一车速函数；
(2)如果当前开口度超过设定的目标开口度，控制电动阀朝着使当前开口度与目标开口度之间的偏差值减小的方向控制，若当前开口度在目标开口度内，就不对电动阀进行控制。
手动模式电动阀的阀芯的启闭由相应的开启和关闭按键确定。其中，系统原点是车速为零时，开口度也为零。控制器实时采集电动阀的开口度信号并显示在数码管上，实时判断电动阀芯的运动状态并在LED灯上显示，一个LED灯指示当前控制器的运行模式，其余两个LED灯指示阀的运动状态，当电动阀处于正在开启状态则“增加”指示灯亮，当电动阀处于正在关闭的状态则“减少”指示灯亮，当电动阀处于静止状态则两个指示灯均不亮。控制器每次开机运行时，首先读取上一次的复位原因，若是看门狗复位，则直接读出控制器预存的上一次电动阀的参考开口度和参考车速作为本次控制器的参考值进入自动运行模式；若是上电复位，系统则直接进入初始化程序模式，检测阀是否完全关闭，若开启就自动将其关闭，阀完全关闭后即为等待状态，等待自动/手动按键的按下；当键被按下 后，即读取上一次预存的开口度和车速作为本次的参考开口度和参考车速，进入自动运行模式；在自动运行模式下，控制器实时的根据系统存入的参考开口度和参考车速以及实时的开口度和车速判断电动阀的控制方案，并对电动阀进行控制；
在自动运行模式下按下自动/手动键，即系统在当前状态下进入到手动运行模式时，按下“开启”和“关闭”键，电动阀的开口度也会相应的变化；再次按下自动/手动键，系统自动将当前手动运行模式下的开口度和车速存入控制器内存中，并以当前的开口度和车速作为系统的参考开口度和参考车速，将系统进入到自动运行模式；
控制器将每次手动微调后的开口度和车速信息存入单片机自带的EEPROM中。如图4所示，该控制器控制的目标开口度是一个正比于车辆行驶速度的一次线性函数关系，由于根据路面情况的不同，每次设置的参考开口度和参考车速也就不同，所以由参考开口度、参考车速和原点共同确定的车速一开口度曲线的斜率也就不同。如图4所示，对于每一次根据当前车速所确定的阀目标开口度的函数关系为
d
式中..Km表示根据当前车速计算出来的目标开口度(％);尤表示上次人为根据路面情况经过微调后存入到系统的参考开口度(％);匕表示存入到系统中的参考车速(m/min);匕表示为车辆的当前车速(m/min )。如图4可以看出当选用不同的参考开口度尤和参考车速匕就会得到不同的斜率，从而更好地适应不同路面环境下的施工。如图5和图6所示，从系统的总体程序流程图可以看出，当控制器电源接通后控制器就开始运行。首先对单片机的各个IO端口寄存器和全局变量等进行初始化(SOOl)，初始化后就直接进入控制器的开机初始化程序，首先判断上一次的复位情况(S002)，假如是看门狗复位的话说明上一次程序是在运行的情况下突然看门狗复位后中断的，车辆还正在行驶中，为了保证路面施工的质量，所以这次启动后就应该首先读取上次系统参数后就进入自动模式(S109)，保障施工的顺利进行。假如判断出上一次的复位情况是掉电复位，说明上一次的运行一般是在断电后停止作业的，现在控制器启动后车辆一般还停止在施工起点等待出发，开启自动灯的闪烁状态提醒工作人员系统还没有就绪(S103)。为了不要产生停车喷洒浪费水资源和影响起始点施工质量的现象，所以就要对当前阀的开口度进行一个判断(S104)，假如阀未完全关闭，就自动将其关闭并点亮“减少”指示灯(S105)，电动阀完全关闭后系统熄灭“减少”指示灯(S107)并等待操作人员按下“自动”模式键后(S108)，才开始工作。当操作人员按下“自动”模式键后系统就进入工作运行模式，首先先点亮“自动”模式指示灯，并读取系统EEPROM中上次存入的参考开口度和参考车速(S109)后开始进入自动运行模式(SI 10)。