（光学工程专业论文）汽车起重机全力矩限制器的研制.pdf

中国农业大学硕士学位论文摘要 摘要 汽车起重机是一种机动灵活、操纵方便、工作可靠的起重设备，应用广泛。由于汽车起重机 作业的特殊性，必须确保在任- - i 况下的起重力矩不得超过所对应的额定力矩，因此，汽车起重 机必须安装安全保护装置。 本文基于i n t e l1 6 位单片机8 0 c1 9 6 k c 技术，开发汽车起重机全力矩限制器。所研制的垒力 矩限制器能够实时监测汽车起重机的工作参数，按照起熏性能曲线自动控制起重作业，并将数据 显示在l c d 上；当实测起重力矩超过相应工况下的额定力矩时，l e d 显示报警装置点亮红色的 l e d ，并进行声音报警和强制停机：全力矩限制器采集监控安全方向的开关信号，以监控起重机 向不安全方向运动。当起重机的力矩达到临界点，如起重机继续向不安全方向运动，则全力矩限 制器自动控制起重机液压系统的电磁液动阀卸荷，强制停机，此时，只允许液压执行机构朝安全 方向运动。为防止卷扬机出现过卷情况。全力矩限制器定时查询卷扬行程开关信号，一旦出现过 卷情况，自动停止向上卷扬。此外，全力矩限制器还能自动记录超载状态下的工作参数以及相应 的时问，数据存储在时钟芯片的r a m 内；断电后，全力矩限制器仍能保护数据安全。 为保证全力矩限制器正常工作，系统具有故障自诊断功能，当发生故障时，故障以代码的形 式在l c d 显示。 所研制的全力矩限制器符台国家有关的技术标准，通过改变软件参数和传感器的测量范围， 可运用丁- 不同型号的汽车起重机。 关键词：1 6 位单片机，全力矩限制器，数据存储，安全性 中国农业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ec r a n ei su s e dw i d e l yi na g r i c u l t u r ea n di n d u s t r y w h e na na u t o m o b i l ec r a n ei s w o r k i n g t h eo p e r a t o rm u s ta s s u r et h a tt h ea 嗡i ss a f ea n da c e r t a i np r o t e c t i o nd e v i c em u s tb ei n s t a l l e d t op r o t e c tt h ea u t o m o b i l ec r s n e t h ep a p e re x p l a i n st h er e s e a r c ho nt h el i m i t e rf o ra l la u t o m o b i l ec r a n eb a s e do ni n t o lm c s 9 6s e r i a l 1 6b i t ss i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r t h o s ep a r a m e t e r sa r ec h e c k e di nr e a lt i m ew h i l ea na u t o m o b i l ec r a n e i sa tw o r k t h ed a t at h a ti n c l u d et h ei n f o r m a t i o no fw e i g h ll e n g t h ，a n g l ea n dr a d i u se t c c a nb e d i s p l a y e do nl c d t h er e dl i g h tw i l lb el i g h t e df r o mt h el e da n dt h es y s t e mw i l la l a r mo rf o r c et h e m a c h i n et os t o pi ft h em e a s u r e dm o m e n te x c e e d st h em o m e n to ft h es e t t i n gv a l u e s t h ed i r e c t i o ni s c h e c k e di no r d e rt oj u d g et h a tt h em o m e n ti si n c r e a s i n go rr e d u c i n g t h em a c h i n ew i l lb es t o p p e db y f o r c ei f t h ec r a n et e n d st or e v o l v et o w a r d sd a n g e r o u sd i r e c t i o n t h ec r a r l cw i l lw o r ko n l yw h e ni tt e n d s t or e v o l v et o w a r d ss a f ed i r e c t i o n a l s ot h eu p w a r ds w i t c ho ft h ew i n d