1、 1 西安工业大学北方信息工程学院 本科毕业设计（论文） 题目： CK 系列冲孔桩机自动控制系统的软 件设计 系 别 电 子 信 息 专 业 通 信 工 程 班 级 7 姓 名 学 号 指导教师 2012年 06 月 1 毕业设计（论文）任务书 院 （系） 电子信息系 专业 通信工程 班级 080307 姓名 学号 08030716 1.毕业设计（论文）题目： CK 系列冲孔桩机自动控制系统的软件设计 2.题目背景和意义： 由于当今各种打桩机的气动控制系统及电气控制系统方面已经比较成熟，国内外各种桩机的发展主要体现在控制系统方面，微电子技术的飞速发展，为改进各种打桩机的性能、提高稳定性、加工效
2、率方面提供了可能。从我国打桩机行业来看，国内机型虽种类齐全，但 技术含量相对较低，缺乏高技术含量的机型。而目前的国内外各种打桩机的控制向着高速化、智能化、自动化发展，如果将自动控制技术应用于冲孔打桩机，使其实现冲孔打桩的全自动化或半自动化，将操作人员从繁琐重复的体力劳动中解放出来，无疑会使冲孔打桩机焕发出新的生机。当前市场中有上万台甚至数十万台冲孔机在各种施工现场作业，造成大量人力、物力资源的浪费，使工程效益明显降低。在现有的冲孔打桩机的基础上对其进行自动化改造，使其具备自动冲孔打桩的能力，可以大大提高工程进度，并可节约大量能源，降低工程造价，创造良好的经济效益。 3.设计 (论文 )的主要内
3、容（理工科含技术指标）： 要求：完成 CK 系列冲孔桩机自动控制系统的软件设计内容：利用 C 语言编程，熟悉XS128 单片机的编译环境，编写刹车、离合、放绳、键盘与显示等子程序，设计 CK 系列冲孔桩机自动控制系统的软件流程图。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 基本要求： 查阅国内外相关文献，了解系统的工作原理； 进行系统方案设计、硬件设计； 进行 软件程序的设计； 进行系统调试，验证系统的功能； 完成毕业设计论文及答辩。 进度安排： 第 1-3周：查找借阅相关书籍资料 ,确定系统的总体方案，完成开题报告； 第 4-10 周：对课题进行深度研究； 第 11-12周：进
4、行软件流程图设计； 第 13-15周：进行软件设计、系统调试，验证系统功能； 第 16-17周：完成毕业论文 ,准备答辩 自 2012 年 月 日起至 月 日止 ；设计地点西安工业大学。 5.毕业设计（论文）的工作量要求 1 实验（时数） *或实习（天数）： 不少于 200 学时 图纸（幅面和张数） *： 2张 其他要求： 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系（教研室）主任审批： 年 月 日 1 CK 系列冲孔桩机自动控制系统的软件设计 摘 要 CK 系列冲孔桩机自动控制系统的研究涉及到了自动控制、人工智能、信息融合、传感器及计算机科学等夺门学科的内容，关于该课题的研究是当前
5、很活跃的研究领域之一。 本设计以飞思卡尔半导体公司生产的 MC9S12XS128 单片机作为核心，首先进行系统各部分的初始化，然后进行参数配置包括：键盘 、 液晶显示 、 I2C 等几个模块。完成后打桩机开始运行，电机驱动控制刹车 、 离合的松和紧，来达到控制桩锤的升 、 降，如此反复来实现桩机的打桩功能。 主要完成功能有：桩锤高度自检、刹车和离合控制系统、电机控制系统的设计、键盘与显示电路等。 本设计各个 模块的软件编程主要采用 C 语言编写程序， 充分利用外中断来调试程序， 实现打桩机的自动控制功能。 关键词： 自动控制 ;参数配置 ;高度自检 1 CK Series Blunt Bore
6、 Stake the Machine Automatically Control System of the Software Design Abstract CK series blunt bore stake machine auto control system of the research involved an automatic control and artificial intelligence, information fusion, spread the contents of feeling Duo door academicses, such as machine a
