维普资讯 http://www.cqvip.com 智能起重机超载限制器设计 刘教瑜。 黄少军 （武汉理工大学自动化学院，湖北武汉４３００７０） 摘要：本文根据起重超载限制器的控制需求，以实现监控、维护、管理一体化为目标进行了设计。起重超载限制器以ＡＶＲ高速单 片机为核心，应用信号调理技术对传感器输出电压进行去高频噪声、放大、二阶有源滤波处理，应用微机接口技术设计了液 晶显示、触摸屏、语音、实时时钟、串行Ｅ２ＰＲＯＭ、Ｕ盘读写模块、串口通信、ＡＤ转换等接ＶＩ模块电路，应用电子技术设 计了电源、掉电检测、延时等电路，并使控制系统具有较好的抗干扰能力。 关键词：ＡＶＲ单片机；超载限制器；数字滤波；通讯 中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３—７２４１（２００７）０２－００９５－０４ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｏｖｅｒｌｏａｄｉｎｇ Ｌｉｍｉｔｅｒ ｏｆ ａ Ｃｒａｎｅ ＬＩＵ Ｊｉａｏ－ｙｕ，ＨＵＡＮＧ Ｓｈａｏ－ｊｕｎ （ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ ｏｖｅｒｌｏａｄｉｎｇ ｌｉｍｉｔｅｒ．Ｔｈｅ ｏｖｅｒｌｏａｄｉｎｇ ｌｉｍｉｔｅｒ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ＡＶＲ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ，ａｐｐｌｉｅｓ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｗｉｐｅ ｏｆｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｎｏｉｓｅ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｕｔｌｉｎｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＶＲ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ；ｏｖｅｄｏａｄ ｌｉｍｉｔｅｒ；ｆｉｌｔｅｒ；ｃｘｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ １引言 器在收到主机申请接收特征字符后，与自身设定的特征字符进行 起重机在很多工业领域中得到广泛的应用，起重设备的安 比较，相同则将Ａ／Ｄ转换值发送给主机，否则不理会。主机接 全运行直接影响着企业的正常生产。由于起重机是大型装卸设 收到Ａ／Ｄ转换值后，计算出实际载重，并判断吊钩所处的状态， 备，工作繁忙，工况恶劣，工作范围大，司机处于高空作业，视 控制继电器发出相应动作。系统将每次起吊重量、起吊时间、额 力容易疲劳，同时有时候也会估计不足，判断失误，造成超负荷 定值、系统启动和关闭时间等信息存放到ＥＥＰＲＯＭ中，用户随 吊装，出现钢丝被拉断，吊物坠落，极易造成人身伤害及设备事 时可将这些数据转存到Ｕ盘中，用管理软件进行分析管理ｌ２ ｌ。 故。