起重机智能“黑匣子”的设计
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摘要：起重量智能监控仪以实现起重机监控、维护、管理一体化的功能，是起重机在以后重要的安全保护装置之一，智能监控仪开发基于起重量限制器功能的基础上进行功能扩展，融入液晶显示技术，微机接口技术，智能单片机控制技术，串口通信技术，芯片存储技术完成对起重设备的全程监护记录和报警保护工作
关键词：自动监控管理 单片机AT89C52 起重量限制器
中图分类号：TP368.12 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-0153-02
随着我国现代化建设不断推进，工业大发展，起重机械在各个领域越来越发挥着重要的作用。然而由于起重机使用环境恶劣、工况复杂、操作人员水平不一，起重机每年都有发生各类事故，给安全高效生产带来了隐患，迫切需要起重设备更加智能化的，保证起重机安全、高效运行，起重量智能监控仪的设计开发正是解决这个问题。飞机上装有俗称“黑匣子”的智能记录仪，能对飞机飞行的各个状态参数进行记录和监控，在发生故障和危险时发出报警，从而保证飞机的运行安全。本智能监控仪的功能设计模仿了飞机上的“黑匣子”功能，在起重机运行过程中对起重量、各安全机构状态进行监控和记录，当发生起重机超载和安全机构动作时发出报警和记录，采取相关全措施，从而保证起重机的运行安全。
1 智能起重机监控仪的系统原理及组成
1.1 起重机监控仪的系统原理概述
起重机起吊重物时，由电阻应变片式称重传感器检测后，将实物重量线性化转换成模拟量电信号（0-20mv），电信号送到放大器放大（0-5V），通过滤波电路去除高频信号和谐波信号，然后输入到模数转换芯片转换，把模拟电压信号转换成数字信号；数字信号被高速单片机采集到内部存储器保存，通过数值运算得出起重量值，通过液晶显示程序和液晶显示电路显示起重量值；当起重量数值超过程序设定的报警值时，单片机驱动显示程序和报警程序，监控仪发出声光报警；当起重量数值超过程序设定时发出报警同时立即切断起重机起升电源，防止超载事故的发生，单片机会将报警时间和事故类型保存至存储芯片，需要时可调取监控记录进行管理。起重机监控仪在监控起重量时，同时对吊钩起升限位和起升继电器的状态进行检测和监控，当起升限位动作时而起升继电器不断开时立即报警，同时切断起升电源，防止冲顶事故的发生。单片机会记录各个故障事件发生的时间、故障代号，日后可调取监控记录进行管理。通过对安全机构的状态监控和记录，从而达到对起重机监控、维护、管理一体化的目标。
1.2 起重机监控仪的系统组成
起重机监控仪以单片机为核心，由硬件和软件两大系统组成。硬件系统包括传感器模块、信号放大转换模块、单片机控制模块、液晶显示模块、按键模块、信息存储模块、声光报警模块、电源模块模块组成。软件系统由液晶显示模块、信息存储模块、自检模块、按键检测设定模块、数值运算比较模块、中断响应模块六大模块组成。软件系统和硬件系统相辅相成，合为一体，构成整个系统。
1.3 系统构成总图
系统的原理框图如图1所示。
1.4 系统主要技术参数
适用范围：1～50吨各类起重机；
综合误差：≤±5%；
显示误差：≤±3%；
动作误差：≤±3%；
报警点的设定：
（1）预报警点：额定起重量的90%；
（2）延时报警点：额定起重量的105%；
（3）立即报警点：额定起重量的110%；
延时报警时间：1～2秒；
传感器过载能力：1.5倍；
使用环境条件：-10℃～+50℃ 90%RH；
电源电压：380V-15%（+10%） 50HZ
传感器防护等级：IP65；
电器控制箱防护等级：IP42。
2 智能起重机监控仪的硬件系统设计
2.1 电源模块
电源模块给起重机监控仪供给符合电路要求的电源电压。监控仪中有各种电路，对电源点要的要求也不一。单片机的电源是5V直流电，传感器的电源要求是+6V和-6V直流电源，放大电路电源是+6V和-6V直流电源，液晶显示器的电源是+5V直流电源。电源电路输入电压为起重机三相电源相电压380V，经过变压器变压成8V交流电。8V交流电经过整流桥整流成直流电，直流电通过直流稳压芯片7805得到标准直流+5V电压。直流+6V和-6V电压由8V交流电通过整流桥和稳压芯片7806和7906得到稳定的+6V和-6V直流电源。