如图5所示，当进入自动运行模式时，首先判断自动模式下相邻两次循环之间的车速是否变化(S201)，假如没有发生变化证明系统不需要调整目标开口度，反之假如车速变化了，就需要根据当前车速重新计算车辆的目标开口度(S202)，实现自适应调节。随后计算出目标开口度的阈值(S203)确定一个控制上限值max和一个下限值min，以方便判断当前开口度是否达到控制所需要的精度。之后就开始对当前开口度进行判断，确定是否已经达到了控制的精度，判断当前开口度是否大于max(S204)，假如大于最大值的话就点亮“减少”指示灯，同时控制阀芯反转(S205)，将开口度减少；反之，当小于最大值的开口度是就不进行操作改为进行下一步的判断。判断当前开口度是否小于min (S206)，假如当前开口度小于最小值min的话，“增加”指示灯亮，同时控制阀芯正转(S208)，将开口度增加；反之则说明阀芯控制的开口度已经达到了控制所需要的精度，这时停止阀芯的动作，同时熄灭“减少”和“增加”指示灯(S207)。之后再判断是否有按下“自动”模式按键(S111)，假如按下的 话就说明当前操作是退出自动运行模式，否则的话就返回自动运行模式的开头，再一次循环执行自动运行模式。假如在步骤(Slll)中检测出“自动”键被按下，则系统关闭“自动”指示灯(S112)，进入手动运行模式。在手动运行模式中(S113)主要是循环不断检测三个按键的状态，当检测到“开启”键被按下时，则阀芯正转“增加”指示灯亮，当检测到“关闭”键被按下时，则阀芯发转“减少”指示灯亮，当检测到“开启”和“关闭”键均没有按下时，则熄灭“增加”、“减少”指示灯，并停止阀芯转动。之后还要检测“自动”键是否被按下(S114)，假如被按下时就退出当前手动运行模式，并点亮“自动”灯，将当前的车速和开口度作为参考开口度和参考车速存入到系统的EEPROM中(S115)，并返回到自动运行模式下；假如没有被按下则继续手动模式的下一个循环。通过程序最终达到系统能够通过“自动”键在自动运行模式下和手动运行模式下来回的切换，在手动模式下阀芯的开口度就不会随着车速的改变而改变，可以通过按键调节阀的开口度，并且每当从手动模式到自动模式的切换时，都自动的把调整好的开口度和车速存入到EEPROM中作为下次自动模式下的参考开口度和参考车速。如图7所示，控制器对阀开口度的采集，数码管和LED灯的显示控制均通过定时计数器0来实现，定时中断的定时时间是IOms左右执行一次。当定时时间到时，执行中断处理程序。首先执行ADC子程序读取阀的开口度(S301)，之后再执行显示程序，将阀的开口度显示在数码管显示器上并将点亮相应的指示灯(S302)。之后判断系统的灯闪烁控制位是否有效，也就是判断需不需要控制“自动”灯的闪烁(S303)。假如没有闪烁指令则完成本次中断程序并中断返回；假如需要“自动”灯的闪烁，并且已经达到要闪烁的间隔时间时，则将当前“自动”灯的状态取反(S304)，并中断返回。通过每一次执行该中断，并在达到“自动”灯取反的时间间隔后对指示灯的状态进行取反，来实现指示灯的闪烁功能。
权利要求
1.一种路面冷再生机智能喷洒控制器，其特征在于包括壳体(1)，安装在壳体(I)上的控制面板(2)、安装在壳体(I)内部的集成电路板和安装在集成电路板上的数码显示器(3 )、指示灯(4 )及按键(5 );集成电路板上设置有对电动阀阀芯旋转角度进行控制的控制电路；所述的控制电路包括单片机，与单片机连接的电动阀开闭驱动器、数码管显示驱动器和电源模块；单片机连接速度传感器，用于采集车速，单片机与电动阀的位置反馈端连接，用于采集电动阀开口度。
