單片機(jī)在起重機(jī)工況安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

汽車起重機(jī)具有移動(dòng)快捷便利的特點(diǎn)，因此應(yīng)用非常廣泛。其操作雖然簡(jiǎn)單，但是工況卻十分復(fù)雜，操作員往往不易發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)，安全生產(chǎn)形勢(shì)十分嚴(yán)峻，尤其是車載移動(dòng)式起重機(jī)，常常出現(xiàn)側(cè)翻事故，以至人員傷亡。
　本文開(kāi)發(fā)了一種汽車起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)起重機(jī)在各種工況下的操控特性曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并帶有安全操作提示，包括側(cè)方位安全性提示，并在緊急狀態(tài)下自動(dòng)切斷超載項(xiàng)目，從而集工況監(jiān)測(cè)、控制、報(bào)警、記錄系統(tǒng)于一體。與進(jìn)口設(shè)備“力矩限制器”相比，本系統(tǒng)具有功能齊全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近10年的實(shí)際應(yīng)用和改進(jìn)，能夠杜絕安全隱患，確保安全生產(chǎn)，并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單改裝和修改計(jì)算參數(shù)在其他類型的起重機(jī)上使用，能夠簡(jiǎn)單快捷地完成設(shè)備的安裝調(diào)試工作。
1 設(shè)計(jì)規(guī)格和功能要求
　起重機(jī)工況和安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括：
　(1)異常工況分級(jí)警告，自動(dòng)測(cè)量工況并計(jì)算安全工作邊際，當(dāng)安全受到潛在威脅時(shí)發(fā)出不同的聲光報(bào)警信號(hào)，提醒操作員注意操作安全；
　(2)緊急保護(hù)控制，在安全工作狀態(tài)受到嚴(yán)重威脅時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急控制，停止向危險(xiǎn)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，只能向安全方向運(yùn)轉(zhuǎn)；
　(3)傳感器信號(hào)校正和量程標(biāo)定，根據(jù)傳感器信號(hào)所在區(qū)間，采取二次插值補(bǔ)償修正，提高測(cè)量精度，并自動(dòng)標(biāo)定零點(diǎn)，自動(dòng)判斷傳感器異常，確保系統(tǒng)工作安全；
　(4)存儲(chǔ)起重機(jī)的操作特性參數(shù)，針對(duì)起重機(jī)在不同工況下的特性曲線，實(shí)時(shí)將運(yùn)行參數(shù)提供給監(jiān)控系統(tǒng)使用；
　(5)自動(dòng)記錄異常工況。
2 檢測(cè)單元及工作原理
　汽車起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖1所示，監(jiān)測(cè)裝置包括壓力傳感器、角度傳感器、長(zhǎng)度傳感器、鋼絲過(guò)卷傳感器、鋼絲過(guò)放傳感器等，要求監(jiān)控系統(tǒng)分別采集不同的物理信號(hào)，并傳送到主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。過(guò)卷和過(guò)放是通過(guò)開(kāi)關(guān)量自動(dòng)觸發(fā)控制，在此從略。

　壓力傳感器通過(guò)檢測(cè)支撐油缸上下腔的壓力信號(hào)p，間接推算起吊物的重量；臂長(zhǎng)傳感器通過(guò)頭部固定在臂桿端部的拉線，將臂桿長(zhǎng)度變化轉(zhuǎn)換為傳感器內(nèi)部測(cè)定元件角度的變化，以測(cè)定檢測(cè)臂桿的實(shí)際長(zhǎng)度l；仰角傳感器安裝在臂桿上，通過(guò)重錘帶動(dòng)角度測(cè)定元件轉(zhuǎn)動(dòng)，以檢測(cè)臂桿仰角β。
根據(jù)以上測(cè)量，計(jì)算起吊物的實(shí)際重量如下：
　W=λ×f(p)/l(1)
　式(1)中：f(p)是壓力測(cè)量信號(hào)的二次非線性函數(shù)；λ是角度信號(hào)β的二次非線性函數(shù)；l是吊臂長(zhǎng)度測(cè)量信號(hào)。
在一定的設(shè)計(jì)起吊量情況下，臂長(zhǎng)與臂角度是互相制約的，當(dāng)起重臂仰角一定時(shí)，隨著起重臂長(zhǎng)度的增加，起重半徑和起重高度也隨之增加，而起重量應(yīng)當(dāng)相應(yīng)減少，以防止翻車事故，這在式(1)中表現(xiàn)為W與l成反比。反之，當(dāng)臂長(zhǎng)l一定時(shí)，隨著起重臂仰角β的增大，起重量隨之增加。參見(jiàn)圖2某起重機(jī)的操作特性曲線，曲線1代表起重量W與工作臂長(zhǎng)度l(圖中表達(dá)為“工作幅度”)之間的關(guān)系，它可以用二次曲線分段近似表達(dá)。本系統(tǒng)詳細(xì)集成了操作特性二次曲線的各項(xiàng)參數(shù)，存放在非易失存儲(chǔ)器中供軟件調(diào)用。

