单片机在起重机力矩限制器中的应用

已 成 功 应 用 于 大 桥 局 武 汉 桥 梁 建 设 工 程 23!4!56784 桅杆式起重机中， 具有功能强、 抗干扰能力强、 体积 小、 操作方便等特点， 多个参数显示及超载限动报警 保护使操作人员能及时了解起重机的工作情况， 提 高了工作效率， 有效地预防了事故的发生。
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 ！ ） ） 转换器，采用单片
！） ） 多路信号分时转换的方法以简化设计并降低成
本。起重量采用旁压传感器检测， 其输出电压信号为 毫伏级信号， 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，微弱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
*7,5’ 8 电压信号，再通过运放 1/*9 等构成的 -), 变换电路， 得到 *5& 8 电压。变送器芯片 4"0(*, 等 构成的 ,)- 转换电路如图 ’ 所示， 该 ,)- 转换电路调
试好密封后与压力传感器安装在一起，电源与电流 型信号通过一对双绞线传送，大大提高了抗干扰能 力， 并节省了传输线， 较好地解决了微弱信号远距离 传送的问题。吊臂倾角由角度传感器检测， 角度传感 器由精密线性电位器、 摆锤等构成， 其输出信号通过
1/*9 构成的放大电路转换为 #./ 8 电压。
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微 机 应 用 与 智 能 化
图!
系统硬件结构框图
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 23"#)!!( 计时， 该芯片内置有晶振、 锂电 ， 工作稳定性好， 计时精度高， 可 池 （使用寿命 "+ 年） 直接与 %4!’)/# 数据总线 -+ 口相接，满足了系统 对时间的需求。 单片机在运行中受到严重干扰时， 往 往会出现程序跑飞或非法死循环等现象，导致程序
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输出控制接口 在起重机工作过程中，当实际起重力矩 !’+,
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通讯接口 记录的超载数据通过串行口完成传送。采用美
额定值时， 用位操作通过 -"./ 口控制黄色信号灯发 出声光预警信号； 当实际起重力矩大于 !"+0, 额定 值或工作幅度超过幅度上、 下限时， 用位操作通过 同时切断起 -".1 口控制红色信号灯发出声光报警， 重机向危险方向的动作， 但允许其向安全方向的动 作。
３３ 公司生产的专为电桥式传感器配套的变送器芯 片 ４＂０（＊， 与电阻、 电容、 三极管等构成 ，）－ 转换电
温度范围宽， 路， 变送器芯片 ４＂０（＊， 具有工作电压、 工作稳定可靠 其构成的 ，）－ 转换电路具有线路简单、 等特点， 该 ，）－ 转换电路将压力传感器输出的微弱电 压信号转换成 ，５＇＊ ６！ 电流信号，该电流信号传送 到主控制器后，经过 （＊＊ ！ 精密负载电阻后得到的
图"
&’(!)% 等构成的 *"+ 转换电路图
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。数据记录与硬件抗 干扰采用 &5678 公司的 &/+0/ 芯片， 它具有低功耗、 长寿命、 可编程锁定等功能， 它可完成系统上电 " 手 动复位、看门狗定时器、电源电压监控、串行 （0<=5>） 等功能， 该 芯 片 可 反 复 擦 写 "++ 万 9-:;$ 次以上，能够满足系统记录数据与硬件抗干扰的需 求。
＊７，５＇ ８ 电压信号，再通过运放 １／＊９ 等构成的 －）， 变换电路， 得到 ＊５＆ ８ 电压。变送器芯片 ４＂０（＊， 等 构成的 ，）－ 转换电路如图 ＇ 所示， 该 ，）－ 转换电路调
试好密封后与压力传感器安装在一起，电源与电流 型信号通过一对双绞线传送，大大提高了抗干扰能 力， 并节省了传输线， 较好地解决了微弱信号远距离 传送的问题。吊臂倾角由角度传感器检测， 角度传感 器由精密线性电位器、 摆锤等构成， 其输出信号通过
*+ ../012 程序存储器。本系统的硬件结构框图 如图 ( 所示。 !"# 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 !)) 转 换 器 ， 采 用 单 片
!)) 多路信号分时转换的方法以简化设计并降低成
本。起重量采用旁压传感器检测， 其输出电压信号为 毫伏级信号， 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，微弱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
信公司的 $%&#?# 作为通讯接口， 采用波士远程通 讯模块 @#?#% 可方便的与上位机连接完成超载 记 录数据的传送。
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软件设计
整个系统软件采用模块化结构设计， 由主程序、
