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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，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，設計中采用了一些新技術和方法，提高了系統的測試精度和抗干擾能力。
2 系統組成及功能
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、測量及數據傳輸與處理系統等組成。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），分別經各自的傳感器檢測、前置預處理、信號放大后，通過電纜傳輸到控制器內，由ATMEGA128單片機A/D輸入，進行相應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；在報警時記錄數據；另外通過串行口可與上位機進行數據傳送。
該系統的主要功能是：
1、實現起重機起重力矩的安全監測，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置預警值、報警值、鋼絲繩數、起重臂的長度等參數；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 硬件設計
力矩限制器應用現場環境惡劣，且起重機對其可靠性要求非常高，因此在設計時主要從數據采集、數據記錄準確性與可靠性以及抗干擾等方面考慮。系統主控制器采用ATMEGA128單片機，其片內集成了128K字節的Flash存儲器，4K字節在線可編程EEPROM，4K字節SRAM，外圍有2個全雙工UART串行通訊接口。本系統的硬件結構圖見圖1。
圖1
3．1數據采集通道
主/副鉤起重量及其相應工作幅度經各自的傳感器檢測并經放大處理后送A/D轉換器，采用單片A/D多路信號分時轉換的方法以簡化設計并降低成本。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，該電壓信號在工業現場惡劣環境下遠距離傳送時經常受到干擾，影響了系統的檢測精度與正常工作。為解決此問題，在本系統設計中采用
傳感器信號經前置預處理，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實時數據記錄及硬件抗干擾
起重機在工作過程中，一旦發生超載情況，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驗交流的依據。本系統采用實時時鐘芯片DS1302作為實時時鐘，該芯片外接鋰電池，工作穩定性好，計時精度高，可直接與CPU的PE口相接，滿足了系統需求。單片機在運行中受到嚴重干擾時，往往會出現程序跑飛或死循環等現象，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，它可完成系統上電/手動復位、看門狗定時器、電源電壓監控；ATMEGA128CPU具有
4K字節內部EEPROM，作為黑匣子數據記錄存儲器。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，完成傳送黑匣子數據。
4 軟件設計
力矩限制器根據應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，三套軟件基本結構相同，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 - 數據采樣 初始化
圖3
4．1初始化
設置SP初值；把程序用到的內部RAM區清0；DC輸出繼電器賦初值；串行口0串行口（RS-485）初始化（設置波特率為9600，接收狀態）；EEROM指針（黑匣子數據存儲指針）；點陣液晶初始化，顯示初始幅面（顯示儀器型號，生產廠家，聯系電話）；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 數據采樣
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，根據大數定理，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
長度 =
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號