2.根据权利要求I所述的路面冷再生机智能喷洒控制器，其特征在于所述的集成电路板分为前、后两块电路板，数码显示器(3)、指示灯(4)和按键(5)均安装在前电路板上，前电路板固定在控制面板(2)后面的壳体内，控制面板(2)上设有对数码显示器(3)显示的透明显示窗；控制面板(2)上设有按键膜，通过按键膜将操作的形变传递到按键上；后电路板上焊接有单片机及单片机外围电路、电动阀开闭驱动电路、数码管显示驱动器、脉冲信号调理模块和电源模块；后电路板直接安装在控制器的壳体里，通过导线和前电路板上的电子元件相连接。
3.根据权利要求I或2所述的路面冷再生机智能喷洒控制器，其特征在于数码显示器(3)由四个八段数码管组成，用于实时显示电动阀的开口度；指示灯(4)由三个LED灯组成，对应显示控制器的自动/手动模式和电动阀的开启、关闭状态；按键(5)有三个，分别用来控制控制器的自动/手动模式切换和手动控制模式下电动阀的启闭；数码管、LED灯和按键朝向控制面板侧。
4.根据权利要求I或2所述的路面冷再生机智能喷洒控制器，其特征在于在壳体(I)的背面设有多个接线柱(6)，接线柱的接线片从壳体的后端面伸进壳体内部，通过导线和安装在控制器壳体内的电路板相连，每个接线柱上面装有螺栓压线片，接线柱(6)通过导线对应连接车载24V直流电源、电动阀的正反转输入端、阀芯位置反馈元件输出端、速度传感器，还有一个作为扩展用接线端子。
5.一种路面冷再生机智能喷洒控制方法，其特征在于采用一控制器，控制器分别与速度传感器、按键和电动阀的位置反馈端连接；将速度传感器采集的车辆速度信号和通过电动阀的位置反馈端采集电动阀的开口度信号送入控制器，同时扫面按键信号，控制器将信号分析处理后得出对电动阀开口度进行控制，控制电动阀中直流电机的正反转来实现阀的开闭控制，从而达到闭环控制。
6.根据权利要求5中所述的路面冷再生机智能喷洒控制方法，其特征在于根据当前车速确定电动阀开口度作为在以该车速下的目标开口度对电动阀进行控制，控制器具有自动和手动两种工作模式，控制器每次开机后通过读取EEPROM信息判断系统上一次的复位原因，如果不是上电复位，则直接执行自动模式，否则自动将阀门关闭，操作人员就通过手动模式进行下一步操作，两种模式具体工作步骤如下 自动模式(I)将阀的上一次手动微调后存入系统的开口度和车速作为本次自动运行的参考开口度和参考车速并且记为参考I点，将系统原点记为参考2点,最终确定一条经过原点的一次函数； 将每次手动微调后存入系统的参考开口度和参考车速作为参考I点与参考2点确定一系列斜率不同都经过原点的阀开口度一车速函数； (2)如果当前开口度超过设定的目标开口度，控制电动阀朝着使当前开口度与目标开口度之间的偏差值减小的方向控制，若当前开口度在目标开口度内，就不对电动阀进行控制； 手动模式电动阀的阀芯的启闭由相应的开启和关闭按键确定。
7.根据权利要求6中所述的路面冷再生机智能喷洒控制方法，其特征在于所述的系统原点是车速为零时，开口度也为零。
全文摘要
本发明公开了一种路面冷再生机智能喷洒控制器及其控制方法，涉及筑路工程机械的控制系统。该控制器由壳体、控制面板、集成电路板、数码显示器、指示灯、按键和接线柱连接构成。控制器中的嵌入式程序主要实现通过速度传感器实时采集车辆速度信号和通过电动阀的位置反馈端采集电动阀的开口度信号，并扫描按键，将信号分析处理后对电动阀开口度进行控制。优点是本控制器可靠性高、智能化程度高、控制精度高、低功耗、综合性能高、使用方便快捷。
文档编号G05B19/042GK102654756SQ20121015580
公开日2012年9月5日 申请日期2012年5月20日 优先权日2012年5月20日
发明者孙文忠, 杨成, 杨海, 王禹桥, 麻栩松 申请人:中国矿业大学, 徐州锐马重工机械有限公司