基于STM32的蜗轮蜗杆减速机油轴温检测系统

周 懿,陈爱军

(中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

减速机是广泛应用于石油、化工、轻纺、皮革、新能源等诸多行业机械装置中的通用传动设备。蜗轮蜗杆减速机是一种动力传达机构,它利用齿轮的速度转换器,将电机的回转数减速到所要的回转数,并得到较大转矩的机构。蜗轮蜗杆减速机以其传动平稳、振动、冲击和噪声均小,减速比大、通用性广、能与各种机械设备配套使用的特点,在各式机械传动系统中受到广泛地青睐[1]。在减速机运行时,部件与部件之间的摩擦不可避免,摩擦不仅会磨损减速机元件,还会产生热量使减速机升温,严重时会影响减速机的正常运行。而润滑油作为一种常用于减小摩擦力的材料,能够尽可能延长机械零件的使用寿命。此外,润滑油还具有冷却、冲洗、保护、密封、防锈、卸荷、减震以及对添加剂起载体和起结构材料等作用。

当减速机的装配误差较大及蜗轮蜗杆出现较大磨损时,其传动效率会显著降低,同时传动轴轴温和润滑油油温会显著上升,严重时会影响减速机的使用寿命[2]。油温和轴温的高低就反映了减速机的运行状况。

我国电子工业起步较晚且基础薄弱,轴温探测系统普遍应用于铁路列车。主要有两种轴温油温探测系统,分别为利用红外线探测的非接触式探测系统以及直接接触式探测系统,在列车运行时对车轴进行实时监控,防止由于车轴温度过高引发事故[3]。而在大多数其他蜗轮蜗杆减速机应用场合,一般由人工进行检测,检测效率低,成本高。

为解决上述问题,本文设计了一种新型的蜗轮蜗杆减速机油轴温测量仪,根据检测位置的不同,安装不同类型的温度传感器以采集减速机的油温轴温,并可利用上位机通过以太网发送指令或传输数据。该系统能够对采集到的温度进行判断,实现超温报警、数据存储等功能,其检测效率高,能够满足实际使用需求。

1 总体方案设计

本系统设计了以STM32F407ZGT6为处理核心的测量电路,具体包括电源电路、数据采集电路以及信号处理电路和存储电路,主要能实现以下功能:1)能对蜗轮蜗杆减速机的轴温以及润滑油温进行检测;2)能够将采集到的温度信息显示在液晶显示屏上;3)检测温度超过设定阈值时能进行声光报警;4)具有数据保存以及以太网数据传输功能。系统的整体检测示意图如图1。图中,两个红外测温传感器分别安装在万向表座上,放置在减速机主动轴和从动轴端盖的一侧,并使红外测温传感器中心对准端盖中心。油温传感器安装在加工过的油塞上,无论减速机是否在工作状态都可直接测得润滑油的温度以及轴温。本系统具体的结构框图如图2。

注:1—万向表座;2—减速机腔体;3—出油口;4—系统机箱;5—航空接插头

图2 检测系统结构框图Figure 2 Block diagram of detection system

系统包含单片机最小系统、温度传感器、信号处理电路、液晶显示器、报警系统。检测原理如下:DS18B20与MLX90614分别用于测量油温和轴温,温度发生改变时传感器输出与之改变相对应的数字信号。DS18B20输出的数字信号可直接被单片机读取,而MLX90614的总线接口为标准IIC接口,需要编写相应的驱动程序才能读取,数据利用公式转换后可在LCD液晶屏上进行显示。系统可设置报警阈值,一旦所测温度超出阈值范围就会触发由蜂鸣器和LED构成的报警系统进行声光报警。另外检测到的温度信息可进行存储和上传,用于分析蜗轮蜗杆减速机的日常工作状态。

2 硬件电路设计

2.1 微处理器

系统采用的微处理器为ST公司生产的STM32F407ZGT6芯片,该芯片具有强大的运算功能。微处理器芯片与晶振、复位电路、JTAG程序下载接口以及电源构成单片机最小系统。