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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
中断服务程序和功能子程序组成，主要通过中断服 务程序实现多功能的实时处理。系统软件主流程图 如图 ? 所示。
数据采集 !"# 转 换 器 选 用 美 国 美 信 公 司 的 多 量程、 ! 路模拟输入通道、 "# 位 !"# 转 换 器 该 !"# 转换器具有转换速度快、 精度高及 $%&"’(， 单片机读取方便等特点。起重量、 吊臂角度电压信 可通过 号送入 !"# 转换器的 )*+ 、 )*"、 )*# 通道， 编程选择某通道，将模拟量转换成相应的数字量， 再由单片机读入进行运算处理。
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系统组成及主要功能
该力矩限制器主要由旁压式传感器、 角度传感
器、 测量及数据传输与处理系统等组成。来自外界 的待测信号： 主 ） 副钩起吊重量及相应的工作幅度。 它们分别经各自的传感器检测并经处理后， 通过电 缆传输到控制器内，经 ！ ＆ ） 转换后读入 ！＂＃￥％＆＇ ， 进行相应的运算处理后输出控制和显示。另外通过 通讯口还可与上位机进行数据传送。 该系统的主要功能是： （（）实现起重机起重力 矩的安全监测， 实时显示起重机的工作幅度、 实际 起重量、 额定起重量等。 （＇） 设置预警、 报警方式， 当 起重机实际起重力矩 ！ ￥＊＋ 额定值时，黄色信号灯 声光预警； 当实际起重力矩 ！ （＊，＋ 额定值或工作幅 度超过幅度上、 下限时， 红色信号灯声光报警， 同时 切断起重机向危险方向的动作， 但允许其向安全方 向动作。 （－ ） 对危险、 超载等异常起重工作情况进行 记录， 以便查询， 作为事故原因分析的依据， 并可供 管理部门对起重机工作情况进行查询。
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系统组成及主要功能
该力矩限制器主要由旁压式传感器、 角度传感
器、 测量及数据传输与处理系统等组成。来自外界 的待测信号： 主 ) 副钩起吊重量及相应的工作幅度。 它们分别经各自的传感器检测并经处理后， 通过电 缆传输到控制器内，经 !&) 转换后读入 !"#$%&’， 进行相应的运算处理后输出控制和显示。另外通过 通讯口还可与上位机进行数据传送。 该系统的主要功能是： （(）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、 额定起重量等。 （’） 设置预警、 报警方式， 当 起重机实际起重力矩 !$*+ 额定值时，黄色信号灯 声光预警； 当实际起重力矩 !(*,+ 额定值或工作幅 度超过幅度上、 下限时， 红色信号灯声光报警， 同时 切断起重机向危险方向的动作， 但允许其向安全方 向动作。 （- ） 对危险、 超载等异常起重工作情况进行 记录， 以便查询， 作为事故原因分析的依据， 并可供 管理部门对起重机工作情况进行查询。
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硬件设计
力矩限制器应用现场环境恶劣， 且起重机对其
万方数据
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可靠性要求非常高， 因此在设计时主要从数据采集、 数据记录准确性与可靠性以及抗干扰等方面考虑。 系统主控制器采用 ！＂＃￥％＆＇ 单片机， 其片内集成了
＊＋ ．．／０１２ 程序存储器。本系统的硬件结构框图 如图 （ 所示。 ！＂＃ 数据采集通道
33 公司生产的专为电桥式传感器配套的变送器芯 片 4"0(*, 与电阻、 电容、 三极管等构成 ,)- 转换电
温度范围宽， 路， 变送器芯片 4"0(*, 具有工作电压、 工作稳定可靠 其构成的 ,)- 转换电路具有线路简单、 等特点， 该 ,)- 转换电路将压力传感器输出的微弱电 压信号转换成 ,5’* 6! 电流信号，该电流信号传送 到主控制器后，经过 (** ! 精密负载电阻后得到的
实时记录起重机超载时的实际起重量、额定起重
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万方数据
单片机在起重机力矩限制器中的应用
武汉科技大学 胡月华 游向荣
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摘
要： 介绍了采用 ！＂＃￥％＆＇ 单片机 为 主 控 制 器 的 力 矩 限 制 器 及 其 在 抗 干 扰 、 提高测试精度等方
微 机 应 用 与 智 能 化
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!!!!!!!! 起 重 机 在 现 代 工 程 建 设 和 事 故 救 援 中 起 着 非
常重要的作用， 为防止起重机由于操作不当和过大 的起重力矩而发生倾翻、 折臂等事故， 起重机必须 安装力矩限制器， 以保证安全作业。作为安全保护 装置的力矩限制器必须具有很高的可靠性、 稳定性 和检测精度， 我们采用 !"#$%&’ 单片机研制了起重 机力矩限制器，设计中采用了一些新技术和方法， 提高了其测试精度和抗干扰性能， 该系统已成功应 用于武汉某桥梁建设工程 "#!$%&’(%$ 桅杆式起重机。