摘要: 　　介紹了采用ATMEGA128單片機為主控制器的起重機力矩限制器及在抗干擾、提高測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、報警、實時記錄并顯示多個工作參數(shù)的功能，是一種可靠的起重機安全裝置。 關(guān)鍵詞: 起重機;力矩限制器;單片機 中圖分類號：TP368.1 文獻標(biāo)識碼：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 　　為防止起重機因操作不當(dāng)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(yù)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(yù)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(dāng)起重機實際起重量與額定起重量的百分比大于或等于預(yù)警值時，指示燈閃亮作預(yù)警處理。 　　4、當(dāng)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。 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(yù)處理，放大到0~5V電壓，送CPU進行A/D采樣見圖2。 3．2輸出控制接口 　　在起重機工作過程中，當(dāng)實際起重量與額定起重量的百分比小于預(yù)警值時，屏幕上顯示安全；大于等于預(yù)警值時，屏幕上顯示預(yù)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(dǎo)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(fù)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 24C1024，容量為128K字節(jié)，為特殊用戶作大容量數(shù)據(jù)存儲。 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。 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 = 長度采樣值* 長度系數(shù) + 基本臂長 幅度 =長度 * COS（角度） - R0 額定起重量 = F（長度，幅度） 實際起重量 =實際起重量采樣值 *鋼絲繩數(shù)*重量系數(shù) – 空鉤校零值 % = 實際起重量 * 100/額定起重量 根據(jù)以上計算的值，作安全，預(yù)警和報警狀態(tài)判斷。 4．4 顯示： 　　屏幕上以中文格式顯示%、實際起重量、額定起重量、幅度、長度、角度及對應(yīng)的數(shù)值。中文顯示由一組顯示驅(qū)動函數(shù)組成： Printstr 8X16 以8*16點陣組成的字符顯示字符串(包括中文) Printstr 16X16 以16*16點陣組成的字符顯示字符串(包括中文) Printlong8X16 以8*16點陣組成的字符顯示數(shù)字 Printlong16X16 以16*16點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，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，輸出控制繼電器2，禁止角度變??； 當(dāng)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，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。 4．6黑匣子數(shù)據(jù)存儲 　　黑匣子數(shù)據(jù)存儲在CPU內(nèi)部EEPROM中，每組數(shù)據(jù)有12個字節(jié)組成見表1 　　由上位機（PC機）串口發(fā)讀命令，則黑匣子數(shù)據(jù)通過串口送PC機，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： 　　對空鉤重量信號A/D采樣，乘相應(yīng)的系數(shù)，作為空鉤校零值存儲在EEPROM中。 4.7.2設(shè)置鍵： 屏幕提示密碼輸入 輸入密碼1 實時時鐘設(shè)置，顯示當(dāng)時時鐘，在光標(biāo)位置下，修改相應(yīng)數(shù)字，移動光標(biāo)，保存修正后的時鐘。 輸入密碼2 輸入?yún)?shù)，每一屏顯示一個參數(shù)，修改后轉(zhuǎn)入下一屏顯示下一個參數(shù)或退出返回到正常工作狀態(tài)。修改的參數(shù)依次如下：報警值、預(yù)警值、角度安全上限、角度安全下限、延時報警時間等參數(shù)。 4．8串行通信處理 　　本系統(tǒng)采用被動式查詢通訊，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)）見表2 當(dāng)串口收到0AH、41H、0DH命令時，把所存儲的黑匣子數(shù)據(jù)送上位機，傳送數(shù)據(jù)構(gòu)成見表3 注：每組數(shù)據(jù)格式見表4 4.8.2清黑匣子數(shù)據(jù)見表5 當(dāng)串口收到0AH、43H、0DH命令時，把黑匣子指針指向初始位置，組數(shù)據(jù)值清0，并向上位機應(yīng)答，數(shù)據(jù)構(gòu)成見表6 5 結(jié)束語 　　本系統(tǒng)在設(shè)計時采取了一些新技術(shù)和方法，特別是在起重量檢測中微弱信號的抗干擾處理，可供借鑒與參考。該系統(tǒng)作為起重機安全保護裝置，具有抗干擾能力強、功能強、體積小、操作方便等特點，多個參數(shù)顯示及超載限動報警保護使操作人員能及時了解起重機的工作情況，提高了工作效率，有效地預(yù)防了事故的發(fā)生。 參考文獻 ［1］宋建國主編．AVR高單片機原理及應(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 2． 汽車吊：NK20B，NK200BE，NK300，NK800，NK450，NK160B2，TG452，QY25D，QY16，JQZ25等型號 3． 門機： MQ40-30，MQ16-30， MQ10-30，MQ40-35等型號 　 作者單位：無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 　 地址：江蘇無錫新區(qū)旺莊東路5號　214028　 Email：zhengj620121@163.com