徐海群，強(qiáng)寶民，何禎鑫

(第二炮兵工程學(xué)院，陜西 西安 710025)

1 前言

超載作業(yè)是造成起重事故的主要原因，輕者損壞起重機(jī)零部件，如電機(jī)過(guò)載，結(jié)構(gòu)變形;重者造成斷梁、整機(jī)傾覆的重大事故［1］。起重量限制器是橋式起重機(jī)的重要保護(hù)裝置之一，用來(lái)防止因超重而引起的起升電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及鋼絲繩的損壞。但是起重量限制器只能在極限狀態(tài)下保護(hù)起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)不受損壞，不能顯示出起重量值［2］，因此，操作手在操作過(guò)程中不了解起重機(jī)每次起吊重量的具體狀況。為了進(jìn)一步提高橋式起重機(jī)的安全性能和工作效率，設(shè)計(jì)一種橋式起重機(jī)起重量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就顯得非常重要。

傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸使用導(dǎo)線傳輸，傳輸方式常常無(wú)法避免電磁干擾的影響，并且由于橋式起重機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)方式，使得系統(tǒng)需要較長(zhǎng)的傳輸線來(lái)傳輸信號(hào)，這種傳輸方式不但技術(shù)干擾強(qiáng)度增大，而且增加了系統(tǒng)的成本且維護(hù)也不方便。近年來(lái)，無(wú)線技術(shù)發(fā)展迅猛，給信號(hào)的傳輸提供了很大的便利。本文即采用無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)起重量的監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)橋式起重機(jī)起重量的在線監(jiān)測(cè)。當(dāng)起重機(jī)在起重作業(yè)時(shí)，鋼絲繩在重物作用下產(chǎn)生應(yīng)力變化，通過(guò)張力傳感器可以測(cè)量到鋼絲繩的應(yīng)力變化情況，并經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后在液晶屏(安裝于手電門(mén)上)上顯示出重量值，當(dāng)起重量超過(guò)額定起重量時(shí)進(jìn)行報(bào)警。由于橋式起重機(jī)的機(jī)構(gòu)特征，采用無(wú)線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的通信。因此，系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。

發(fā)射系統(tǒng)由測(cè)量橋式起重機(jī)鋼絲繩起重量的張力傳感器、微處理器、發(fā)射單元等組成，采用電池供電，如圖1所示。主要包括三大功能:信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理和信號(hào)發(fā)射。對(duì)起重量的在線監(jiān)測(cè)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，從張力傳感器上獲得的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)整電路進(jìn)行放大，再由微處理器控制對(duì)其實(shí)施采樣并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)射頻發(fā)射電路對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射出去。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)總體方案圖

接收系統(tǒng)主要由無(wú)線接收單元、微處理器單元、顯示單元、鍵盤(pán)單元、報(bào)警單元組成，如圖2所示。主要完成數(shù)據(jù)接收、解調(diào)、數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)、聲光報(bào)警和手動(dòng)設(shè)定單片機(jī)等功能。

圖2 接收系統(tǒng)總體方案圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Atmega16芯片作為系統(tǒng)的主控制芯片，該芯片具有速度快，片內(nèi)資源豐富，保密性好，工作電壓范圍廣、功耗低等特點(diǎn)［4］。其中，發(fā)射系統(tǒng)主要由傳感器、Atmega16和無(wú)線發(fā)射單元組成。傳感器采用托利多公司的SB-10A高阻抗剪切梁抗傳感器。其工作原理為:彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形后，其阻值將發(fā)生變化，經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給Atmega16。無(wú)線發(fā)射單元采用SRWF－1微功率無(wú)線數(shù)傳模塊。發(fā)射系統(tǒng)電路如圖3所示。

接收系統(tǒng)主要由無(wú)線接收單元、顯示和報(bào)警單元、閾值設(shè)定模塊、LCD液晶顯示模塊組成。操作人員首先設(shè)定閾值。當(dāng)橋式起重機(jī)某個(gè)按鈕被按下時(shí)，相應(yīng)的輔助接觸器通電喚醒發(fā)射子系統(tǒng)的單片機(jī)對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送。當(dāng)無(wú)線接收單元接收到發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)后，經(jīng)過(guò)解調(diào)、濾波后送給單片機(jī)系統(tǒng)處理，在顯示單元系統(tǒng)將顯示當(dāng)前的起重量值，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行報(bào)警提醒操作人員采取相應(yīng)的措施，排除安全隱患。參數(shù)的設(shè)定是通過(guò)按鍵來(lái)完成的。顯示界面使用的是液晶屏，能夠進(jìn)行靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，方便了操作人員查看橋式起重機(jī)關(guān)鍵參數(shù)當(dāng)前的狀況。報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)置的蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體的電路圖如圖4所示。