同时，起重小车在主梁上产生的剧烈跳动和经常超负荷吊装 作业，对起重机械的金属钢结构部分也十分有害，造成主梁下挠 变形，从而缩短起重机的使用寿命，给企业造成损失。因而超载 限制器的研制是十分必要。 ２硬件总体设计 系统硬件结构框图如图１所示，起重超载限制器由主机和变 送器两大部分组成，它们之间用五芯屏蔽电缆连接，通过 ＭＡＸ４８５进行通信。变送器对传感器输出电压进行去高频噪声、 放大、滤波处理后再进行Ａ／Ｄ转换。主机在需要进行起重重量 采集时，发送申请接收特征字符 （主钩“Ｍ”，从钩“Ｓ”），变送 图１系统硬件结构框图 收稿Ｅｌ期：２ ００６－０９－０４ ９８ ｌ Ｔ曰 瞒ｏｆ ＡＩ．ｃＩｎ晡ｏｎ＆Ａｐｐ苜ｃ锄帆； 维普资讯 http://www.cqvip.com 仪器仪表与检测技术 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｎｅｔ 《自动化技术与应用》２００７年第２６卷第２期 ｛１）变送器 重量进行报读，同时当起重机处于报警或者动作状态是，语音报 读可以提醒操作者当前的状态，使系统操作更加智能和人性化。 ｅ．数据存储是将每次的重量值都存放到外部Ｅ２ＰＲ０Ｍ（６４Ｋ 字节），这样即可保存数据，也可防止停断电时数据丢失。这里 我们选用２４ＡＡ５１２芯片来记录数据，由于该芯片是串口的，这样 可节省ＣＰＵ的端口空间。另外我们增加了掉电信号检测电路，当 发生掉电时，立即给ＣＰＵ一个中断信号，让其记录掉电时间。记 录的数据共包括每次起吊重量、起吊时间、额定值、上电时间和 压力传感器受力后输出０～２０ｍｙ的电压，经过ＬＣ滤波器滤 掉高频噪声，测量放大器放大，二阶有源滤波器滤波，送ＡＤ转 换器进行ＡＤ转换之后将转换得到的数字信号送至变送器的ＣＰＵ 进行运算处理，将得到的信号转换成相应的重量。最后通过 ＭＡＸ４８５将重量值送至超载限制器。 ａ．测量放大器采用高精度仪表放大器ＡＤ６２０。ＡＤ６２０特别 适合于较高电阻值，较低电源电压的压力传感器电路设计。 ｂ．变送器ＣＰＵ主要完成Ａ／Ｄ转换及与主机通讯，选用性价 比高的ＡＴＳ８９Ｃ２０５１．ＡＴＳ８９Ｃ２０５１是由ＡＴＭＥＬ公司推出的一种 小型单片机，具有２ＫＢ在线可重复编程Ｆｌａｓｈ，１２８字节的片内 掉电时间，记录上电时间和掉时间可以更好督促操作人员按操作 手册工作，防止了人为关闭监控记录仪。 ｆ．在超载限制器中设计了专供Ｕ盘读写的电路部分及ＵＳＢ 接口，这里我们选用芯片ＣＨ３７５来实现Ｕ盘读写。当要写Ｕ盘 时只要将Ｕ盘插入ＵＳＢ接口并进行选择，即可将一个月的数据 写入Ｕ盘。 ＲＡＭ．硬件与ＭＣＳ一５１完全兼容，适合Ｉ／ 量不是大的应用系统。 Ｃ。ＡＤ芯片采用ＴＬＣ２５４３。ＴＬＣ２５４３是ｌ２位ＡＤＣ，使用开 关电容逐次逼近技术，完成ＡＤ转换过程，提供的最大采样速率 为６６Ｋｓｐｓ，供电电流仅需ｌｍＡ． ｛２）起重机超载限制器 监控记录仪以单片机ＡＴｍｅｇａ１２８为核心【 １，通过串１２１接收 ＭＡＸ４８５信号，对接收到的重量值进行一系列处理，其中包括了 实时显示、判断动作、语音报读，数据存储和Ｕ盘读写。 ａ．系统主控制器采用ＡＴｍｅｇａ１２８单片机，它是ＡＶＲ系列 中功能最强的单片机，ＡＴｍｅｇａ１２８内含两个带预分频器和一种比 较模式的８位定时／计数器、两个扩充的带预分频器比较和模式 捕获模式的１６位定时／计数器、独立振荡器的实时计数器、二 通道８位ＰＷＭ、６通道２～ｌ６位精度ＰＷＭ、８通道ｌ０位Ａ／Ｄ转 ３起重超载限制器的软件设计 硬件电路平台搭建起来以后，系统的主要功能将依赖于软件 来实现。