i n ge n g i n ec a nb ec h e c k e db y t i m e r i f t h es w i t c hi so n ，t h el i m i t e rw i l la l a r ma n ds t o pt h em a c h i n eb yf o r c e t h el i m i t e rc a ns t o r ed a t a t h a ti n c l u d et h ev a l u eo f w e i g h t , l e n g t h ，a n g l e ，r a d i u sa n dt i m ew h e nt h ec r a n ei ss t o p p e d ，a n da l s ot h e d a t ac a nb em a i n t a i n e ds a f e l yw h e nt h ep o w e rs u p p l yi so f f t h ef u l lm o m e n tl i m i t e rh a sam o d u l ef o rs e l f - d i a g n o s i s w h e ni td o e sn o tw o r kn o r m a l l y , t h ec o d e o f e r r o rc a nb ed i s p l a y e do nl c d t h ef u l lm o m e n tl i m i t e rh a sb e e nt e s t e da n dp r o v e dq u a l i f i e do nt h es p o t i tc a nb ea d a p t e dt ot h e d i f f e r e n ts e r i a la u t o m o b i l ec r a n eb yc h a n g i n gt h ep a r a n l e t e mo f s o t h c a r ea n ds e o s o r s k e yw o r d s ：1 6b i t ss i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , f u l lm o m e n tl i m i t e r , d a t as t o r a g e ，s a f e t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：尊寺撕 时间： - o - 。5 年f 月工1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保l 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段t 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：j 荦午佩时间：k j 年1 月21 日 导师签名：象脒时间：击。f 年，月叫日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题介绍 第一章绪论 全回转伸缩臂式汽车起重机，是一种机动灵话、操纵方便、工作可靠的起重设备，广泛应用 在冶金、机械、电力、建筑、采矿、化工、造船、港口、铁路、农业、林业和国防等领域，在国 家的经济建设中，发挥着重要作用，尤其适合在公路抢险、仓库、车站、码头及工地作业。更能 发挥其特长。由于汽车起重机作业的特殊性，操作人员必须确保在任一工况下的起重力矩不得超 过所对应的额定力矩，并确保起重机的卷扬机在卷扬上升时，不发生过卷( 吊钩与臂杆发生碰撞) 。 否则，可能发生汽车起重机的钢丝绳断裂。臂杆弯曲、断裂，甚至起重机倾覆等危险，造成人员 以及财产的损失。据有关资料统计，目前我国各个行业发生的起重机械作业的伤亡事故约占全部 伤亡事故的2 0 - 3 0 。因此，汽车起重机必须安装安全保护装置。 作为汽车起重机的安全保护装置的限制器，主要有卷扬行程限制器、起重量限制器、机械式 力矩限制器、全力矩限制器等几种类型。 卷扬行程限制器主要保证起重机的卷扬机在卷扬上升过程中不发生吊钩与臂杆碰撞，防止吊 钩继续上升时拉断钢丝绳，导致货物、吊具坠落伤人。 起重量限制器能够检测所吊运的物体的重量，当实际起重量超过相应工况下的额定重量时， 报警或强制停机，保护起重机的安全。 机械式力矩限制器是通过齿轮、凸轮、行程开关、电机、机械式指针等组成一个机械式系统， 模拟计算吊运物体的力矩，操作人员必须不停地聋询起重性能曲线，以判断此时的载荷、工作幅 度是否符台要求，其工作繁琐且工作量大，容易造成判断失误，工作效率低下。 全力矩限制器是汽车起重机的主要安全保护装置之一，国标g b 7 9 5 0 1 9 9 9 臂架型起重机起 重力矩限制器通用技术条件、g b l 2 6 0 2 - 9 0 起重机械超载保护装置安全技术规范对起重机力 矩限制器、起重量限制器的殴计、技术性能、实验等各种因素提出了明确的要求。 全力矩限制器使操作人员能够根据限制器的提示进行起重作业，根据预先设定的程序控制起 重机报警或强制停机。