圖3 發(fā)射電路原理

圖4 接收電路原理

4 無(wú)線收發(fā)模塊

本系統(tǒng)采用SRWF－1型微功率無(wú)線數(shù)傳模塊，該模塊是采用高效FEC前向糾錯(cuò)技術(shù)結(jié)合高性能的無(wú)線射頻IC，以及高速微處理器相結(jié)合而開(kāi)發(fā)出的一款無(wú)線通信模塊，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶(hù)協(xié)議，并且具有自動(dòng)過(guò)濾掉空中產(chǎn)生的噪音信號(hào)及假數(shù)據(jù)(所發(fā)即所收)，體積小，功耗低傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，使用時(shí)不需要任何編碼技術(shù)，即使是半雙工通信，用戶(hù)也無(wú)需編制多余的程序，只要從接口收/發(fā)數(shù)據(jù)即可，其它如空中收/發(fā)轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)連接、控制等操作，SRWF-1型模塊能夠自動(dòng)完成。SRWF-1模場(chǎng)面主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 SRWF-1模塊主要性能參數(shù)

SRWF-1型微功率無(wú)線收發(fā)模塊與Atmega16接口方式選擇TTL串口，接線方式如圖5所示(其他引腳懸空不連，以免引入干擾)。

圖5 SRWF－1與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)TTL串口通信接線圖

5 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

發(fā)射系統(tǒng)主程序流程圖如圖6。發(fā)射系統(tǒng)主程序完成系統(tǒng)初始化之后就進(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)起重機(jī)得以控制按鈕被按下時(shí)，單片機(jī)通過(guò)中斷會(huì)被喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)，控制信號(hào)的采集、處理、發(fā)送。需要采集的是鋼絲繩應(yīng)力信號(hào)，為了降低隨機(jī)性干擾和振動(dòng)的影響，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，然后單片機(jī)控制將檢測(cè)到的制信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送給接收系統(tǒng)。以上功能可包含在無(wú)線發(fā)射子程序設(shè)計(jì)中。無(wú)線通信中數(shù)據(jù)是以幀為單位進(jìn)行傳輸。

在接收到數(shù)據(jù)后，首先應(yīng)當(dāng)判斷接收到的數(shù)據(jù)的格式正確與否，確認(rèn)無(wú)誤后，再和存儲(chǔ)器中的三個(gè)子系統(tǒng)ID值比較，地址匹配就進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。否則清除當(dāng)前數(shù)據(jù)后待機(jī)。接收完畢后，進(jìn)行CRC冗余校驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)是否有效。如果該幀數(shù)據(jù)無(wú)效，則舍棄接收到的數(shù)據(jù)，重新等待接收數(shù)據(jù);如果該幀數(shù)據(jù)有效，更新數(shù)據(jù)，然后才進(jìn)入數(shù)據(jù)處理程序處理，以上功能也在無(wú)域異步接收子程序中完成，然后判斷是否滿(mǎn)足報(bào)警條件。接收系統(tǒng)主程序如圖7所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)針對(duì)橋式起重機(jī)起吊重物過(guò)程中操作人員對(duì)起吊重物起重量未知的問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合以往起重量限制器的優(yōu)缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)合橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，利用無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的通信。經(jīng)過(guò)起吊固定重量進(jìn)行調(diào)試，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地顯示橋式起重機(jī)起吊重物時(shí)的起重量，很好地解決了橋式起重機(jī)在工作過(guò)程中操作人員不能明確知道起重量的問(wèn)題，同時(shí)當(dāng)起吊重量超過(guò)額定起重量時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)地進(jìn)行報(bào)警。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)運(yùn)行正常，并且能有效地避免起重設(shè)備因過(guò)負(fù)荷超載造成的設(shè)備和人身事故，可作為起重機(jī)安全裝置應(yīng)用于各種起重機(jī)。

［1］ 王福綿．起重機(jī)械技術(shù)檢驗(yàn)［M］．北京:學(xué)苑出版社，2000．

［2］ 賈永峰，郭全民．基于數(shù)據(jù)擬合的塔機(jī)起重量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．機(jī)電工程技術(shù)，2009，(7)．

［3］ 黃任．AVR單片機(jī)與CPLD/FPGA綜合應(yīng)用入門(mén)［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004．