多功能力矩限制器的研制

摘要: 　　介绍了采用ATMEGA128单片机为主控制器的起重机力矩限制器及在抗干扰、提高测试精度等方面采取的一些新技术和方法，该力矩限制器具有保护、报警、实时记录并显示多个工作参数的功能，是一种可靠的起重机安全装置。 关键词: 起重机;力矩限制器;单片机 中图分类号：TP368.1 文献标识码：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 　　为防止起重机因操作不当和过大的起重力矩而发生倾翻、折臂等事故，起重机必须安装力矩限制器，以确保安全作业，且作为安全保护装置的力矩限制器必须具有很高的可靠性、稳定性和检测精度。为此，我们采用ATMEGA128单片机为力矩限制器的主控CPU，设计中采用了一些新技术和方法，提高了系统的测试精度和抗干扰能力。 2 系统组成及功能 　　该力矩器限制器主要由压力传感器、角度传感器、长度传感器、测量及数据传输与处理系统等组成。来自外界的待测信号：主/副钩起吊重量、起重臂的角度、起重臂的长度（汽车吊），分别经各自的传感器检测、前置预处理、信号放大后，通过电缆传输到控制器内，由ATMEGA128单片机A/D输入，进行相应的运算处理后求得起重机的起重臂角及工作幅度、实际起重量、额定起重量、实际起重量与额定起重量的百分比等，显示并作输出控制；在报警时记录数据；另外通过串行口可与上位机进行数据传送。 该系统的主要功能是： 　　1、实现起重机起重力矩的安全监测，实时显示起重机的工作幅度、实际起重量、额定起重量，起重臂角，实时时钟等。 　　2、中文会话式人机界面设置预警值、报警值、钢丝绳数、起重臂的长度等参数；实时时钟校正；工作方式选择；实际起重量零位校正。 　　3、当起重机实际起重量与额定起重量的百分比大于或等于预警值时，指示灯闪亮作预警处理。 　　4、当起重机实际起重量与额定起重量的百分比大于或等于报警值时，系统声光报警，同时切断起重机向危险方向的动作，但允许其向安全方向动作。并对危险、超载等异常起重工作情况进行记录，以便进行分析查询管理。 3 硬件设计 　　力矩限制器应用现场环境恶劣，且起重机对其可靠性要求非常高，因此在设计时主要从数据采集、数据记录准确性与可靠性以及抗干扰等方面考虑。系统主控制器采用ATMEGA128单片机，其片内集成了128K字节的Flash存储器，4K字节在线可编程EEPROM，4K字节SRAM，外围有2个全双工UART串行通讯接口。本系统的硬件结构图见图1。 3．1数据采集通道 　　主/副钩起重量及其相应工作幅度经各自的传感器检测并经放大处理后送A/D转换器，采用单片A/D多路信号分时转换的方法以简化设计并降低成本。起重量采用桥式压力传感器检测，其输出电压信号为0~20mV,一般情况下，人们将此毫伏信号直接通过电缆传送到系统的放大电路中进行放大处理。但实践表明，该电压信号在工业现场恶劣环境下远距离传送时经常受到干扰，影响了系统的检测精度与正常工作。为解决此问题，在本系统设计中采用传感器信号经前置预处理，放大到0~5V电压，送CPU进行A/D采样见图2。 3．2输出控制接口 　　在起重机工作过程中，当实际起重量与额定起重量的百分比小于预警值时，屏幕上显示安全；大于等于预警值时，屏幕上显示预警，蜂鸣器断续鸣叫；大于等于报警值或工作幅度上、下取限时，屏幕上显示报警，蜂鸣器连续长鸣，同时切断起重机向危险方向的动作，但允许其向安全方向的动作。 3．3实时数据记录及硬件抗干扰 　　起重机在工作过程中，一旦发生超载情况，需要实时记录起重机超载时的实际重量、额定起重量、工作幅度等起重机的实际工况和超载的时间，以作为事故分析或经验交流的依据。本系统采用实时时钟芯片DS1302作为实时时钟，该芯片外接锂电池，工作稳定性好，计时精度高，可直接与CPU的PE口相接，满足了系统需求。单片机在运行中受到严重干扰时，往往会出现程序跑飞或死循环等现象，导致程序运行失控。力矩限制器对可靠性要求很高，必须采取有效措施来防止程序运行失控。