2.2 温度传感器

本系统使用到的温度传感器为DS18B20与MLX90614,分别用于测量油温和轴温。

DS18B20温度传感器的独特设计使其本身可通过数据线与微处理器直接连接从而获取工作所需要的能量,不需要外接电源[4]。与STM32单片机的接线图如图3。

图3 DS18B20与STM32接线图Figure 3 DS18B20 and STM32 wiring diagram

MLX90614温度传感器采用的是TO-39封装,具有4个引脚,引脚功能如表1。

表1 MLX90614引脚功能表

MLX90614温度传感器与单片机之间的通信通过IIC协议进行。MLX90614有两种输出方式,一种为PWM即脉冲宽度调制方式,另一种为SMBus方式[5]。SMBus是一种二线串行协议,对应引脚为SCL和SDA,SCL作为通信时钟信号,SDA为数字输入输出功能[6]。MLX90614具有两个红外传感器,能够同时测量环境温度Ta和被测目标温度To,分辨率皆为0.01 ℃。读取RAM中的数据之后,计算转换公式如下:

To=0.02Bo-273.15,

(1)

Ta=0.02Ba-273.15。

(2)

式(1)中,Bo为被测目标温度的数字量,0.02为数字分辨力,K;式(2)中,Ba为被测目标温度的数字量,0.02为数字分辨力,K。

MLX90614传感器与单片机的接线如图4。

图4 MLX90614与STM32接线图Figure 4 Wiring diagram of MLX90614 and STM32

2.3 声光报警模块

声光报警模块主要是由蜂鸣器若干LED灯组成,电路图如图5。

图5 声光报警电路Figure 5 Sound and light alarm circuit

图5(a)中,当采集到的温度数据高于设计的阈值时,BEEP引脚输出高电平,此时三极管导通,使蜂鸣器发出报警信号。

图5(b)中,D5为油温指示灯,D6、D7为轴温指示灯,温度异常时与之相连的I/O口输出方波信号使得LED闪烁报警。

2.4 显示模块

为节省能源,本系统采用的功耗较低的液晶显示屏LCD1602,该显示屏的每个点在收到单片机的输出指令之后就会一直保持色彩,恒定显示,不需要持续刷新亮点;数字化的接口使得其与单片机相连接时更加简单可靠,驱动代码更加简洁;LCD1602相较于其他显示器来说功能较为单一,但其重量更轻,耗电量更低。为进一步节能,显示模块设定了背光定时功能,当系统运行时,超过8 s未对其进行操作,液晶显示器的背景灯熄灭,按任意键背景灯恢复。显示模块电路图如图6。

图6 显示模块电路图Figure 6 Display module circuit diagram

2.5 以太网通信模块

与传统的串口通信模式相比,以太网通信组网快,通信速率高、同步性以及稳定性好。本系统采用了W5500以太网通信模块,该模块有集成硬件化TCP/IP协议;内部具有32 K字节存储器作为TX/RX缓存;支持10/100 M/s的网络传输速率;模块与单片机之间使用SPI总线进行通信[7]。W5500芯片与STM32单片机接线示意如图7。

图7 W5500芯片与STM32单片机接线示意图Figure 7 Wiring diagram of W5500 chip and STM32 microcontroller

2.6 电源电路

本系统由于未使用供电电压超过5 V的器件,故系统直接使用220 V交流电转5 V直流电电源转换器对系统进行供电。系统内部使用3.3 V电压,故使用LM1117将电压降至3.3 V,并在电源电路中添加可恢复保险丝和防反接二极管,保证电路的安全。添加电源指示灯,电源电路正常运行时指示灯亮。

3 软件设计

3.1 主程序

主程序的作用主要是协调各子程序之间的运行流程,主要包括系统初始化、温度信息采集、模拟IIC、超温报警、液晶显示、以太网通信等子程序。具体流程如图8。

图8 程序流程图Figure 8 Program flow chart

系统接通电源后,软件程序开始检查硬件并进行初始化,并开始通过传感器采集蜗轮蜗杆减速机的油温和轴温。DS18B20直接将采集到的数据输入单片机中,而MLX90614传感器需要单片机先将驱动代码通过模拟IIC的方式输入传感器中,根据代码中的指令,MLX90614传感器执行相应的数据传输。单片机接收到数字信号的数据后通过公式将数据转换成温度数据并发送到LCD1602进行显示,显示的数据将会自动进行存储。数据可通过以太网接口传输至上位机电脑中。在测温的过程中,油温或轴温超过了提前设定的阈值,报警系统将会启动,进行报警提醒。