操作人员不必查询起重性能曲线，全力矩限制器能够将所吊运的物体的重 量、臂杆的长度、臂杆角度以及工作幅度等时刻变化的工作参数显示在l c d ( 液晶显示器) 或l e d ( 发光二极管) 显示器上。操作人员能够实时监控起重作业。根据所显示的数据指导起重作业， 可以准确判断时刻变化的起重机作业状态，将操作人员从繁琐的劳动中解脱出来，大大提高了工 作效率并确保起重机安全。 随着电子技术以及传感器技术的发展，汽车起重机全力矩限制器已具备较高的智能化水平， 它是防止过载的电子控制系统，集电子技术、传感技术、单片机技术、起重机技术为一体的机电 化智能产品。当实测起重力矩达到相应工况下额定力矩的9 0 时，进行声光预报警；当实测超重 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 力矩超过相应工况下额定力矩时，全力矩限制器将自动保存相关超载数据( 实测起重量、臂杆长 度、臂轩角度和工作幅度，以及所对应的时间) ，进行声光报警，同时限制器采集监控安全方向 的开关信号，以监控起重机向不安全方向运动( 臂杆伸长、幅度增加、货物上升以及这些动作的 组合) ：当起重机的力矩达到临界点，如起重机向继续向不安全方向运动，则全力矩限制器自动 控制起重机液压系统的电磁液动阀卸荷，强制停机，但允许起重机朝安全方向运动( 臂杆缩回、 幅度减少、货物下落以及这些动作的组合) 。为防止卷扬机在卷扬上升过程中出现过卷情况，全 力矩限制器定时查询卷扬行程开关信号一旦出现过卷，自动停止向上卷扬。l e d 显示报警装置 用点亮l e d 灯的个数表示实测起重力矩占额定力矩的百分比。全力矩限制器具有故障自诊断功 能，当全力矩限制器发生故障时，会将错误代码显示在l c d 或l e d 显示器上，操作人员可以采取 相应的措施处理事故。 1 2 全力矩限制器研制的国内外现状 1 2 1 国内研究现状 目前国内研制起重机力矩限制器厂家有北京电脑技术应用研究所、大连工程机械研究所、武 汉水利电力大学、宜昌蓝普自动化控制有限公司、张家港江南电子厂、徐州派特技术有限公司等 多家单位。其中北京电脑技术应用研究所自上世纪八十年代开始研制力矩限制器，采用日本多田 野( t a d a n 0 ) 8 0 年代技术开发的b q l 系列起重机全自动限制器，已经为国内多家起重机生产厂的 五十多种型号的汽车起重机配套，并且已经安装在从日本、德国、美国、英国、捷克、波兰、芬 兰等国家进口的起重机上，累计安装两千多台。大连工程机械研究所开发的a m l u - 1 系列起重机 全自动力矩限制器采用了p h i l l i s 公司的高性能8 位单片机作为主机，系统设置有自检程序，能 够帮助操作人员及时发现故障，动态显示起重机工作幅度、臂杆角度、额定起重量、实际起重量、 负荷百分率，能自动声光报警并切断起重机向危险方向运行的电源。宜昌蓝普自动化控制有限公 司研制了起重机微电脑力矩限制器l p i i 型，整个系统由重量传感器、角度传感器、全液晶中文 点阵图形显示模块、电源模块、控制系统等部分组成，它们之间通过屏蔽电缆联接，显示实际起 重量，额定起重量，工作幅度，臂杆角度等数据，并能显示起重机各种工况曲线表，具有较好的 人机对话界面，具有声光报警、自动控制的功能。具有时钟功能和违章记录功能，但l p 型力矩 限制器的外形尺寸较大。张家港江南电子厂生产的z l x i 类型的力矩限制器，主要用于各种履 带式、轮胎式汽车起重机上，在一个l c d 显示吊重重量、臂杆长度、臂杆角度、工作幅度的信息， 能够报警或强制停机。徐州派特技术有限公司引进德国技术制造的d s 8 5 c a n 总线起重机全自动 力矩限制器，每个传感器作为c a n 总线一个节点，简化了传感器的安装，带有c a n 总线的p a t 传 感器，可以满足不同伸缩长度起重机的需求，空载力矩可通过显示器面板按键进行调校，适用于 不同型号的汽车起重机。其安装、调试方便，显示参数有工况、倍率、幅度、臂杆长度、晟大起 升高度( 分度值o 1 m ) 、角度( 分度值o 1 。) 、实际重量、额定起重量( 分度值0 1 吨) 。此外， 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 该公司研制的d s l 2 0 可编程超载保护系统，通过p c 机可以将所有的配置和预设的限值进行编程 使用各种标准的传感器( 重量、压力、角度、长度等) 记录测量值数据，进行数据处理；传感器 和输入数据可进行自检处理，数据能够进行非线性处理，具有外部显示接口，主要用于桥式起重 机、集装箱起重机、龙门式起重机以及港口和建筑行业中等等。 1 2 2 国外研究现状 国外目前对起重机的安全保护已经不限于监控载荷、力矩限制等基本功能，而是全方位对起 重机械进行监控。德国研制的起重机控制系统，能够针对货物的运输条件，经过系统的逻辑设计 和数据处理，采用专用的计算机软件( 该软件可以编制起运计划、模拟使用环境、确定吊运目标、 起吊动作程序、设定操作过程等) ，采用模糊控制技术来监控整个调运工作过程：起重机控制系 统通过摄像数据的采集，运用模糊控制和专家系统，经过计算机的数据处理，能根据负载和现场 的风速确定最佳吊装方案，并能够解决调运过程中的摇摆问题，真正实现智能化。