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案例頻道1 引言
為防止起重機(jī)因操作不當(dāng)和過(guò)大的起重力矩而發(fā)生傾翻、折臂等事故，起重機(jī)必須安裝力矩限制器，以確保安全作業(yè)，且作為安全保護(hù)裝置的力矩限制器必須具有很高的可靠性、穩(wěn)定性和檢測(cè)精度。為此，我們采用ATMEGA128單片機(jī)為力矩限制器的主控CPU，設(shè)計(jì)中采用了一些新技術(shù)和方法，提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度和抗干擾能力。
2 系統(tǒng)組成及功能
該力矩器限制器主要由壓力傳感器、角度傳感器、長(zhǎng)度傳感器、測(cè)量及數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)等組成。來(lái)自外界的待測(cè)信號(hào)：主/副鉤起吊重量、起重臂的角度、起重臂的長(zhǎng)度（汽車吊），分別經(jīng)各自的傳感器檢測(cè)、前置預(yù)處理、信號(hào)放大后，通過(guò)電纜傳輸?shù)娇刂破鲀?nèi)，由ATMEGA128單片機(jī)A/D輸入，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理后求得起重機(jī)的起重臂角及工作幅度、實(shí)際起重量、額定起重量、實(shí)際起重量與額定起重量的百分比等，顯示并作輸出控制；在報(bào)警時(shí)記錄數(shù)據(jù)；另外通過(guò)串行口可與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
該系統(tǒng)的主要功能是：
1、實(shí)現(xiàn)起重機(jī)起重力矩的安全監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)顯示起重機(jī)的工作幅度、實(shí)際起重量、額定起重量，起重臂角，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。
2、中文會(huì)話式人機(jī)界面設(shè)置預(yù)警值、報(bào)警值、鋼絲繩數(shù)、起重臂的長(zhǎng)度等參數(shù)；實(shí)時(shí)時(shí)鐘校正；工作方式選擇；實(shí)際起重量零位校正。
3、當(dāng)起重機(jī)實(shí)際起重量與額定起重量的百分比大于或等于預(yù)警值時(shí)，指示燈閃亮作預(yù)警處理。
4、當(dāng)起重機(jī)實(shí)際起重量與額定起重量的百分比大于或等于報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)聲光報(bào)警，同時(shí)切斷起重機(jī)向危險(xiǎn)方向的動(dòng)作，但允許其向安全方向動(dòng)作。并對(duì)危險(xiǎn)、超載等異常起重工作情況進(jìn)行記錄，以便進(jìn)行分析查詢管理。
3 硬件設(shè)計(jì)
力矩限制器應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，且起重機(jī)對(duì)其可靠性要求非常高，因此在設(shè)計(jì)時(shí)主要從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確性與可靠性以及抗干擾等方面考慮。系統(tǒng)主控制器采用ATMEGA128單片機(jī)，其片內(nèi)集成了128K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器，4K字節(jié)在線可編程EEPROM，4K字節(jié)SRAM，外圍有2個(gè)全雙工UART串行通訊接口。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。
圖1
3．1數(shù)據(jù)采集通道
主/副鉤起重量及其相應(yīng)工作幅度經(jīng)各自的傳感器檢測(cè)并經(jīng)放大處理后送A/D轉(zhuǎn)換器，采用單片A/D多路信號(hào)分時(shí)轉(zhuǎn)換的方法以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并降低成本。起重量采用橋式壓力傳感器檢測(cè)，其輸出電壓信號(hào)為0~20mV,一般情況下，人們將此毫伏信號(hào)直接通過(guò)電纜傳送到系統(tǒng)的放大電路中進(jìn)行放大處理。但實(shí)踐表明，該電壓信號(hào)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境下遠(yuǎn)距離傳送時(shí)經(jīng)常受到干擾，影響了系統(tǒng)的檢測(cè)精度與正常工作。為解決此問(wèn)題，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用
