基于Atmega128單片機的起重機力矩限制器設(shè)計

趙宏偉

摘 要：Atmega128是一款高性價比的單片機，通過內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器以及擴展的外圍電路，同時對力矩限制器長度、角度和測力信號進行采集，對采集到的數(shù)據(jù)進行計算、判斷處理，做出各種控制動作，具有較好的實時性，能夠滿足起重裝置安全保護性能要求。

關(guān)鍵詞：AVR單片機；實時性；數(shù)據(jù)采集

1 前言

力矩限制器作為起重裝置安全監(jiān)測的主要系統(tǒng)，其安全性、可靠性對起重裝置的作業(yè)安全起著致關(guān)重要的作用，本文介紹了一種基于Atmega128單片機系統(tǒng)的起重裝置力矩限制器。通過外圍傳感器對起重裝置多個工作狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測，由Atmega128單片機對所測得的傳感器信號進行實時處理，及時判斷設(shè)備工作狀態(tài)并適時發(fā)出報警信息的智能化設(shè)備。具有參數(shù)設(shè)置、實時狀態(tài)顯示、超限報警等功能。

2 工作原理

起重裝置在作業(yè)過程中的額定力矩是隨幅度和角度不斷變化的。在一定的幅度和角度范圍內(nèi)，起重裝置所能承受的額定力矩是一個定值；一般情況下，工作幅度變大，起重裝置所允許吊起的貨物重量就小。為確保起重裝置的作業(yè)安全，其工作最大起重力矩不得大于額定起重力矩。力矩限制器工作原理如圖1所示，長度、角度傳感器安裝在起重裝置基本臂上，起重重量檢測使用銷軸式測力傳感器。力矩限制器根據(jù)測得的起重裝置伸縮臂的伸縮長度和臂與地面的仰角A，計算出當(dāng)前起重裝置的工作幅度L，由安裝在鋼絲繩楔套上的銷軸式測力傳感器測得當(dāng)前貨物實際起重量G，實際起重量G乘以幅度L就是當(dāng)前起重裝置的工作力矩；通過預(yù)置于系統(tǒng)中的起重裝置額定力矩表，系統(tǒng)得出當(dāng)前幅度和角度下起重裝置允許起吊的最大重量和額定力矩，即額定載荷和額定力矩Mn。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由單片機Atmega128、數(shù)據(jù)采集通道、CAN總線接口、顯示器、報警輸出控制信號、長度傳感器、角度傳感器、銷軸式測力傳感器等組成。

3.1 Atmega128單片機

作為力矩限制器的核心部分，Atmega128單片機是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，使Atmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而緩解了系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。同時，通過其內(nèi)部自帶的8通道10位精度的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，以50ms的掃描周期對長度傳感器、角度傳感器和銷軸式測力傳感器輸入信號進行實時采集，具備實時性好、可靠性高、電路結(jié)構(gòu)簡單的特點。

3.2 數(shù)據(jù)采集通道

信號數(shù)據(jù)采集通道電路是系統(tǒng)采集外界信號的通道，它是被檢測信號與單片機聯(lián)系的橋梁，它的精度直接影響系統(tǒng)的性能。因此，在系統(tǒng)設(shè)計中信號采集電路的設(shè)計占了非常重要的地位。信號采集電路主要由I/V轉(zhuǎn)換和R/C濾波等構(gòu)成。

長度傳感器、主臂角度傳感器、銷軸式測力傳感器的輸出信號都是標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號，通過I/V轉(zhuǎn)換電路將傳感器電流信號轉(zhuǎn)換為適合Atmega128單片機的0～2.5V電壓信號，經(jīng)濾波電路濾波后，電壓信號經(jīng)單片機內(nèi)部集成的8通道10位的AD轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，進行數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)中傳感器與微控制器的接口電路為--電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

3.3 CAN總線接口

CAN總線是一種支持分布式控制或?qū)崟r控制的有效串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線規(guī)范目前已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)，并得到了大半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家如Motorola、Intel、Philips等公司的大力支持，各公司推出了各種集成有CAN協(xié)議的產(chǎn)品，使得CAN總線技術(shù)得以迅速推廣和應(yīng)用。

本設(shè)計CAN總線接口電路的控制部分采用了控制器SJA1000。SJA1000支持直接連接Atmega128單片機，通過SJA1000的MODE引腳選擇接口模式，實現(xiàn)Intel 模式地址/數(shù)據(jù)總線和讀/寫控制信號的連接，即使用Intel對SJA1000的Vdd1～Vdd3電源輸入腳，外接上驅(qū)動+5V電壓；而Vss1～Vss3輸出接地。設(shè)計中，對SJA1000提供16Mkz的晶振。電路設(shè)計如圖4所示

3.4 數(shù)據(jù)存儲

本設(shè)計中采用了FLASH數(shù)據(jù)存儲模塊即非易失性閃速存貯器SST25VF512A，該存儲模塊是采用CMOS浮置門技術(shù)和與非存貯結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的大容量、高可靠性存貯器件。可以完成對起重裝置的工作時間、設(shè)備參數(shù)、作業(yè)過載狀態(tài)、設(shè)備及系統(tǒng)故障的數(shù)據(jù)信息進行保存，即使在系統(tǒng)掉電后，數(shù)據(jù)也不會丟失。

3.4.1 SST25VF512A的主要特點

單電壓讀寫操作：2.7～3.6V。

串行接口架構(gòu)：SPI兼容 模式0和模式3。

高速時鐘頻率：50MHz。

卓越的可靠性：耐力100000周期；大于100年的數(shù)據(jù)保存期。

低功耗：有效讀電流7mA；待機電流8Ua。

靈活的擦出功能：統(tǒng)一的4K字節(jié)擦除；統(tǒng)一的32K字節(jié)覆蓋擦除。

3.4.2 SST25VF512A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.4.3 SST25VF512A與 Atmega128 的接口電路

3.5 顯示器

本設(shè)計采用的系統(tǒng)顯示器為帶CAN總線接口的顯示器，顯示器帶鍵盤、顯示模塊、蜂鳴器、報警指示燈。顯示器通過CAN總線接口與主控制器連接，進行數(shù)據(jù)通訊；通過顯示器鍵盤，可以完成設(shè)備參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)時間設(shè)置等設(shè)置功能；顯示器顯示模塊可以實時顯示主控制器發(fā)送的主臂長度、主臂仰角、最大起重高度、工作幅度、實際起重量、額定起重量、力矩百分比等起重裝置的實時工作參數(shù)；蜂鳴器和報警指示燈，可根據(jù)主控制器發(fā)出的報警狀態(tài)輸出報警信號。

4 結(jié)束語

本力矩限制器設(shè)計采用Atmega128位單片機，實現(xiàn)了對設(shè)備數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)處理，提高了起重裝置的作業(yè)安全性，實現(xiàn)了對起重機設(shè)備實時安全監(jiān)控及保護功能，滿足起重裝置安全保護的使用要求。

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（作者單位：長治清華機械廠）