摘要：為了保證履帶式起重機(jī)的安全工作, 安全監(jiān)控儀是一種重要的安全保護(hù)裝置。本文介紹了一種基于單片機(jī)c8051f040的安全監(jiān)控系統(tǒng)，它具有保護(hù)、報警、實時記錄、顯示多個工作參的功能。利用它可以提高起重機(jī)的自動化程度、控制精度和操作安全性。
      關(guān)鍵詞：履帶起重機(jī)，安全監(jiān)控，單片機(jī)

 The Research of Crawler Crane Safety Monitoring and Control System

Jia yunfang   Bi youming  Yang tiemei 

(Taiyuan university of science and technology, Taiyuan ,shanxi)
       Abstract: For making crawler crane to working safely,  safety monitoring and control system
is a important safety protection device.The paper introduces a kind of safety monitoring and      control system based on single chip microcomputer C8051F040.The system has the function
of protection,alarm,record and display work parameters.Using it can enhance automatic degree,control precision and opration safety of crane.
       Key words: crawler crane, safety monitoring and control system,single-chip microcomputer 

       由于履帶式起重機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、臂架組合模式多，一旦發(fā)生事故，將會造成重大損失。因此，為了保證起重機(jī)安全工作，安全監(jiān)控裝置是大型機(jī)械履帶起重機(jī)不可缺少的重要部分。履帶起重機(jī)安全監(jiān)控儀不但可以提高履帶起重機(jī)的安全性能，而且還可以提高履帶起重機(jī)工作時的效率。本文介紹了一種基于單片機(jī)C8051F040的履帶式安全監(jiān)控儀，實現(xiàn)了對履帶起重機(jī)狀態(tài)檢測、控制以及超限報警等常規(guī)功能，并且具有點陣LCD中文、圖形顯示和超載記錄等功能。利用它可以提高起重機(jī)的自動化程度、控制精度和操作安全性。
      1 系統(tǒng)的組成及主要功能
該力系統(tǒng)主要由拉力傳感器、角度傳感器、測量及數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)等組成。安全監(jiān)控裝置多安裝在履帶式起重機(jī)吊鉤前的起升繩上取力，但傳感器安裝在鉤前不但會影響到起重機(jī)的正常工作，而且起重機(jī)也容易被損害。本文采用在履帶起重機(jī)的變幅繩上取力，既消除了上述因素的影響, 同時也解決了變幅繩上取力時吊臂重量及角度對取力的影響。
      根據(jù)測量到的臂的角度和當(dāng)前工況，計算工作幅度，利用插值算法的帶當(dāng)前額定載荷，同時通過測量到變幅力，計算當(dāng)前實際載荷。當(dāng)實際載荷小于相應(yīng)工況下的額定值時，LED 顯示報警裝置顯示白色，起重作業(yè)正常；當(dāng)實際載荷大于相應(yīng)工況下額定值的90%時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，并且報警裝置顯示黃色；當(dāng)實際載荷大于相應(yīng)工況下額定值并小于額定值的110%時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，并且報警裝置顯示紅色，同時應(yīng)切斷上升和幅度增大方向的電源，但機(jī)構(gòu)可做下降和減小幅度方向的運(yùn)動；當(dāng)實際載荷大于相應(yīng)工況下額定值的110%時，系統(tǒng)立即切斷工作電源。LED顯示器顯示工作幅度以及載荷等信息。實時數(shù)據(jù)記錄芯片記錄非正常狀態(tài)下的載荷值以及超載信息等相關(guān)數(shù)據(jù)。