3.2 温度采集程序

本系统中使用了两种温度传感器来分别采集蜗轮蜗杆减速机的油温和轴温。DS18B20内部的高低温报警触发器TH和TL以及配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成,通过对写入指令决定温度转换的精度位数,转换精度越高,所需要的转换时间越长[8]。MLX90614传感器与单片机的通信协议选用的是SMBus协议,写入时,单片机持续发送字节至传感器中并等待传感器应答,应答后将继续发送下一字节。接收数据时每接收一个字节向传感器发送一个应答信号然后继续发送下一字节[9]。流程图如图9。

图9 MLX90614芯片与STM32通信流程图Figure 9 MLX90614 chip and STM32 communication flow chart

4 机械安装

4.1 油温测量传感器安装

蜗轮蜗杆减速机油温的测量使用的DS18B20温度传感器,是能够直接接触被测物进行测量的。在蜗轮蜗杆减速机底端开有出油孔,而温度传感器安装在一个带有螺纹的油塞上,油塞刚好与减速机上的出油孔配合安装。当温度传感器安装上后,传感器的探头会与减速机的润滑油充分接触,同时油塞配合生料带能够起到密封的作用。

本系统的检测对象选用的是型号为NMRV90减速机,其出油口的油塞规格是m16×1.5,加工带螺纹的DS18B20传感器,使之螺纹尺寸符合m16×1.5,探头长3 mm,螺纹长8 mm,由于减速机出油口距离内部的距离是10 mm,需在DS18B20传感器的螺纹上套两个垫片,还可以防止减速机在工作过程中的漏油现象。油温测量传感器的安装如图10。

图10 油温测量安装图Figure 10 Oil temperature measurement installation diagram

4.2 轴温测量传感器安装

蜗轮蜗杆减速机内部有两根轴,分别为主动轴和从动轴。系统将MLX90614温度传感器安装在万向表座的顶部,可自由转动,传感器中心对准两轴的端盖中心,传感器与轴端盖之间的距离可调,实现无接触测温。轴温安装示意图如图11。

图11 轴温测量安装示意图Figure 11 Schematic diagram of shaft temperature measurement installation

5 实验与分析

为验证检测数据的准确度,对检测系统设计了如下校准实验。将检测系统中的两种温度传感系统利用FLUKE恒温油槽(硅油)进行校准。DS18B20传感器可直接与被测物体接触,可将其直接放入油中进行数据采集。而MLX90614红外温度传感器固定在油面上方且垂直正对油面,传感器探头与被测油面固定2 cm的距离。两种传感系统的油温测试结果如表2和表3。

表2 DS18B20油温校准数据表Table 2 DS18B20 oil temperature calibration data sheet℃

表3 MLX90614油温校准数据表Table 3 MLX90614 oil temperature calibration data sheet℃

分析以上数据得出,DS18B20温度测量系统与恒温油槽最大温差为0.25 ℃,而两个MLX90614红外温度测量系统最大温差分别为0.15 ℃和0.16 ℃。6 结 语随着工业的逐步发展,减速机的应用越来越广泛,由于减速机油温过高而引发的故障也越来越普遍。为了能够实时监测减速机的运行状况,避免高温带来的损失,本文设计的以STM32F407ZGT6为蜗轮蜗杆减速机油轴温检测系统,配合两类温度传感器以及其他硬件电路,能够采集工作状态还是非工作状态的蜗轮蜗杆减速机的油温和轴温,超过安全工作的油轴温度阈值即报警提示。实验表明,该系统的检测效果较好,操作简便,减少了人工检测的工作量,具有很好的社会效益。