基于STC 单片机的矿用卡车润滑定时器的研制

侯方磊

（国家能源集团神华准格尔能源集团设备维修中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

现代大型露天煤矿多采用电铲-自卸卡车的主采工艺，电动轮卡车是露天煤矿开采的主力运输设备，承载着运输岩石、土方、煤炭的重要任务。220 t以上级别的自卸卡车驱动系统以电传动为主，日本小松公司生产的830E-AC、930E-AC 矿用卡车以变频调速平滑可靠、设计成熟、运行稳定[1]、故障率低等优点，在大型露天矿运输设备中独占鳌头。

目前，国家能源集团准能集团公司下属黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿共有830E 卡车10台、930E 卡车44 台。830E、930E 矿用卡车采用集中润滑方式为各关节处、轴承、销子、运动副进行润滑，即润滑脂通过黄油储存罐、林肯泵、黄油管、注油器输送到各润滑点，注油和间歇时间由定时器准确、定量、高效的进行控制[2]。

1 矿用卡车润滑系统林肯泵定时器

润滑系统控制着整车的销类、轴类的润滑，润滑系统的作用是大大减少轴承销子的机械磨损、延长使用寿命，合理可靠的润滑系统能保证设备正常运转，润滑过量、润滑不足同样都是对设备有害无益的，所以润滑系统的作用十分关键[3]。

1）林肯泵及定时器作用。林肯泵也叫黄油泵，是常工作设备，只要设备运行，林肯泵就在工作，林肯泵和定时器是矿用卡车润滑系统的主要工作设备。润滑系统的核心是林肯泵定时器，控制着林肯泵的供电间隔时间，是润滑系统的关键部分，若定时器故障，则会出现黄油泵不打油、常打油、打油时间间隔错误等故障，对润滑部位的润滑不及时，很容易造成销类、孔类的无润滑磨损，继而影响销子、轴类的寿命，更换时增加生产成本、影响设备出动率。

2）林肯泵定时器成本分析。830E、930E 林肯泵定时器为通用件，配件号PC2667，单价9 820 元，随着运行年限的加长，林肯泵定时器的损坏频率越来越大，每年消耗数量20～30 个[4]。如果将林肯泵定时器的电路板实现国产化自主研发，每块电路板自主生产的费用约为600 元，生产成本降低到不及原来的1/10，每用1 块自主研发电路板节约9 000 多元，每年节约配件成本20 余万元。

3）林肯泵定时器工作逻辑。经过对原电路板的模拟试验分析得出林肯泵定时器的控制关系是：定时器根据前后压力传感器的压力值，来控制继电器的开关，继而控制黄油泵间断打油，达到控制整车润滑系统的目的。后桥的压力开关设定值为2 000 psi（1 psi=6.895 kPa），当压力大于2 000 psi 时，压力开关闭合，给定时器1 个低电位信号，控制器根据信号切断黄油泵打油；当林肯泵上的压力值大于2 500时，黄油泵前压力过高，此时也是切断黄油泵打油；黄油泵本身的打油间歇时间可调：1～30 min，打油时间固定为120 s。

2 定时器研发方案

1）整体规划。根据定时器的功能作用、工作环境，确定各部份的具体实现技术以及研发过程中要用到的材料工具。

2）硬件研发设计。在充分考虑现场要求、产品成本和后续设计要求的基础上，合理选择芯片和电子器件，并完成原理图设计和PCB 版图的绘制。

3）软件程序研发。采用C 语言底层硬件驱动程序的编写，要求符合原系统所实现的逻辑功能，确保电路板可以稳定工作。

4）模拟调试。硬件软件设计完成后进行离线的模拟、调试，即看逻辑关系是否符合系统要求、硬件运行是否稳定。

5）上机运行。调试结束后的定时器进行上机观察运行，安排检修人员定期对润滑系统进行点检、对系统进行检查，若无误后说明研发成功。

3 定时器硬件

自主研发的硬件电路部分主要包括电源部分、单片机、压力传感器、时间调节旋钮、报警灯、继电器、通讯接口等，林肯泵定时器硬件原理图如图1。

图1 林肯泵定时器硬件原理图

在充分考虑成本、散热、稳定性等因素后，电路板选择外委制作PCB 电路板，主要是因为PCB 电路板小型化、运行稳定、抗干扰强等优点。PCB 电路板设计时还需要合理选择元器件的型号、封装形式、布局布线等以达到最优结果。