傳感器信號(hào)經(jīng)前置預(yù)處理，放大到0~5V電壓，送CPU進(jìn)行A/D采樣見(jiàn)圖2。
前置處理 角度傳感器信號(hào) 主鉤傳感器信號(hào) 前置處理 副鉤傳感器信號(hào) 前置處理 信號(hào)放大器 長(zhǎng)度傳感器信號(hào) 前置處理 信號(hào)放大器 信號(hào)放大器 信號(hào)放大器
3．2輸出控制接口
在起重機(jī)工作過(guò)程中，當(dāng)實(shí)際起重量與額定起重量的百分比小于預(yù)警值時(shí)，屏幕上顯示安全；大于等于預(yù)警值時(shí)，屏幕上顯示預(yù)警，蜂鳴器斷續(xù)鳴叫；大于等于報(bào)警值或工作幅度上、下取限時(shí)，屏幕上顯示報(bào)警，蜂鳴器連續(xù)長(zhǎng)鳴，同時(shí)切斷起重機(jī)向危險(xiǎn)方向的動(dòng)作，但允許其向安全方向的動(dòng)作。
3．3實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄及硬件抗干擾
起重機(jī)在工作過(guò)程中，一旦發(fā)生超載情況，需要實(shí)時(shí)記錄起重機(jī)超載時(shí)的實(shí)際重量、額定起重量、工作幅度等起重機(jī)的實(shí)際工況和超載的時(shí)間，以作為事故分析或經(jīng)驗(yàn)交流的依據(jù)。本系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘，該芯片外接鋰電池，工作穩(wěn)定性好，計(jì)時(shí)精度高，可直接與CPU的PE口相接，滿足了系統(tǒng)需求。單片機(jī)在運(yùn)行中受到嚴(yán)重干擾時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)程序跑飛或死循環(huán)等現(xiàn)象，導(dǎo)致程序運(yùn)行失控。力矩限制器對(duì)可靠性要求很高，必須采取有效措施來(lái)防止程序運(yùn)行失控。硬件抗干擾采用Xicor公司的X5043芯片作為看門狗，它可完成系統(tǒng)上電/手動(dòng)復(fù)位、看門狗定時(shí)器、電源電壓監(jiān)控；ATMEGA128CPU具有
4K字節(jié)內(nèi)部EEPROM，作為黑匣子數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器。另外，該控制器外帶了兩線串行EEPROM
3．4通訊接口
采用MAXIM公司的MAX485作為通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行串行通訊，完成傳送黑匣子數(shù)據(jù)。
4 軟件設(shè)計(jì)
力矩限制器根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合分為汽車吊力矩限制器、履帶吊力矩限制器、門機(jī)力矩限制器，
本力矩限制器采用同一套硬件，三種不同的軟件分別對(duì)應(yīng)汽車吊力矩限制器、履帶吊力矩限制器、門機(jī)力矩限制器，三套軟件基本結(jié)構(gòu)相同，具體采樣的變量和計(jì)算有些差異。
本文以汽車吊力矩限制器為例，介紹軟件設(shè)計(jì)的基本流程。軟件的主流程圖見(jiàn)圖3。
計(jì)算 顯示 輸出控制 掃鍵 有鍵信號(hào)？ + 鍵處理 - 數(shù)據(jù)采樣 初始化
圖3
4．1初始化
設(shè)置SP初值；把程序用到的內(nèi)部RAM區(qū)清0；DC輸出繼電器賦初值；串行口0串行口（RS-485）初始化（設(shè)置波特率為9600，接收狀態(tài)）；EEROM指針（黑匣子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指針）；點(diǎn)陣液晶初始化，顯示初始幅面（顯示儀器型號(hào)，生產(chǎn)廠家，聯(lián)系電話）；實(shí)時(shí)時(shí)鐘（DS1302）初始化；看門狗（X5043）初始化，打開(kāi)看門狗；中斷初始化，打開(kāi)中斷。
4．2 數(shù)據(jù)采樣
分別對(duì)角度信號(hào)、長(zhǎng)度信號(hào)和實(shí)際起重量信號(hào)采樣各64個(gè)信號(hào)點(diǎn)，根據(jù)大數(shù)定理，去掉奇異點(diǎn)，剩下的作平滑處理，得到角度采樣值，長(zhǎng)度采樣值，實(shí)際起重量采樣值。
4．3 計(jì)算：
角度 = 角度采樣值 * 角度系數(shù)
長(zhǎng)度 =
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)