7、nd calculator science.etc., the research concerning the topic is one of the on the go research realms at present. This design with fly to think the Carl semi-conductor company produces of the MC9 S12 XS128 list slice machine is a core, carry on each part of system first of the beginning start to tur
8、n, then carry on a parameter allocation to include:The keyboard, LCD shows, I2C etc. is a few mold pieces.Drive a pile a machine beginning to circulate after completing, the electrical engineering drives controls to put on brakes and leave to match of loose and tight, attain a rise, declining of con
9、trol stake hammer, thus again and again come to carry out a piling function of machine.The main completion function has:Stake hammer height from check, brake with leave to match the design of controling the system, electrical engineering control system, keyboard and show electric circuit.etc. This s
10、oftware that designs each mold piece weaves a distance to mainly adopt C language to write procedure and well make use of break off to adjust to try procedure, the realization drives a pile machine of automatic control function. KeyWords: Automatic Control ;The Parameter Installs ;Height From Check
11、1 目 录 1 绪论 . 9 1.1课题名称及背景 . 9 1.2研究意义 . 9 1.3国内外相关研究情况 . 10 1.4论文的主要任务及内容 . 10 2 CK 系列冲孔桩机系统结构分析 . 13 2.1系统硬件简介 . 13 2.1.1设计方案的研究 . 13 2.1.2 机械改装设计 . 14 2.2硬件结构框图的分析 . 15 2.3软件设计方法 . 16 3 PID 控制 . 17 3.1数字 PID 控制原理 . 17 3.1.1 PID 控制的原理及特点 . 18 3.1.2 PID 控制器的参数整定 . 18 3.2 数字 PID 控制算法 . 19 3.2.1位置式 PI
12、D 控制算法 . 19 3.2.2增量式 PID 控制算法 . 20 3.3 数字 PID 控制算法的改进 . 21 3.3.1 遇限削弱积分算法 . 22 3.3.2 积分分离 PID 控制算法 . 22 3.3.3 微分先行 PID 算法 . 23 3.3.4 带死区的 PID 调节器 . 24 4 系统软件设计与实现 . 25 4.1 CodeWarrior 集成开发环境 . 25 4.1.1 CodeWarrior 软件的基本特性 . 25 4.1.2 CodeWarrior 软件的主要功能 . 26 4.2系统的软件设计总体介绍 . 26 4.3系统初始 化模块 . 28 4.3.1
13、 系统时钟初始化 . 29 4.3.2 PWM 初始化 . 31 4.3.3 I/O 初始化 . 32 1 4.3.4 ECT 模块初始化 . 33 4.4 人机交互模块 . 33 4.4.1键盘设计 . 33 4.4.2 液晶显示模块 . 35 4.4.3存储电路设计 . 37 4.5打桩机运行程序 . 39 4.6电机控制 . 42 4.6.1电机控制原理 . 42 4.6.2芯片功能 . 43 4.6.3 PID 控制算法 . 44 4.7故障分析 . 44 5 系统调试 . 45 6 论文工作总结 . 46 致 谢 . 48 参考文献 . 49 毕业设计（论文）知识产权声明 . 50