系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计以外，与 功能完善的软件设计是分不开的。超载限制器工作流程图如图２： 换器、输出比较调节器、８个单通道、７个微分通道、２个增益为 ｌ／ｌ０）【２０ｏｘ的微分通道、两线（１２Ｃ）串行接口、二路可编程串行 ＵＡＲＴ接口、主／从ＳＰＩ串行接口以及带内部振荡器的可编程看 门狗定时器等。 超载限制器控制程序利用ＡＴｍｅｇａ１２８片内丰富的硬件资源， 省去了很多外围电路，这样系统稳定性可靠性都大大增强了。 独有特点：ＡＴｍｅｇａ１２８的具有可编程的低电压检测，再配以 简单的外围电路，可方便的实现掉电检测，将控制系统重要的运 行数据保存起来。 ｂ．实时显示是将实时重量值显示在液晶屏上，屏上另外还 图２超载限制器工作流程图 为了方便程序设计，方便代码的编译和调试，使整个程序流 显示日期、机车实时状态（空闲、起吊和稳定）、额定重量值以 及当日机车起吊次数。在液晶屏的下面提供了用于参数设置的按 键和报警、动作指示灯。同时配上触摸屏操作，使操作更加直观， 界面更加美观。 程清楚、有条理，将整个系统分成各个小模块来分别编程。根据 超载限制器的工作流程，主要划分成以下几个单元模 系统初 始化、系统自检、超载控制、通信、人机界面、Ｕ盘处理、内存 处理等。 ｃ．判断动作是指当重量值达到报警点（通过面板上按键设 置）时进行报警，此时报警灯亮，而当重量值达到动作点（也可 设置）时继电器动作，此时限制灯亮。本系统中的报警点和动作 点都是一个百分数，其大小就是额定重量乘上该百分数。 ｄ．语音报读是采用语音芯片和电路，可以对起种机所吊的 ａ．系统初始化 系统初始化是超载限制器控制系统初始运行的部分，负责 初始化超载限制器控制系统的各种参数，包括器件初始化和变量 初始化两个部分。 ｂ．系统自检 维普资讯 http://www.cqvip.com 《自动化技术与应用》２００７年第２６卷第２期 仪器仪表与检测技术 、 ｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｎｅｔ 通信自检过程：发出请求字符，收到确认则通信正常，否则重 复发出请求字符，重复５次不成功则通信错误。请求字符：主钩载 重一一Ｗ，副钩载重－－Ｓ。 滤波起点。 当连续ｍ次满足： ｗｅｉｇｈｔｉ＋２－ｗｅｉｇｈｔｍ——ｗｅｉｇｈｔ￣＋ｌ—ｗｅｉｇｈｔ￣ ＜ Ｕ盘读写模块自检：发出查询版本命令码，返回操作成功标 志则Ｕ盘读写模块正常，否则错误。 系统时钟自检：向时钟芯片ＤＳ１２Ｃ８８７自带ＲＡＭ的７３Ｈ单 元写入ＡＡＨ，然后再读取该单元数据，如果一致则ＤＳ１２Ｃ８８７ ＲＡＭ读写正常，否则错误。读出当前时问，取值在有效范围内 则ＤＳｌ２Ｃ８８７时钟正常，否则错误。仅当ＲＡＭ读写、时钟都正 常时，系统时钟才正常，否则错误。 Ａｔ Ａｔ 时，则当前点ｗｅｉｇｈｔ ｉ＋２即为滤波起点。 其中：ｗｅｉｇｈｔ￣为第ｆ次测量值，△ｆ为测量时间间隔。 为了滤除数据干扰，连续ｍ次满足上式才确定当前点为滤 波起点。 （２）滤波处理 ｗｅｉｇｈｔ＝【ｐｒｅ—ｗｅｉｇｈｔ￣Ｋ＋ｗｅｉｇｈｔ—ｉｎｘ（１Ｏ０一Ｋ）Ｉ／１００（２） ｐｒｅ—ｗｅｉｇｈｔ＝ｗｅｉｇｈｔ （３） 数据存储自检：向串行ＥＥＰＲＯＭ芯片２４ＬＣ５ １２的ＦＦＦＦＨ 单元写入ＡＡＨ，然后再读取该单元数据，如果一致￣２４ＬＣ５１２ 数据存储正常，否则错误。 ｃ．超载控制程序流程图 其中Ｋ为滤波系数，在１－９９间取值，Ｋ越大稳定性越好，Ｋ 越小则实时性越好。 其滤波原理近似于离散数字积分器，前面状态引响当前输 出。通过调整滤波系数来调整前面状态对当前输出的贡献率，利 用前面状态来抑制当前值的波动。 （３）寻找滤波终点 经过改进的加权平均值滤波算法处理后，实际载重接近于 滤波前振荡载重信号的稳定值。取前一载重的８０％做为阀值。 当振荡载重连续３次满足： ｗｅｉｇｈｔ＜ｐｒｅｗｅｉｇｈｔｘ８０％ —（４） 时，当前点即为滤波终点。令ｐｒｅ—ｗｅｉｇｈｔ＝ｗｅｉｇｈｔ＝Ｏ， 结束本次滤波，启动新的一轮滤波过程。 我们在武汉钢铁集团进行了现场数据采集，采用上述滤波 算法进行滤波处理，最后选出两种典型的负载曲线进行滤波效果 分析。 通常情况下，负荷曲线如图４ａ所示，直接抓起货物，平移， 直接下放货物。图４ｂ负载曲线是在起吊钢水时，起吊后发现钢 水未装满，于是下放，重新装满后起吊，这样在抓起货物的过程 中存在一个上升、下降、再上升的过程。在下放货物时，先倒掉 一部分，然后平移，再倒另一部分，这样在下放货物过程中就存 在着变负载的情况。 由图４ａ可以看出，对正常的负荷曲线，该算法能很好的找 图３超载控制程序流程图 ｄ．数字滤波 货物晃动引起载重信号上下振荡，产生周期性误差，很可能 造成伪超载现象，因此必须进行滤波处理来消除干扰。本文针对 周期性误差干扰特点设计了改进的加权平均值滤波算法。由于起 重机负荷曲线有一个抓起和下放的过程，为了保证滤波效果，必 须去掉这两部分，对平移过程进行滤波。将整个负荷曲线处理过 程分为以下三个阶Ｅ 行处理： （１）寻找滤波起点 起重机负荷曲线是欠阻尼曲线，上升曲线斜率先逐渐增大， 然后逐渐减小，其变化的转折点接近于稳定值，故选择转折点为 图伯正常负荷曲线数字滤波仿真图 维普资讯 http://www.cqvip.com 仪器仪表与检测技术 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｎｅｔ 《自动化技术与应用》２００７年第２６卷第２期 ４结论 本系统针对干扰特点设计了改进的加权平均值滤波算法。 由于起重机负荷曲线有一个抓起和下放的过程，为了保证滤波效 果，必须去掉这两部分，对平移过程进行滤波。将整个负荷曲线 分为三个阶段：寻找滤波起点、滤波处理、寻找滤波终点等，较 好的消除因货物晃动引起的载重干扰。 在硬件平台的基础上，运用ｃ语言和汇编语言编程的方式， 实现了整个控制软件的设计：能实时显示起重机的实际起重量、 吊钩状态、起吊次数，实时时钟等；中文会话式人机界面设置预警 值、动作值、钢丝绳数等参数；实时时钟校正；实际起重量去皮操 作；起重机超载报警和限制功能；超载限制器同时处理２个吊钩荷 重监控信号，作到一机双用；可记录起重机每次起吊重量、起吊时 图４ｂ多次抓起、下放负荷曲线数字滤波仿真图 间、额定值、系统启动和关闭时间等数据，并可转存到ＵＳＢ中，以 到滤波起点和终点。由图４ｂ可以看出，在寻找滤波起点的过程 便进行分析查询管理；系统能作自动故障诊断以确定超载限制器 中，也有多处是斜率转折点，但只要连续的转折点不超过ｍ个， 是否正常。