另外，控制系 统具有完善的系统自诊断功能，能够提供大部分的常规检查内容，如钢丝绳状况、减速器油温、 油位、车轮轴承温度、发动机负荷、起重机负荷以及应力和振动情况等。 日本研制的移动式起重机防碰撞系统应用在汽车起重机上，该防撞系统利用激光构成防护区 域对进入防护区域的物体进行监测，从而起到保护作用。具体做法是将高速激光扫描传感器安 装在起重机的臂杆上，通过测定激光反射线，对物体进行监测；激光的测量距离最大能够达到5 0 米，测定范围为0 0 1 0 0 0 ，精度达到厘米级，可监测任何物体，只使用1 台扫描传感器可设定一 个监测面，该防碰撞系统还具有自诊断功能。 无线遥控的起重机在冶金、化工、电力等作业环境恶劣的行业得到广泛运用。工作时，操作 人员可以离开驾驶室走到地面，工作效率和安全性能都得到提高，但失去了室内操作时对吊重的 直接感觉可能导致起重机的超载现象频繁发生，甚至引发严重事故。德国i - i b c 公司的m a r k e 全力矩限制器可以监控起重机的吊重情况，发现超载情况时，可以通过起重机电气控制柜和遥控 接收机的接口对起重机的危险方向进行限制。与传统限制器的相比，m a r ke 的滞后作用、起动 延时和输入信号过滤能有效防止动能冲击引起的超载误判。由于采用遥控技术，使得调试得以在 安全位置进行，消除了传感器在固定点调试可能引发的危险。m a r ke 全力矩限制器与负载传 感器之间的有效通讯距离长达1 0 0 米。英国研制的起重机采用无线遥控技术，各种工况的起重机 作业信息可以在远程控制机上显示，操作人员可以遥控控制起重作业，危险程度大大降低，自动 化程度提高。 1 3 课题研究意义 目前国内使用的进口汽车起重机多以日本制造为主，例如k a t o 、t a d a n o 等厂家，早期所 配备的全力矩限制器由于使用时间过长，大多数报废或不能正常使用，进口的全力矩限制器价格 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 较贵：并且起重机使用一段时间之后会出现臂杆变形、臂杆磨损严重、液压系统泄漏等问题，造 成鞋个力矩限制器系统测量不准，计算误差较大，达不到准确控制起重机的目的，也无法安全保 护起重机。国内的全力矩限制器多采用8 位单片机，1 片l c d 或1 组l e d 显示额定重量、实测熏 量、臂杆长度、臂杆角度、工作幅度5 个参数的数据，由于数据变化频率大，在繁忙的起重作业 过程中，操作人员需要不停地观察不断变化的数据，来判断力矩是否超载，增加了操作的不安全 性。 本课题采用了1 6 位单片机技术来研制汽车起重机的全自动力矩限制器，数据处理能力增强， 提高了起重机操作的安全性。根据人机工程学的原理，设计全力矩限制器控制面板，绘制起重作 业的示意图，采用5 个l c d 分别显示额定重量、实测重量、实测臂杆长度、臂杆角度、工作幅度 5 个参数，将5 个l c d 分别安装在起重机示意图相应的部位，例如，实测所吊物体的重量的l c d 安装在起重机示意图的吊钩部位，测量臂杆角度的l c d 安装在起重机示意图的转动平台与转动臂 杆之间的部位，便于操作人员观察起重机的工作状况；在l e d 显示报警装置中，用点亮l e d 的 个数表示实测起重力矩占额定力矩的百分比，操作人员能够很直观地观察时刻变化的起重机作业 状态：所研制的全力矩限制器自动记录超载状态下的数据。 1 4 课题研究内容 ( 1 ) 全力矩限制器工作原理的研究 全力矩限制器的控制对象是汽车起重机，根据汽车起重机的工作特征，分析汽车起重机 的工作参数和起重性能曲线；根据全力矩限制器的工作原理，设计全力矩限制器的系统结构： 由传感器与主控制器组成；根据国标要求，介绍两种计算额定起重量的两种方法：厂家推荐 的方法与回归分析方法。 ( 2 ) 全力矩限制器的硬件设计 根据全力矩限制器的系统组成，设计重量、长度、角度传感器信号的放大、滤波电路， 行程开关信号隔离的数字信号处理电路和数据处理的c p u 电路；为读出存储在时钟芯片r a m 内的超载信息，设计键盘接1 3 电路；为实时显示工作参数，设计l c d 接i ：1 电路；按照国标要 求：全力矩限制器需要声光报警，设计l e d 显示报警电路和控制蜂鸣器报警电路以及控制起 重机液压系统的电磁液动阀电路。 ( 3 ) 全力矩限制器的软件设计 在设计的硬件基础上，进行软件编程，将采集的模拟量进行a d 变换，并将数据显示在 l c d 上；为保证系统的正常运行，设计自检模块；当全力矩限制器监测到起重机超载时，把 超载状态下的数据存储在时钟芯片的r a m ；按照设计要求，系统查询存储在e p r o m 的起重性 能数据，分析、判断是否需要输出控制信号；系统具有自诊断功能。 ( 4 ) 全力矩限制器的调试 4 中国农业大学硕士学位论文第章绪论 全力矩限制器的调试包括硬件调试、软件调试以及脱机运行，按照g b 7 9 5 0 - 1 9 9 9 臂架 型起重机起重力矩限制器通用技术条件的要求，全力矩限制器的系统的综台精度为5 ， 所以，对研制的全力矩限制器应进行试验，并且对重量、长度，角度传感器进行标定。 