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案例頻道1 引言
為防止起重機因操作不當和過大的起重力矩而發(fā)生傾翻、折臂等事故，起重機必須安裝力矩限制器，以確保安全作業(yè)，且作為安全保護裝置的力矩限制器必須具有很高的可靠性、穩(wěn)定性和檢測精度。為此，我們采用ATMEGA128單片機為力矩限制器的主控CPU，設(shè)計中采用了一些新技術(shù)和方法，提高了系統(tǒng)的測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、長度傳感器、測量及數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)等組成。來自外界的待測信號：主/副鉤起吊重量、起重臂的角度、起重臂的長度（汽車吊），分別經(jīng)各自的傳感器檢測、前置預處理、信號放大后，通過電纜傳輸?shù)娇刂破鲀?nèi)，由ATMEGA128單片機A/D輸入，進行相應(yīng)的運算處理后求得起重機的起重臂角及工作幅度、實際起重量、額定起重量、實際起重量與額定起重量的百分比等，顯示并作輸出控制；在報警時記錄數(shù)據(jù)；另外通過串行口可與上位機進行數(shù)據(jù)傳送。
該系統(tǒng)的主要功能是：
1、實現(xiàn)起重機起重力矩的安全監(jiān)測，實時顯示起重機的工作幅度、實際起重量、額定起重量，起重臂角，實時時鐘等。
2、中文會話式人機界面設(shè)置預警值、報警值、鋼絲繩數(shù)、起重臂的長度等參數(shù)；實時時鐘校正；工作方式選擇；實際起重量零位校正。
3、當起重機實際起重量與額定起重量的百分比大于或等于預警值時，指示燈閃亮作預警處理。
4、當起重機實際起重量與額定起重量的百分比大于或等于報警值時，系統(tǒng)聲光報警，同時切斷起重機向危險方向的動作，但允許其向安全方向動作。并對危險、超載等異常起重工作情況進行記錄，以便進行分析查詢管理。
3 硬件設(shè)計
力矩限制器應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境惡劣，且起重機對其可靠性要求非常高，因此在設(shè)計時主要從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄準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，其片內(nèi)集成了128K字節(jié)的Flash存儲器，4K字節(jié)在線可編程EEPROM，4K字節(jié)SRAM，外圍有2個全雙工UART串行通訊接口。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖見圖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多路信號分時轉(zhuǎn)換的方法以簡化設(shè)計并降低成本。起重量采用橋式壓力傳感器檢測，其輸出電壓信號為0~20mV,一般情況下，人們將此毫伏信號直接通過電纜傳送到系統(tǒng)的放大電路中進行放大處理。但實踐表明，該電壓信號在工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境下遠距離傳送時經(jīng)常受到干擾，影響了系統(tǒng)的檢測精度與正常工作。為解決此問題，在本系統(tǒng)設(shè)計中采用
傳感器信號經(jīng)前置預處理，放大到0~5V電壓，送CPU進行A/D采樣見圖2。
前置處理 角度傳感器信號 主鉤傳感器信號 前置處理 副鉤傳感器信號 前置處理 信號放大器 長度傳感器信號 前置處理 信號放大器 信號放大器 信號放大器
3．2輸出控制接口
在起重機工作過程中，當實際起重量與額定起重量的百分比小于預警值時，屏幕上顯示安全；大于等于預警值時，屏幕上顯示預警，蜂鳴器斷續(xù)鳴叫；大于等于報警值或工作幅度上、下取限時，屏幕上顯示報警，蜂鳴器連續(xù)長鳴，同時切斷起重機向危險方向的動作，但允許其向安全方向的動作。
3．3實時數(shù)據(jù)記錄及硬件抗干擾
起重機在工作過程中，一旦發(fā)生超載情況，需要實時記錄起重機超載時的實際重量、額定起重量、工作幅度等起重機的實際工況和超載的時間，以作為事故分析或經(jīng)驗交流的依據(jù)。本系統(tǒng)采用實時時鐘芯片DS1302作為實時時鐘，該芯片外接鋰電池，工作穩(wěn)定性好，計時精度高，可直接與CPU的PE口相接，滿足了系統(tǒng)需求。單片機在運行中受到嚴重干擾時，往往會出現(xiàn)程序跑飛或死循環(huán)等現(xiàn)象，導致程序運行失控。力矩限制器對可靠性要求很高，必須采取有效措施來防止程序運行失控。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/手動復位、看門狗定時器、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進行串行通訊，完成傳送黑匣子數(shù)據(jù)。
4 軟件設(shè)計
力矩限制器根據(jù)應(yīng)用場合分為汽車吊力矩限制器、履帶吊力矩限制器、門機力矩限制器，
本力矩限制器采用同一套硬件，三種不同的軟件分別對應(yīng)汽車吊力矩限制器、履帶吊力矩限制器、門機力矩限制器，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)計的基本流程。軟件的主流程圖見圖3。
計算 顯示 輸出控制 掃鍵 有鍵信號？ + 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)存儲指針）；點陣液晶初始化，顯示初始幅面（顯示儀器型號，生產(chǎn)廠家，聯(lián)系電話）；實時時鐘（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
分別對角度信號、長度信號和實際起重量信號采樣各64個信號點，根據(jù)大數(shù)定理，去掉奇異點，剩下的作平滑處理，得到角度采樣值，長度采樣值，實際起重量采樣值。
4．3 計算：
角度 = 角度采樣值 * 角度系數(shù)
長度 =
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號