2.2 传感器模块
起重机监控仪采用起重量传感器类型有多种，根据起重机结构形式的不同，测量的位置也不同。电动单梁起重机一般采用卡式传感器，通用桥式和门式起重机采用的的类型LF型压式传器、轴承式传感器。虽型号不同但功能相同。这些传感器都是专门为工业用途而设计的，采用全密封结构，内充氮气。应变片选用环氧酚醛箔式电阻应变计，使用温度范围为-20～+60℃，具有精度高，长期稳定性好的特点。
2.3 信号放大转换模块
电阻应变传感器的输出电压为0～20mv的微电压无法进行转换和处理，因此需要进行通过放大器放大处理。放大电路用的是OP07，OP07是高精度低失调电压的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大。如果使用双电源，能达到最好的放大效果。
传感器输出的电压信号经过0P07PD放大为0～5V电压，电压输入到AD转换芯片进行模数转换。ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片由于它体积小，兼容性强，应用较为广泛。
2.4 单片机模块
单片机是整个起重机监控仪的核心，整个智能系统的运行都要依靠单片机的参与和工作。对数字信号的计算转换为起重量值，和预定值比较，驱动液晶显示器显示数据、图像，驱动报警电路发出声光报警等等功能的都是依靠单片机的程序运行的。单片机系统的运行稳定性直接影响到监控的正常工作。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。
2.5 液晶显示模块
起重机监控仪的输出部分采用液晶显示，液晶显示能显示文字、字符和图形，具有显示数据量大的特点，符合起重机监控仪输出信息多样化和智能化查询管理的要求，因此选用带中文字库的12864液晶显示器。通过液晶模块可显示起重机监控仪的工作状态，起重量的值，有无故障信号和故障记录查询等功能。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
2.6 按键模块
起重机监控仪的输入模块采用按键来实现，通过按下不同的按钮，实现不同的功能。可实现起重机监控故障记录查询，报警值设定，立即停止值设定，日期更改等相关功能。单片机AT89C52每隔一个运行周期就对按键进行扫描，当扫描到按键按下时则跳转到按键程序，执行相应的程序。按键设有“故障记录”“+健”“-健”“确定”“时间设定”“上翻”“下翻”“系统设定”。
2.7 信息存储模块
起重机在运行时发生故障或误操作发生超载、冲顶、互撞时，监控仪会发出报警同时对发生事件进行记录。记录的保存依靠存储芯片24C02。24C02芯片串行E2PROM是基于I2C-BUS 的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点。
2.8 声光报警模块
监控仪在发现起重机出项故障和发生危险事件时发出声光报警。声光报警顾名思义是运用声音和光进行报警。报警装置为蜂鸣器和红色报警灯。当起重机发生危险事件时，监控仪拉响蜂鸣器，红色报警灯亮起，提醒操作者。
3 智能起重机监控仪的软件系统设计
起重机智能监控仪的工作依靠硬件的正常工作，同时也依靠软件的正常运行。软件好比是人的大脑，完成一件事要什么步骤，先做什么再做什么，在突况下采取什么行动，这些在单片机的软件芯片上都得一一编写好。单片机按照预定的程序一步一步执行，所以软件的编写好坏直接影响监控仪的正常运行。监控仪的软件编写也按照模块化的方式来编写。软件系统由液晶显示模块、信息存储模块、时间读取模块、按键检测设定模块、数值运算比较模块、安全响应模块六大模块组成。单片机主流程图如下：
4 结语
在个各个模块的通力合作下完成着系统设定的各个功能，各系统相辅相成，缺一不可。完成对起重机运行的各个状态进行监控记录。相信起重机黑匣子的应用对起重机的运行起到很好的作用，为起重机的安全运行保驾护航，为社会建设发挥更大的作用。
参考文献
[1]学院出版社.《起重机械技术检验》.2000年第一版.
[2]机械工业出版社.《检测与转换技术》.2004年第二版.
[3]高等教育出版社.《电子技术基础》.2000年第四版.
[4]机械工业出版社.《单片机原理及应用》.2004年第二版.