中国农业大学硕士学位论文 第二章全力矩限制器结构与工作原理 第二章全力矩限制器结构与工作原理 全力矩限制器的控制对象是汽车起重机液压系统的电磁液动阀，全力矩限制器一般由传感器 和主控制器组成，传感器负责测量汽车起重机的工作参数，主控制器处理传感器采集的数据，根 据起重机的起重性能曲线自动控制起重作业。全力矩限制器形状、尺寸，应与汽车起重机的安装 位置相匹配。控制面板的设计应符合人机工程学原则。 2 1 汽车起重机的结构 汽车起重机在起重作业时，作业循环通常是起吊一回转一卸货一返回，其主要组成部分是起 重装置( 完成货物的提升和降落作业、臂杆伸缩和变幅等) 、回转装置( 完成臂杆的转动动作) 、 传动装置( 动力由发动机到起重装置和回转装置的传动机构) 、行走装置( 包括汽车的底盘、汽 车驾驶室、支腿装置) 。 起重装置安装在转台上，称之为上车；转台以下的运载车部分( 包括支腿) 称之为下车。 2 2 汽车起重机的工作参数 1 、臂杆角度日：指臂杆中心线与水平线的夹角口，如图2 1 所示。 图2 - 1 工作幅度计算方法 2 、l = 作幅度r ：指回转中心与吊钩中心之间的水平距离，随着工作幅度的变化，额定起重 量也发生变化，工作幅度r 的计算见图2 - 1 ，r = r l r ，式中r 为工作幅度，m 为臂 杆铰点与吊钩中心之间的水平距离，为臂杆铰点与回转中心之闻的水平距离。 6 中国农业大学硕士学位论文第二章全力矩限制器结构与工作原理 3 、起重稳定性系数虹表示汽车起重机起重作业时能否翻倾的参数，2 老，式中孵为 汽车起重机自身重量产生的恢复力矩，睨，为货物重量产生的翻倾力矩，为了保证汽车 起重机的安全工作，稳定性系数t 应不小于1 4 。 4 、额定起重力矩蚝：额定起重量与相应工作幅度的乘积，额定起重量为翻倒载荷重量的 7 8 。 5 、实测起重力矩肘：；实测起重重量与相应工作幅度的乘积 6 、过卷：起重机的卷扬机在卷扬物体上升时，吊钩与起重机的臂杆发生碰撞。 7 、起重性能参数：表示起重量和起重高度随臂杆长度和工作幅度不同变化的关系。起重特 性可以用数字( 表格) 表示。也可以使用曲线表示；以k a t on k - 1 6 0 bi i 的起重性能为 例，如表2 - 1 所示。 表2 i 起重性能数据表 工作幅度打支腿、后面或侧面吊重 ( 米) 9 5 米臂杆( 吨)1 6 5 米臂杆( 吨)2 3 5 米臂杆( 吨)使用臂杆尖滑轮( 吨) 2 51 6 o o2 5 0 3 01 6 o o1 0 0 0 2 5 0 3 51 6 o o1 0 0 02 5 0 4 o1 4 0 51 0 0 02 5 0 4 51 2 5 01 0 0 0 5 5 0 2 5 0 5 o1 1 2 01 0 0 05 5 02 5 0 5 51 0 1 51 0 o o5 5 02 5 0 6 o9 2 09 5 05 5 02 5 0 6 58 0 58 5 05 5 02 5 0 7 o7 1 07 5 05 5 02 5 0 7 56 2 56 5 05 5 02 5 0 8 o5 8 05 5 05 2 5 02 5 0 8 55 0 04 9 52 5 0 9 04 2 54 6 52 5 0 1 0 03 ，6 04 1 52 5 0 1 1 o 3 0 5 3 7 02 5 0 1 2 o 2 7 0 3 1 52 5 0 。 1 2 92 3 02 7 52 5 0 1 4 02 0 52 - 3 52 0 5 0 1 5 02 1 0 1 7 5 】6 01 8 51 5 5 1 8 0l4 01 1 0 ；2 00 11 0 o 7 5 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章全力矩限制器结构与工作原理 对表2 1 起重性能数据表的说明如下： ( 1 ) 额定起重量指起重机在平整、坚固的地面上能够保证的摄大起重量，其中包括吊钩以及其 它吊具的重量。表中粗线以上的起重量是以起重机的结构强度为依据，而其余部分的起重 重量以起重机的稳定度为依据的。 ( 2 ) 表中的工作幅度是包括臂杆变形量在内的实际值，因此一定要以工作幅度为依据进行作业。 ( 3 ) 起重机的工作状态是指采用支腿装置将汽车起重机支撑在坚固、水平的地面上，从起重机 后面或侧面进行作业。 ( 4 ) 额定起重量的计算方法：臂杆长度超过表中某一栏规定的数值时，应把该栏的数值与比它 更长一级的臂杆长度的数值相比较，按照其中较小的额定起重量进行作业。 2 3 全力矩限制器的工作原理 全力矩限制器采集重量、长度、角度传感器和倍率值的模拟信号以及卷扬行程开关信号、监 控安全方向行程开关信号，经过a d 转换和对数字信号的数据处理，按照起熏性能曲线自动控制 起重作业；在l c d 实时显示实测起重量、臂杆长度、臂杆角度、工作幅度和此工况下的额定起重 量。当实测起重力矩小于相应工况下的额定力矩时，l e d 显示报警装置点亮白色l e d ，起重作 业正常；当实测起重力矩达到相应工况下的额定力矩的9 0 时，l e d 显示报警装置点亮黄色l e d ， 进行声音预报警：当实测起重力矩超过相应工况下的额定力矩时，全力矩限制器自动保存相关超 载数据( 实测起重量、臂杆长度、臂杆角度和工作幅度，以及所对应的时间) ，l e d 显示报警装 置点亮红色l e d 并进行声音报警，同时全力矩限制器采集监控安全方向的开关信号，以监控起 重机向不安全方向运动；当起重机的力矩达到临界点，如起重机继续向不安全方向运动，全力矩 限制器控制起重机液压系统的电磁液动阀卸荷，只允许液压执行机构朝安全方向运动。