14、毕业设计（论文）独创性声明 . 51 附录 1 程序 . 52 1 1 绪论 1 1 绪论 1.1课题名称及背景 近年来，随着我国国民经济的逐步增强，国内各大城市的高层建筑、立交桥、海港码头、铁路公路桥梁等 基础 设施项目极具猛增，建筑业迅速发展，大口径基础桩工程得到广泛应用。工业与民用建筑大量采用桩基础，打桩施工越来越普遍，桩机的发展越来越快，广泛应用于城市建筑的各种桩基工程、深基坑支护工程以及防洪工程中的防渗坝工程等各类工程中。由于现代化的高层建筑、大型桥 梁和港口码头等结构复杂，负荷十分巨大，对基础的承载能力和防止沉陷方面的要求较高。根据建设本门的资料，对高层建筑基础的处理，通常是采用箱
15、式、地下连续墙、桩等形式作为基础。 因此，各个工程对打桩机的需求也越来越大。 冲孔打桩机进行成孔作业所利用的是冲击式冲孔打桩的方法。它利用动力装置将具有一定重量的冲击重锤提升至一定高度，然后使重锤自由下落，利用冲击动力对冲孔底部进行周期性的冲击破碎，以形成具有一定直径和深度的桩孔。冲孔打桩机因其施工工艺简单、适应性强、对地层无特殊要求，日前在桩基础工程施工中发挥着重要的作用。目 前在桩基工程中应用的冲孔打桩机多是乎动机械式操纵，设备操作人员在工作过程中需要频繁对离合器、抱闸等控制部件进行操纵，劳动强度很大。通过在工程中的实际调查，在使用冲孔打桩机进行成孔作业时，每间隔两个小时就需要更换一名操作
16、人员，以缓解其劳动压力。同时，由于操纵台所处的位置距孔口较远，使得操作人员不便于观察孔口作业情况。 1.2研究意义 在城市现代化建设过程中，由于高层建筑物的发展，桩基成为了一种常用的基础形式。其中预制桩因为质量易于保证，承载性能稳定，承载力强，施工效率高等特点，得到了极为广泛的应用。桩基根据打 入地下的方式不同其可分为锤击桩和静压桩。静压桩在压入过程中基本无振动、无噪音，对周围环境不造成明显影响，但相对锤击桩而言施工费用较高，因此锤击桩的使用不可避免。 本研究系统中， CK 系列冲孔桩机自动控制系统能够根据施工需要对各个系列桩孔大小进行选择，利用微控制器代替人的操作，利用气动执行元件代替人力劳
17、动实现打桩机的自动打桩控制，这种控制方式有着人为控制无法比拟的优势和应用价值。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 (论文 ) 1 a.提高工作效率。它能把放绳长度调到最短而不逮锥，而且每次放锥均是如此，仅此一项，就可提高效率 20%（同样的提升高度，人工操作是 每分钟 8次，而自动操作是 10次）再加上它永远不休息，实际上提高效率在 30%以上。 b.减少事故的发生。当出现吸锥（夹锥）、离合刹车突然不灵、停电时等故障时，它能处理紧急情况，避免事故的发生，减少不必要的损失。 c.节约了生产成本。打桩施工是一个长期的工程，如果通过人为来控制，施工方需要长期支付工人工资以及各种人为消耗，对于自动
18、打桩机控制系统来说，只需要一次性资金投入，长远来看，在提高工作效率和减少安全生产事故的同时，节约了生产成本。 d.保证了施工质量。在冲孔打桩工作过程中，单纯依靠人的操作经验来控制施工的 质量显然无法满足当今社会对建筑工程质量越来越高的要求，而冲孔桩机自动控制系统的控制由各种程序和算法完成，控制精确、稳定，保证了建筑施工的质量。 1.3国内外相关研究情况 由于当今各种打桩机的气动控制系统及电气控制系统方面已经比较成熟，国内外各种桩机的发展主要体现在控制系统方面，微电子技术的飞速发展，为改进各种打桩机的性能、提高稳定性、加工效率方面提供了可能。从我国打桩机行业来看，国内机型虽种类齐全，但技术含量相
19、对较低，缺乏高技术含量的机型。而目前的国内外各种打桩机的控制向着高速化、智能化、自动化发展，如果将 自动控制技术应用于冲孔打桩机，使其实现冲孔打桩的全自动化或半自动化，将操作人员从繁琐重复的体力劳动中解放出来，无疑会使冲孔打桩机焕发出新的生机。当前市场中有上万台甚至数十万台冲孔机在各种施工现场作业，造成大量人力、物力资源的浪费，使工程效益明显降低。在现有冲孔桩机的基础上对其进行自动化改造，使其具备自动冲孔打桩的能力，可以大大提高工程进度，并可节约大量能源，降低工程造价，创造良好的经济效益 。 1.4论文的主要任务及内容 a.分析比较当前国内外打桩机 控制 系统的现状与优缺点，主要了解 CK 系列打桩机的控制流程，为 打桩机 自动控制 系统的设计提供依据。 b.设计打桩机 自动控制 系统的整体方案，确定该系统应该完成的任务。 c.控制系统的 机械设计：包括离合控制机械系统和离合位移传感器安装；刹车系统机械设计和刹车位移传感器安装；高度传感器的安装。 d.控制系统的 算法研究：包括离合系统的建模；刹车系统的建模；高度检测
