摘要: 　　介紹了采用ATMEGA128單片機(jī)為主控制器的起重機(jī)力矩限制器及在抗干擾、提高測(cè)試精度等方面采取的一些新技術(shù)和方法，該力矩限制器具有保護(hù)、報(bào)警、實(shí)時(shí)記錄并顯示多個(gè)工作參數(shù)的功能，是一種可靠的起重機(jī)安全裝置。 關(guān)鍵詞: 起重機(jī);力矩限制器;單片機(jī) 中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Abstract: 　　A new kind of crane moment limiter with single chip microprocessor ATMEGA128 is introduced. By some new technologies, features of crane moment limiter, measurement accuracy and disturbance tolerances, are improved. The new crane moment limiter has many functions such as overloading protecting and warning, data recording and parameters displaying. Keywords: 　　Crane,Moment; limiter; Single chip microprocessor 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。 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。 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 24C1024，容量為128K字節(jié)，為特殊用戶作大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 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。 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，打開看門狗；中斷初始化，打開中斷。 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 = 長(zhǎng)度采樣值* 長(zhǎng)度系數(shù) + 基本臂長(zhǎng) 幅度 =長(zhǎng)度 * COS（角度） - R0 額定起重量 = F（長(zhǎng)度，幅度） 實(shí)際起重量 =實(shí)際起重量采樣值 *鋼絲繩數(shù)*重量系數(shù) – 空鉤校零值 % = 實(shí)際起重量 * 100/額定起重量 根據(jù)以上計(jì)算的值，作安全，預(yù)警和報(bào)警狀態(tài)判斷。 4．4 顯示： 　　屏幕上以中文格式顯示%、實(shí)際起重量、額定起重量、幅度、長(zhǎng)度、角度及對(duì)應(yīng)的數(shù)值。中文顯示由一組顯示驅(qū)動(dòng)函數(shù)組成： Printstr 8X16 以8*16點(diǎn)陣組成的字符顯示字符串(包括中文) Printstr 16X16 以16*16點(diǎn)陣組成的字符顯示字符串(包括中文) Printlong8X16 以8*16點(diǎn)陣組成的字符顯示數(shù)字 Printlong16X16 以16*16點(diǎn)陣組成的字符顯示數(shù)字 程序中調(diào)用以上函數(shù)，很方便地把中文字符或數(shù)字顯示到顯示屏的任意位置。 4．5輸出控制： 角度大于角度安全上限時(shí)，輸出控制繼電器1，禁止角度增大； 角度小于角度安全下限時(shí)，輸出控制繼電器2，禁止角度變??； 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)，輸出控制繼電器2和3，禁止角度變小及重量起吊；作黑匣子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 4．6黑匣子數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 　　黑匣子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CPU內(nèi)部EEPROM中，每組數(shù)據(jù)有12個(gè)字節(jié)組成見(jiàn)表1 　　由上位機(jī)（PC機(jī)）串口發(fā)讀命令，則黑匣子數(shù)據(jù)通過(guò)串口送PC機(jī)，清除命令則清除所有黑匣子數(shù)據(jù)。 4．7 鍵處理函數(shù) 4.7.1校0鍵： 　　對(duì)空鉤重量信號(hào)A/D采樣，乘相應(yīng)的系數(shù)，作為空鉤校零值存儲(chǔ)在EEPROM中。 4.7.2設(shè)置鍵： 屏幕提示密碼輸入 輸入密碼1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置，顯示當(dāng)時(shí)時(shí)鐘，在光標(biāo)位置下，修改相應(yīng)數(shù)字，移動(dòng)光標(biāo)，保存修正后的時(shí)鐘。 輸入密碼2 輸入?yún)?shù)，每一屏顯示一個(gè)參數(shù)，修改后轉(zhuǎn)入下一屏顯示下一個(gè)參數(shù)或退出返回到正常工作狀態(tài)。修改的參數(shù)依次如下：報(bào)警值、預(yù)警值、角度安全上限、角度安全下限、延時(shí)報(bào)警時(shí)間等參數(shù)。 4．8串行通信處理 　　本系統(tǒng)采用被動(dòng)式查詢通訊，串口接收采用中斷方式，發(fā)送采用查詢方式。 串口命令： 4.8.1讀黑匣子數(shù)據(jù)命令（3字節(jié)）見(jiàn)表2 當(dāng)串口收到0AH、41H、0DH命令時(shí)，把所存儲(chǔ)的黑匣子數(shù)據(jù)送上位機(jī)，傳送數(shù)據(jù)構(gòu)成見(jiàn)表3 注：每組數(shù)據(jù)格式見(jiàn)表4 4.8.2清黑匣子數(shù)據(jù)見(jiàn)表5 當(dāng)串口收到0AH、43H、0DH命令時(shí)，把黑匣子指針指向初始位置，組數(shù)據(jù)值清0，并向上位機(jī)應(yīng)答，數(shù)據(jù)構(gòu)成見(jiàn)表6 5 結(jié)束語(yǔ) 　　本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取了一些新技術(shù)和方法，特別是在起重量檢測(cè)中微弱信號(hào)的抗干擾處理，可供借鑒與參考。該系統(tǒng)作為起重機(jī)安全保護(hù)裝置，具有抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)、體積小、操作方便等特點(diǎn)，多個(gè)參數(shù)顯示及超載限動(dòng)報(bào)警保護(hù)使操作人員能及時(shí)了解起重機(jī)的工作情況，提高了工作效率，有效地預(yù)防了事故的發(fā)生。 參考文獻(xiàn) ［1］宋建國(guó)主編．AVR高單片機(jī)原理及應(yīng)用．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998 ［2］AVR ENHANCED RISC MICROCONTROLLER DATA BOOK WWW.ATMEL.COM ［3］ATMEGA128 DATASHEETS WWW.ATMEL.COM 附：本力矩限制器應(yīng)用范圍： 1． 履帶吊：CH500，60P，85P，D308，D408，KH180-2，KH100，KH300，KH700，DLQ16，港埠-25T，DLQ40B，LS-518J，S-4100W，M-250 ，QUY50等型號(hào) 2． 汽車吊：NK20B，NK200BE，NK300，NK800，NK450，NK160B2，TG452，QY25D，QY16，JQZ25等型號(hào) 3． 門機(jī)： MQ40-30，MQ16-30， MQ10-30，MQ40-35等型號(hào) 　 作者單位：無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 　 地址：江蘇無(wú)錫新區(qū)旺莊東路5號(hào)　214028　 Email：zhengj620121@163.com