　起重機(jī)的安全工作狀態(tài)與W、β和l都有關(guān)系，這里要特別注意在不同工況下的操作特性是不同的，例如圖2中有不同的曲線，不同的起重機(jī)也有較大區(qū)別，因此計(jì)算復(fù)雜度較高，需要根據(jù)工況測(cè)量信息分段計(jì)算。在實(shí)際系統(tǒng)中，根據(jù)W、β和l的實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)起重機(jī)的操作特性作二次函數(shù)的插值逼近，各工況下的插值系數(shù)通過(guò)操作特性表獲得。

　為保障工作安全，通常要求監(jiān)控系統(tǒng)隨時(shí)計(jì)算在特定條件下允許的最大起吊重量Wmax，并提示W(wǎng)不要超過(guò)Wmax。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，得到Wmax的計(jì)算如下：

3 監(jiān)控單元及工作原理
　起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成如圖3，通過(guò)A/D接口對(duì)各路傳器信號(hào)進(jìn)行采樣，包括角度、吊臂長(zhǎng)度、壓力傳感器等，從而取得起重機(jī)的工作參數(shù)，再通過(guò)式(1)、式(2)計(jì)算，得出相應(yīng)工況下的實(shí)際起重物重量W及其與Wmax的比率(也稱為載荷率)，在液晶顯示模塊上顯示示意圖、文字提示信息，包括臂長(zhǎng)、臂仰角、載荷等操作者關(guān)心的參數(shù)，并發(fā)出提示音，供操作員參考。當(dāng)載荷率大于90%時(shí)預(yù)報(bào)警，大于100%時(shí)報(bào)警，并自動(dòng)啟用強(qiáng)制停止控制，這時(shí)起重機(jī)不能繼續(xù)向危險(xiǎn)方向動(dòng)作，如伸臂、起升等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)的測(cè)控保護(hù)功能，使起重機(jī)的工作符合安全生產(chǎn)要求。

　計(jì)算中所需的常數(shù)以及中間結(jié)果存放在外接的非易失存儲(chǔ)單元中，配合系統(tǒng)提供的液晶顯示和鍵盤(pán)人機(jī)界面，本系統(tǒng)還可以完成特定的參數(shù)設(shè)置、標(biāo)定及調(diào)試記錄等輔助功能。
4 軟件設(shè)計(jì)
　軟件系統(tǒng)完成以下功能：
　(1)傳感器信號(hào)分析計(jì)算，主要完成式(1)、式(2)的運(yùn)算，計(jì)算量較大，采用AT89S52單片機(jī)[1，2]。起重機(jī)在不同工況下的操作特性是不同的，因此要求在計(jì)算過(guò)程中，自動(dòng)判斷工況(前方、后方、側(cè)方、支腿、副臂等)并選擇相應(yīng)的計(jì)算系數(shù)和插值公式，將計(jì)算結(jié)果和提示信息送顯示模塊。圖4為顯示效果圖，其中包括副臂是否伸長(zhǎng)、有無(wú)過(guò)卷過(guò)放、支腿是否工作、主臂是否位于側(cè)后方、系統(tǒng)的載荷率及當(dāng)前是否安全等信息。
　(2)報(bào)警和緊急保護(hù)，在過(guò)卷、過(guò)放、超重、傳感器異常等情況下，系統(tǒng)都能實(shí)時(shí)給出聲光告警和應(yīng)急處理，并通過(guò)8255接口輸出控制信號(hào)啟動(dòng)保護(hù)繼電器動(dòng)作。
　(3)液晶顯示，采用外購(gòu)的160×128點(diǎn)陣顯示模塊，清晰度很高，每屏可以顯示8×10個(gè)16×16點(diǎn)陣的漢字，本系統(tǒng)采用圖文混合顯示，如圖4所示。系統(tǒng)用到的漢字點(diǎn)陣預(yù)先存放在存儲(chǔ)器內(nèi)[3]。

　(4)薄膜鍵盤(pán)，采用4×4鍵盤(pán)矩陣，便于集成在儀器面板上，除了輸入0~9數(shù)字之外，還能輸入+1、-1、CHK等控制字符，以便輸入系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中用到的一些參數(shù)，單片機(jī)通過(guò)8255接口電路掃描鍵盤(pán)動(dòng)作并做相應(yīng)處理。
　起重機(jī)安全生產(chǎn)的形勢(shì)非常嚴(yán)峻，采用智能監(jiān)控儀表，在液晶顯示器上顯示工況提示信息，同時(shí)發(fā)出聲光提示和報(bào)警信息，完全能夠幫助操作員進(jìn)行安全生產(chǎn)，杜絕不當(dāng)操作造成安全事故。本系統(tǒng)適用于輪式起重機(jī)、履帶式起重機(jī)、塔式起重機(jī)的安全監(jiān)控，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 張毅剛.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M]，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001：56-98.
[2] 周春明.AT89S51多功能遙控器的設(shè)計(jì)與制作[J]，電子制作，2007(6)：16-18.
[3] 謝維成，楊佳國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：70-92.