为防止出 现过卷情况，全力矩限制器定时查询卷扬行程开关信号，一旦出现过卷情况，将自动停止向上卷 扬。 2 4 全力矩限制器的结构 2 4 1全力矩限制器的系统组成 所研制的全力矩限制器是基于i n t e | 1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 开发，包括传感器和主控制器( 图 2 2 ) 。传感器包括重量传感器、长度传感器、角度传感器，负责测量起重机工作状态的参数( 吊 物的重量、臂杆长度及臂杆角度) ；主控制器包括模拟输入信号的放大和滤波电路、数字信号的 光电隔离电路、8 0 c 9 6 k c 单片机以及外围电路、控制起重机液压系统的电磁液动阀电路、电源 管理电路、l c d 显示电路、声音报警电路、l e d 显示报警电路、键盘输入电路以及控刮箱( 图 中国农业大学硕士学位论文第二章全力矩限制器结构与工作原理 中未标注) 。 i 里量代错话j7 i 8 “、”“ j 7 一控制电磁液动阀 f 长度传感器j 。f 。1。 7 i “ 、8j 7 监 i 电源管理j 片 ti i 角度传感器】 。i 。1 机 i 、 数 1 l 慑皿确八 倍率选择开关卜- 堡兰卜 据 处 - f 液晶显示，i 传感器部分i 卷扬行程开关 _ - 三三i i i ! 理 j 。1 。_ _ _ _ _ _ 一- l 兰童塑! l 撕地士厶士南耳j e h 主控制器部分“拦膏2 力阿刀大一竺：! 竺 il e d 显示报警 图2 2 全力矩限制嚣系统框图 2 4 2 全力矩限制器主控制器结构 在全力矩限制器控制面板 上，绘制起重作业的示意图，采 用5 个l c d 分别显示额定重量、 实测重量、实测臂杆长度、实测 臂杆角度、工作幅度等5 个参数； 根据人机工程学的原则，将5 个 l c i ) 分别安装在起重机示意图相 应的部位，便于操作人员观察起 重机工作状况；为便于操作人员 观察动态力矩的变化情况，设计 l e d 显示报警器；通过倍率开关 选择钢丝绳的根数；按下k l 或 k 2 键可以显示存储在时钟芯片 r a m 的超载信息。本课题所设计 的主控制器结构如图2 。3 所示。 9 图2 - 3 主控制器结构 中圊农业大学硕士学位论义第二章全力矩限制器结构与工作原理 2 4 3 传感器结构 l 、三滑轮应变片式重量传感器 ( i ) 技术参数 量程：3 t ； 灵敏度：1 9 0 8 2 m w v = 输入阻抗：3 5 1 q ； 输出阻抗：3 5 1 0 ； 零点：8 3 u v ( 1 0 v 激励电压) 。 ( 2 ) 测量原理 传感器为电阻应变式传感器，应变片贴在弹性体( 敏感元件) 上，由于受外力作用后，弹 性体产生微小变形，从而引起应变片上的电阻值发生变化，相应的桥式电路在外接电源激励下 产生毫伏级的电信号。传感器使用5 v 的直流电源，传感器的最大输出l o m v ( i m v 代表0 3 t 的 重量) 。 2 、角度传感器 ( i ) 技术参数 电位器阻值：5k q ； 调零电位器：5 0 0 q ： 线性精度：0 1 ； ( 2 ) 测量原理 电位器式传感器的工作原理如图2 _ 4 所示。图中，调零电阻也= 5 0 0 q ；为加在传感 器的电位器r ，、r 上的电压，根据欧姆定律得到输出电压与输入电压之间变化的关系式： 输出电压= 百笔i u 岛随着 电位器移动而变化，r s 与r 成线性变化， 所以，输出电压与输入电压之间是线性 关系：r 是调零电阻，当r s 在最小值 时，如果输出电压不是零，调节r 的值， 使矗蜘n o 中国农业大学硕士学位论文第二章全力矩限制器结构与工作原理 3 、长度传感器 ( 1 ) 技术参数 电位器阻值：1 0k d ： 调零电位器：5 0 0 q ； 线性精度：o 2 5 ； ( 2 ) 测量原理 长度传感器的测量原理与角度传感器的测量原理相同。 2 5 全力矩限制器额定起重量的计算方法 按照汽车起重机设计使用的技术标准和国标要求，全力矩限制器的额定起重量的计算方法有 以下两种： 1 、厂家推荐的计算方法 以k a t o n k - 1 6 0 b i i 汽车起重机为例进行说明。厂家推荐的计算方法是：臂杆长度超过表中 某一栏规定的数值时，应把该栏数值与比它更长一级的臂杆长度的数值相比较，按照其中较小的 额定起重量进行作业( 图表参考表2 - 1 起重性能数据表) 。 优点：额定起重量寻找简单，不用进行较大的数学运算，安全系数高，有利于安全作业。 缺点：由于一般选择较小的额定起重量作为比较的基准，所以，对起重作业限制的范围较大。 该全力矩限制器额定起重量的计算方法采用此法。 2 、回归分析方法 回归分析方法用于计算起重机在某一工况下表达额定起重量与实际工作幅度之间关系( 非线 性部分) 的回归方程，用此方程计算实际工作幅度所对应的额定起重量回归分析方法便于计算 机编程计算额定起重量，计算依据为起重性能表( 或曲线) 上的有关数据( 包括工况、额定起重 量及工作幅度) ；在计算过程中，计算数据的有效位数不小于四位，并且相关系数应不小于0 9 9 9 9 。 