 圖1 硬件組成

       2 硬件電路
       系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，包括傳感器、c8051f040單片機(jī)、鍵盤輸入、復(fù)位電路、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲、報警制動電路、液晶顯示等部分。
       2.1 數(shù)據(jù)采集通道
       數(shù)據(jù)采集通道中使用拉力傳感器、角度傳感器。拉力傳感器采用BROSA-0111，此用在提升設(shè)備、起重機(jī)（安在繩索上）、傳輸機(jī)以及一般機(jī)械工程中，安裝簡單；而角度傳感器都采用BROSA-0802，此傳感器是絕對角度傳感器，用于液壓升降臺、挖掘機(jī)、裝載機(jī)和行走式起重機(jī)，安裝簡單。拉力傳感器和角度傳感器分別采集變幅繩拉力和主臂仰角信號，由于該兩款傳感器輸出信號都是標(biāo)準(zhǔn)4~20mA電流信號，所以通過I/V轉(zhuǎn)換電路即可轉(zhuǎn)換為適合單片機(jī)的0~2.5V電壓信號，最后將電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
      C8051f040單片機(jī)內(nèi)部集成了8路12位的AD轉(zhuǎn)換模塊，它具有轉(zhuǎn)換速度快、精度高及讀取方便等特點。拉力傳感器和角度傳感器信號分別送入IN1和IN2，經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路后，再送入AD的AIN0.0和AIN0.1，將模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
      系統(tǒng)中拉力傳感器與微控制器的接口電路為一電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。設(shè)計的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖如圖2所示。
      設(shè)圖中W1阻值為X，輸入電流為IN1，輸出電壓為AIN0.0，則： 

要求：
輸入電流范圍：4～20mA
輸出電壓范圍：0～2.5V
按照要求利用上面的公式代入各值可得如下式子： 

以IN2為輸入，AIN0.1為輸出的轉(zhuǎn)換電路與上述電路相同，在此只以一路為例介紹。

       2.2 數(shù)據(jù)存儲
       在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常需要保存一些數(shù)據(jù)，即使在系統(tǒng)掉電后，也不丟失。本儀器中需要保存起重機(jī)的工況參數(shù)、傳感器的標(biāo)定系數(shù)和起重機(jī)過載時的記錄數(shù)據(jù)。這里采用兩種數(shù)據(jù)存儲方法。
       2.2.1 FLASH數(shù)據(jù)存儲
      在此選用SAM SUNG公司采用CMOS浮置門技術(shù)和與非存貯結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的大容量、高可靠性的非易失性閃速存貯器K9F5608U0A。其主要特點是儲存的數(shù)據(jù)可在線修改，并能在斷電的情況下保持修改的結(jié)果。該器件所提供的片內(nèi)控制器、狀態(tài)寄存器和專用命令集使其可以靈活應(yīng)用于各種存儲系統(tǒng)電路，其8位I/0端口可以方便地實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和命令的多路復(fù)用，這樣不但大規(guī)模降低了引腳數(shù)，而且便于系統(tǒng)今后擴(kuò)充存貯容量而不需改變系統(tǒng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計。
       2.2.2 U盤存儲

       采用即插即拔設(shè)備U盤來保存數(shù)據(jù)，U盤可以隨時移動，數(shù)據(jù)可以通過PC讀出和修改。在USB接口上可以插U盤，單片機(jī)可以讀取保存在U盤上的起重機(jī)載荷特征曲線，也可以把存儲在FLASH中的超載數(shù)據(jù)保存到U盤上。另外，可以擴(kuò)展其他功能使用，例如，U盤可以存儲起重機(jī)故障信號。
       本系統(tǒng)中采用南京沁恒公司的CH375專用USB控制芯片。CH375是一個USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機(jī)方式和USB-SLAVE設(shè)備方式。CH375的USB主機(jī)方式支持各種常用的USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)可以通過CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通訊。CH375還內(nèi)置了處理Mass-Storage海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，外部單片機(jī)可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB存儲設(shè)備（包括USB硬盤/USB閃存盤/U盤）。