经实验，该起重超载限制器在各方面都表现得很稳定。 该算法仍能很好的寻找到滤波起点。改变ｍ值对多个负荷曲线进 ２００６年上半年本产品已经在武汉钢铁集团公司投入使用。 行了仿真实验，在ｍ＝３时，一般都能很好的寻找到滤波起点。在 寻找滤波终点的过程中，由于现场的振荡载重大都在稳定值的 ８０％内，且振荡载重的峰值都比较尖，连续３次低于阀值基本可 参考文献： 【Ｉ】 褚建新，顾伟．具有自适应动载滤波与校零功能的起重机 以确定是货物下放过程。这样就将平移振荡过程与下放过程区分 超载限制器原理分析．【Ｊ］仪器仪表学报，ｌ９９８．Ｉ９（５）：Ｉ一５． 开，从而准确的寻找到滤波终点。 【２】 许晋华，金国山，胡耽源．起重设备上的智能超载限制器． 【Ｊ】自动化仪表，Ｉ９９９．２０（１）：１—３． 基于上述滤波算法的仿真效果，我ｑ］５月３１日到武汉钢铁集 【３】刘教瑜，田微．起重机超载监控记录仪．【Ｊ】起重运输机械， 团进行了现场调试，调试结果表明滤波效果显著，达到了预期效果。 ２００５．１０：１－４． ｅ通信程序 【４］ａｖｒ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｒｉｓｃ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｄａｔａ ｂｏｏｋ ｗｗｗ． Ａｔｍｅ１．ｃｏｍ． 主机每循环运行偶数次发一个“Ｍ”申请接收主钩载重，奇 【５】ａｔｍｅｇａｌ２８ ｄａｔａｓｈｅｅｔｓ ｗｗｗ．ａｔｍｅ１．ｃｏｍ． 数次发一个“Ｓ”申请接收辅钩载重。主钩变送器接收到“Ｍ”后 发一帧数据（Ｍ＋５位ＡＤ值＋效验和）给主机，从钩变送器接收 作者简介：刘教瑜（ｉ ９ ５ ７一），男，副教授，主要从事自动化 到“Ｓ”后发一帧数据（Ｓ＋５位ＡＤ值＋效验和）给主机。 仪器仪表技术与计算机控制技术的研究。 （上接第９４页） 在电流方波后加一微分电路得到电流Ｉ上升沿。把与电压Ｕ 变化区域计算振荡周期次数的方法易得到错误的结果。有功功率 相与得到两种情况的输出波形，如图４（ａ）所示：电流方向为流入 过零计算振荡次数有效的解决了此问题。基于有功功率变化量的 的情况记为“＋”，如图４（ｂ）所示：电流方向为流出的情况记为 电网振荡解列判据不受系统运行方式、电网结构变化、潮流方向 “”一。出方向为“＋”时不解列，方向为“一”时可能解列。 改变等因素影响，能根据振荡的强弱程度判断是否需要解列，更 符合电力系统运行的要求。利用相位角超前滞后来判断电流方向 是否正常作为辅助判据，减少装置误动率。 参考文献： 【１】刘平．基于本地量的失步解列装置的研究【Ｄ】．华北电力大 学硕士学位论文，２００４年． 【２ ｊ 中国国家经济贸易委员会．电力系统安全稳定导则【ｓ Ｊ． ２００１芷 图４（ａ）电流方向为流入的情况 【３】高鹏．一种新型电力系统失步解列原理【Ｄ】．浙江大学硕士 （ｂ）电流方向为流出的情况 学位论文，２００５年 ５结论 【４】 邵俊松等．电力系统低频振荡分析及振荡解列策略研究 综述【Ｒｊ．电力情报，２０００年，Ｎｏ．２． 目前应用于电力系统的振荡解列装置利用各种电气量的变 化规律，从不同的角度反映了系统的振荡情况。按照视在阻抗角 作者简介：海涛（１ ９ ６ ３一），男，硕士研究生导师、高级工程 师，主要研究方向为工业自动化、检测仪表等。