具体的计算方法可参考国标g b 7 9 5 0 1 9 9 9 臂架型起重机起重力矩限制器通用技术条件的附录 a 。 以k a t o n k 一1 6 0 b i i 为例，在臂长1 6 5 m 时的起重性能数据见表2 - 2 。 表2 - 2起重性能数据 i 额定起重量( y ，吨) 1 0 0 01 0 0 09 56 04 2 53 0 5 2 _ 3 0 l 工作幅度( ，米) 3 0 4 0 6 0 8 ol o 01 2 o1 4 0 中国农业大学硕士学位论文第二章全力矩限制器结构与工作原理 计算相关系数，： ，= = 0 9 2 8 6 0 式中，i 为所有工作幅度平均值：f 为所有额定起重量的平均值；i r i = 0 9 2 8 6 0 0 9 9 9 9 。所 以不可以采用回归计算方法。 1 2 中国农业人学硕士学位论文第三章全力矩限制器硬件系统i 殳计 第三章全力矩限制器硬件系统的设计 根据全力矩限制器的工作原理进行硬件系统的设计，按照全力矩限制器的功能要求配置单片 机和外围电路。设计合适的接口电路，硬件系统的各个相关的元器件性能应匹配，系统的配置应 留有适当的余地，供二次开发使用，在硬件的设计中，要充分考虑硬件与软件的相互协调关系， 系统的可靠性和抗干扰性以及单片机总线的驱动能力。 3 1 硬件组成 该全力矩限制器硬件主要包括：1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 、存储器2 7 0 2 5 6 、时钟芯片d s l 2 8 8 7 、 液晶显示器l c d 、d c d c 电源模块、光电耦台器、斩波稳零集成运放l c l 7 6 5 0 s 、高输入阻抗集 成运放l m 3 5 8 以及传感器等。硬件结构示意图如图3 - 1 所示。 3 1 1 输入输出电路 图3 - 1 硬件结构示意图 输入电路板是传感器输入信号、数字输入信号与c p u 主板的接口板，具有信号的放火、滤 中国农业大学硕士学位论文第三章全力矩限制器硬件系统设计 波、隔离等功能。输入电路板采集传感器信号，传感器的功能是将非电量( 如温度、压力) 转换 成电信号，由于制造工艺条件、工作环境等因素的影响，会出现温度漂移等非线性现象，在补偿 非线性误差时采用台适的软硬件设计来补偿。 输出电路板是单片机输出控制信号与c p u 主板的接口板，具有信号隔离、功率放大的作用， 直接驱动电磁阀。 1 、模拟输入信号通道设计 模拟输入信号通道电路原理图见圈3 - 2 。 图3 - 2 模拟输入信号通道电路原理图 重量传感器输出的信号是微弱信号，在5v 激励电压作用下，其最大输出是1 0 m v ，容易受 到外部电磁感应噪声干扰，如果处理不当，微弱的信号可能被噪声所掩盏。因此，应使用具有屏 蔽的信号线或双绞线传输测量信号，或将电压信号转换成电流信号以及采用阻容滤波技术等；为 增大a d 转换的分辨率，应将微信号放大成单片机能够处理的电压信号( 5 v ) ，因此选用了具 有超低失调、超低温漂和高增益的斩波稳零集成运放芯片1 c l 7 6 5 0 s 和高输入阻抗集成运放芯片 l m 3 5 8 ；使j l ji c l 7 6 5 0 s 进行一级放大，i c l 7 6 5 0 s 运放由时钟控制，分节拍工作，前一节拍将输 中国农业大学硕士学位论文第三章全力矩限制器硬件系统设计 入失调采集并存储于电容中，后节拍采样和放大信号，并将此刻的失调相抵消，放大倍数由鲁 控制，一级放大倍数为2 0 0 ：二级放大芯片选用l m 3 5 8 ，其内部具有2 个独立的放大集成电路， l m 3 5 8 第一级反向输入，放大倍数由鲁控制，由于r 7 以调节，该级放大倍数调整为2 5 ，l m 3 5 8 第二级放大电路设计成正向输入成射随电路，以便于得到高输入阻抗和低输出阻抗，用作阻抗变 换器。 采用r c 滤波，滤掉混入到有用信号中的噪声，以提高系统的稳定性。 通过调整电位器r 。，可以将模拟通道放大电路的输出在零输入的情况下，调整为零输出，由 于电路中的放大芯片的温漂、电源不稳定和外部环境的干扰，重量传感器的调零电路在零输入下， 仅能调整为1 7 m v 放大输出。 长度、角度传感器模拟输入通道设计的原理图与重量传感器模拟信号通道设计相同，由于长 度传感器和角度传感器输出电压是0 5 v ，可以直接进入到单片机进行数据处理，所以放大倍数 均调整为1 。 2 、数字信号输入通道设计 数字信号输入通道电路图如图3 - 3 所示。 gnd。=i 图3 - 3 数字信号输入通道电路圈 卷扬行程开关信号和监控安全方向行程开关信号进入光电耦合器，光电耦合器输入端配置发 光源，输出端配置受光器，电源管理采用d c - d c 模块，加在光电耦合器输入端的电源与加在输 f i 端的电源是两套不同的电源系统。由于光电耦舍器不是将输入端和输出端的电信号进行直接耦 1 5 中国农业人学硕上学位论文第三章全力矩限制嚣硬件系统设计 合，而是以光为媒介进行间接耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力，所以可以将行程开关直 接与汽车起重机的2 4 v 蓄电池相连，将高电压通过输入电路转化成单片机能够处理的电压信号 ( f t - 5 v ) 。 