圖2 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖

       2.3實時時鐘模塊的電路設(shè)計
       本儀器具有超載數(shù)據(jù)記錄功能，以供曰后起重機(jī)故障分析或維修保養(yǎng)使用。超載記錄的數(shù)據(jù)除了起重機(jī)作業(yè)時的一些參數(shù)外，還必須提供數(shù)據(jù)記錄的時間，因此本儀器應(yīng)能提供時間信息，如年、月、日、時、分。
       串行實時時鐘芯片S-3530A就是一種支持I2C總線接口的串行CMOS實時時鐘芯片，具有計時精準(zhǔn)、功耗極低、與外圍電路連接簡單等特點，芯片內(nèi)部集成的RAM能夠存儲一定的數(shù)據(jù)，可以用來保存系統(tǒng)所需的常數(shù)，使用方便，可靠性很高。
       2.4 報警、顯示電路
       當(dāng)超載情況發(fā)生時，報警電路做出及時報警動作。系統(tǒng)的顯示部分要求在正常工作狀態(tài)時以圖形形式實時顯示主臂長度、主臂仰角、工作幅度、實際起重量、額定起重量、力矩質(zhì)量百分?jǐn)?shù)等工作參數(shù)測數(shù)據(jù)，即要求顯示器件可以顯示字符、漢字和圖形。采用的LCD顯示器是北京迪文科技有限公司生產(chǎn)的液晶顯示器M600，該顯示器具有640 ×480 點陣的寬大屏幕，支持圖形、字符混合顯示，便于設(shè)計出友好的操作界面。

       3 軟件設(shè)計
       軟件設(shè)計是安全監(jiān)控保護(hù)裝置的重要內(nèi)容之一，采用C語言進(jìn)行模塊化軟件設(shè)計。軟件功能模塊見圖3所示。
       程序運(yùn)行時，安全監(jiān)控儀首先進(jìn)行程序自檢及初始化，然后對模擬信號進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)換，將采集的數(shù)據(jù)實時顯示在LCD 上；如果實測起重力矩超載，軟件會根據(jù)所采集的信息，輸出聲音報警或光報警或強(qiáng)制停機(jī)等信號；軟件具有記錄超載數(shù)據(jù)的功能；通過鍵盤輸入，顯示超載數(shù)據(jù)。

       4 結(jié)論
       這種安全監(jiān)控裝置經(jīng)過嚴(yán)格的實驗室模擬測試，性能表現(xiàn)良好，達(dá)到了設(shè)計要求，可以準(zhǔn)確地反映出履帶起重力矩特性，并準(zhǔn)確地對履帶起重量和變幅幅度進(jìn)行控制，對履帶起重機(jī)的安全工作起到了很好的保護(hù)作用并提高了工作效率，有效地預(yù)防了事故的發(fā)生。 

圖3 軟件功能模塊

       參考文獻(xiàn)
     【1】潘琢金. C8051F040/1/2/3/4/5/6/7高速混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[Z].新華龍電子有限公司
     【2】CH375中文手冊(一)[Z]. 南京沁恒電子有限公司
     【3】 凌六一.串行實時時鐘芯片S一3530A及其在5 1單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].外圍電子元器件.2004(10).45-47
     【4】胡文山,周洪,吳邦春. 履帶式起重機(jī)的變幅力矩限制器[J].起重運(yùn)輸機(jī)械.2004(12).19-21
     【5】呂忠科.張元良.U盤在起重機(jī)安全監(jiān)控儀中的應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械.2008(12).24-28
     【6】高繼勇.MCS-51單片機(jī)汽車起重機(jī)安全報警保護(hù)裝置的研制[J].河北工學(xué)院學(xué)報，1995(1)，1-5
     【7】 李華.MCS-51系列單片機(jī)實用接口技術(shù) 北京航空骯天大學(xué)出版社，1993

      作者簡介：
      賈云芳，女,1984-11，太原科技大學(xué)研究生 控制理論與控制工程專業(yè)
      手機(jī): 13453142153
      Email:jiayunfang2006@126.com
      聯(lián)系方式：太原市萬柏林區(qū)窊流路66號 太原科技大學(xué)633#信箱  聯(lián)系人：賈云芳
      郵政編碼：030024