硬件抗干扰采用Xicor公司的X5043芯片作为看门狗，它可完成系统上电/手动复位、看门狗定时器、电源电压监控；ATMEGA128CPU具有4K字节内部EEPROM，作为黑匣子数据记录存储器。另外，该控制器外带了两线串行EEPROM 24C1024，容量为128K字节，为特殊用户作大容量数据存储。 3．4通讯接口 　　采用MAXIM公司的MAX485作为通讯接口与上位机进行串行通讯，完成传送黑匣子数据。 4 软件设计 　　力矩限制器根据应用场合分为汽车吊力矩限制器、履带吊力矩限制器、门机力矩限制器，本力矩限制器采用同一套硬件，三种不同的软件分别对应汽车吊力矩限制器、履带吊力矩限制器、门机力矩限制器，三套软件基本结构相同，具体采样的变量和计算有些差异。 本文以汽车吊力矩限制器为例，介绍软件设计的基本流程。软件的主流程图见图3。 4．1初始化 　　设置SP初值；把程序用到的内部RAM区清0；DC输出继电器赋初值；串行口0串行口（RS-485）初始化（设置波特率为9600，接收状态）；EEROM指针（黑匣子数据存储指针）；点阵液晶初始化，显示初始幅面（显示仪器型号，生产厂家，联系电话）；实时时钟（DS1302）初始化；看门狗（X5043）初始化，打开看门狗；中断初始化，打开中断。 4．2 数据采样 　　分别对角度信号、长度信号和实际起重量信号采样各64个信号点，根据大数定理，去掉奇异点，剩下的作平滑处理，得到角度采样值，长度采样值，实际起重量采样值。 4．3 计算： 角度 = 角度采样值 * 角度系数 长度 = 长度采样值* 长度系数 + 基本臂长 幅度 =长度 * COS（角度） - R0 额定起重量 = F（长度，幅度） 实际起重量 =实际起重量采样值 *钢丝绳数*重量系数 – 空钩校零值 % = 实际起重量 * 100/额定起重量 根据以上计算的值，作安全，预警和报警状态判断。 4．4 显示： 　　屏幕上以中文格式显示%、实际起重量、额定起重量、幅度、长度、角度及对应的数值。中文显示由一组显示驱动函数组成： Printstr 8X16 以8*16点阵组成的字符显示字符串(包括中文) Printstr 16X16 以16*16点阵组成的字符显示字符串(包括中文) Printlong8X16 以8*16点阵组成的字符显示数字 Printlong16X16 以16*16点阵组成的字符显示数字 程序中调用以上函数，很方便地把中文字符或数字显示到显示屏的任意位置。 4．5输出控制： 角度大于角度安全上限时，输出控制继电器1，禁止角度增大； 角度小于角度安全下限时，输出控制继电器2，禁止角度变小； 当起重机实际起重量与额定起重量的百分比大于或等于报警值时，输出控制继电器2和3，禁止角度变小及重量起吊；作黑匣子数据存储。 4．6黑匣子数据存储 　　黑匣子数据存储在CPU内部EEPROM中，每组数据有12个字节组成见表1 　　由上位机（PC机）串口发读命令，则黑匣子数据通过串口送PC机，清除命令则清除所有黑匣子数据。 4．7 键处理函数 4.7.1校0键： 　　对空钩重量信号A/D采样，乘相应的系数，作为空钩校零值存储在EEPROM中。 4.7.2设置键： 屏幕提示密码输入 输入密码1 实时时钟设置，显示当时时钟，在光标位置下，修改相应数字，移动光标，保存修正后的时钟。 输入密码2 输入参数，每一屏显示一个参数，修改后转入下一屏显示下一个参数或退出返回到正常工作状态。修改的参数依次如下：报警值、预警值、角度安全上限、角度安全下限、延时报警时间等参数。 4．8串行通信处理 　　本系统采用被动式查询通讯，串口接收采用中断方式，发送采用查询方式。 串口命令： 4.8.1读黑匣子数据命令（3字节）见表2 当串口收到0AH、41H、0DH命令时，把所存储的黑匣子数据送上位机，传送数据构成见表3 注：每组数据格式见表4 4.8.2清黑匣子数据见表5 当串口收到0AH、43H、0DH命令时，把黑匣子指针指向初始位置，组数据值清0，并向上位机应答，数据构成见表6