3.1 单片机部分

此设计电路中单片机是核心部分，通过单片机采集压力开关信号，时间调节旋钮或上位机设定的时间信息，对继电器K1进行控制，从而实现林肯泵的间断打油。通过通讯接口使用485 通讯协议可以向上位机报送每次打油时间和单片机状态，当压力不足时报警灯亮起，继电器K2动作继而控制故障接口模块通知设备操作者。

电路采用的是STC89C51 单片机，这是一款国产单片机，由宏晶科技生产的高速/低功耗/抗干扰的新一代51 单片机，在AT89C51 的基础上加入了AD 数模转换，集成程度更高，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12 倍。芯片内集成了通用8 位中央处理器和ISPFlash 存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC 端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。

3.2 电源部分

电源采用7805 三端稳压集成电路，分别是输入端、输出端、接地端。7805 采用TO-220 封装，从外表来看，7805 外观像普通三极管[5]。

78/79 系列的三端稳压IC 内部有过流、过热及调整管保护电路，其所需的外围元件极少，使用低价、稳定、方便。集成稳压IC 型号中的78 或79 后面的数字代表稳压电路的输出电压，7805 表示输出电压为+5 V，7909 为-9 V，三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。

3.3 输入部分

定时器电路板的输入部分有3 个，分别为时间调节旋钮、打油手动开关、压力开关，全部为数字量。

开关的压力数字量输入采用光电耦合器对开关量的状态进行转换，主要作用是光电隔离；反映到单片机的具体I/O 口为：P1.6/P2.2-压力开关、P1.5-手动打油开关、P1.7/P2.0/2.1-时间调节旋钮[6]。逻辑控制关系图如图2。

图2 逻辑控制关系图

光电耦合器主要起到隔离的作用，亦称光电隔离器，简称光耦。光电耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。光耦合器一般由3 部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

3.4 输出部分

定时器电路板的输出部分有3 个，分别为报警灯、输出继电器K1和K2，反映到单片机的具体I/O口为P1.1-输出继电器K1、P1.2-输出继电器K2。

继电器K1控制黄油泵的电磁阀通断，继电器K2控制着故障模块（故障时向上位机发出信号），报警灯共有3 个，黄色-打油指示、绿色-电源指示、红色-故障指示，分别接到单片机的P1.4、P1.3、P1.2，用于黄油泵的状态指示。

4 定量器软件

软件设计主要分为2 个步骤：①根据试验平台模拟现场作业，试验得出逻辑关系[7]；②根据逻辑关系进行C 语言编程，得出逻辑控制关系是关键的一步，因为要求自主研发后的电路板实现与原电路板功能一致。

根据试验平台得出林肯泵润滑系统的逻辑控制关系。首先系统上电，当系统上电时绿色电源指示灯亮起，开始连续打油X 分钟同时黄色打油指示灯亮起，打油继电器K1吸合，在打油X 分钟内如果压力大于等于2 000 psi，黄色打油指示灯熄灭，打油继电器K1松开，红色报警指示灯熄灭，报警继电器K2松开，停Y 分钟，在停的时间内若手动打油键被按下黄色打油指示灯亮起，打油继电器K1吸合。在打油X 分钟内如果压力始终小于2 000 psi，则黄色打油指示灯一直保持亮起状态，打油继电器K1一直保持闭合状态，X 时间到，黄色打油指示灯熄灭，打油继电器K1松开，红色报警指示灯亮起，报警继电器K2吸合，停Y 分钟，在停的时间内若手动打油键被按下黄色打油指示灯亮起，打油继电器K1吸合。打油间隔Y 时间到，重复上述过程[8]。根据逻辑关系图进行C 语言的程序编辑，然后烧入STC 单片机中，进行试验和运行。

5 结语

随着设备的逐渐老化，830E、930E 卡车林肯泵定时器损坏率逐年上升，生产成本继而逐年增加。林肯泵定时器的自主研发和生产有效解决了这一问题。经过试运行，功能正常、运行可靠，已经能成熟替代PC2667 型定时器，有效降低设备维护成本。此项创新获得准能集团第五届职工优秀经济技术创新成果一等奖，并获得国家专利。