多功能力矩限制器的研制 - 潘学礼工控博客工控论坛

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发表人：偶尔路过

发表时间：2009/6/21 20:49:00

发表新论题

本栏论题：

多功能力矩限制器的研制 [5943]

    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