当行程开关未接通电源时，光电耦合器起作用，单片机采集到高电平( 逻辑1 ) ，不输出控制 信号：如果行程开关接通电源，光电耦合器不起作用，单片机采集到低电平( 逻辑0 ) ，单片机处 理数据。输出控制信号。一个l e d 用于维修、调试，另一个l e d 可以连接到主控制器面板上， 作为卷扬行程开关信号的指示灯。 3 、输出通道设计 输出通道电路原理图如图3 - 4 所示。 亨 图3 - 4 输出通道电路原理图 输出通道电路将单片机的输出信号隔离、功率放大，驱动电磁阀该电路中由于驱动继电器 需要较大的电流，所以采用三极管放大以增加驱动电流；为了便于调试和维修，电路中设计了1 个发光二极管；为防止高频干扰对光耦输出端的影响，在输出端一侧加y1 个滤波电容：由于继 电器的工作方式是吸合方式，在开关的瞬间，触点容易产生火花引起干扰，并且继电器的线圈是 感性负载，在切断的瞬间，电感会产生较大感应电动势，感应电动势过高会造成三极管的集射极 间的电压过高而损坏，因此增加了1 个反接的保护二极管，用于反向放电。 3 1 2 c p u 主控制电路设计 c p u 土板由8 0 c 1 9 6 k c 单片机及外围扩展电路构成，采用8 位地址数据复用总线，其主要 作 = ；| 是采集传感器信号、倍率设定值、数字输入信号，按起重性能曲线进行数据处理，并输出控 1 6 中国农业大学硕士学位论文第三章全力矩限制器硬件系统设计 制信号。在进行系统的可靠性设计时。应考虑总线的负载能力，单片机的数据，地址总线，有一定 的负载能力，将i o 芯片挂在相关总线上，不仅要注意负载的能力，而且要注意总线负载的平衡 问题。 8 0 c 1 9 6 k c 是高性能的1 6 位单片机，内部r a m 有4 8 8 字节，有2 4 字节的专用寄存器，c p u 的操作直接面向2 5 6 字节的专用寄存器，具有较高的运算速度和数据吞吐能力；8 通道的1 0 位8 位a d 转换，转换精度较高，l o 位a d 总转换时间1 6 8 状态周期；3 个1 6 位的硬件定时器和4 个1 6 位的软件定时器；1 6 个中断源；不需要c p u 干预的高速输入，输出器：动态配置8 位或1 6 位总线：5 个输入脂出端口，采用1 2 m 晶振，8 0 c 1 9 6 k c 的状态周期为1 6 7 n s 。 8 0 c 1 9 6 k c 的2 0 1 8 h 单元是芯片配置字节寄存器c c r ，设置芯片的操作方式，c c r 设置为 0 x e c ：存储器内容不设密码保护，系统等待3 个状态周期，总线控制方式为写选通方式，w r 和b h e 信号有效，a l e 作为地址选通信号，掉电使能以及看门狗电路启动。 时钟芯片d s l 2 8 8 7 具有完备的时钟、闹钟及日历功能，可选择1 2 小时制或2 4 小时制计时， 有a m 和p m 、星期、闰年自动补偿等功能；具有可编程选择的周期性中断方式和多频率输出的 方波发生器功能：有1 4 个时钟控制寄存器，包括l o 个时标寄存器，4 个状态寄存器和1 1 4 字节 掉电保护用的低功耗r a m ：电路通电时，其充电电路便自动对可充电电池充电。充足一次电可 供芯片时钟运行半年之久，正常工作时可保证时钟数据十年内不会丢失，d s l 2 8 8 7 的管脚图见图 3 5 。 a s ：地址锁存信号端 a d 0 a d 7 ：地址，数据( 双向) 总线，由 a s 的下降沿锁存8 位地址 m o t ：计算机总线选择端； s q w ：方波输出，速率和是否输出由专用 尊存器a 、b 的预置参数决定： r w ：读写数据； d s ：数据读信号端； c s ：选通信号端，低电平有效； i r q ：中断申请，由专用寄存器决定； r e s e t ：复位端； n c ：空引脚。 主拧伟0 系统的原理图见图3 - 6 。 7 图3 - 5d s l 2 8 8 7 管脚闰 剖3 - 6土 卒制系统的原理蹦 中国农业大学硕士学位论文 第三章全力矩限制器硬件系统设计 3 1 3 液晶显示器l c d l c d 是一种低功耗显示器，l c d 具有两片带配向膜的玻璃基板，液晶会沿着沟槽配向，具 有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光 被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单 独被电场控制，不同的显示像素在控制信号的作用下，能够在显示屏上组成不同的字符、数字及 图形。 l c m 0 4 5 为4 位多功能8 段式液晶显示，其内置显示r a m 可以显示任意字段笔划，3 - 4 线 串行接口，可以与任何单片机、i c 接口，具有低功耗特性；工作电压2 4 - - 5 ，2 v 。视角对比度可调， 显示清晰，稳定可靠，使用编程简单。但l c d 工作范围在- 1 0 - 6 0 ，与l e d 相比工作范围较窄； l c d 本身不发光，如果需要发光，必须借助辅助光