本站原创摘 要本文设计一个船载起重机的监控系统,此控制系统能实现危险预报警,超程报警并能在超程时对起重机采取紧急的预警措施.起重机不同的工况下对起重机的进行安全监控；能够实时测量起重臂角度、起吊重量和起吊高度等参数；安全控制器能实时提供显示主副吊钩的负荷率,实际负重,起重角度和实际起重高度.整个控制模块采用AT89S51作为核心处理芯片.整体功能由MCU、远程信号采集、A/D转换,人机交互和其他电路五大部分来完成.
【关 键 词】起重机负荷控制信号采集控制模块
1引言
船载吊重负荷控制系统是专门为大型的起吊船、打桩船等船栽起吊设备安装的集显示、报警、控制等于一体的智能检测系统.该系统可以让装载有起吊设备的船只在作业时更安全,并提高了工作效率.目前多数的起重设备根本没有该类的负荷检测控制系统或者该类系统已经老化或损毁.随着起吊负荷吨位的提高,作业时由于对重物具体吨位的未知,因此带来了很大的安全隐患.对于已有的吊重设备来说,改造中直接安装非常困难,因此常需要根据设备的现场情况进行独立的设计.本设计既解决了弱小信号的采集,远传问题,同时采用在线编程技术,让系统在安装、调试、标定时更加简单和方便,提高了可操作性.
2控制模块总体方案与设计
2.1模块硬件总体规划
控制模块由一个主控版（处理单元）、4个前向通道组成.前向通道包括3个拉力传感器和一个角度传感器.三个拉力传感器远程采集重物信号,角度传感器采集角度信号,通过传输线送到主控板,然后进行A/D转化,MCU利用转换后的数据进行计算.主控板是监控系统的核心,其主要的功能有如下几方面：实时对各路传器信号进行采样,取得起重机的某些工作参数,如拉力传感器信号、主臂或副臂仰角信号等,经过计算得出相应工况下的实际起重重量和负荷率.当负荷率大于90%时预报警,大于100%时报警,并完成强制停止控制.这时起重机不能继续向危险方向动作,如伸臂、起升等；实现其它的对起重机的测控功能,使起重机的工作符合某些工况下的特殊规定和安全要求；提供友好的人机界面,完成特定的参数设置,及调试标定等辅助功能.计算并显主臂仰角、实际载荷等操作者关心的参数.
模块硬件是完成整个系统功能的基础,作为软件运行的载体,硬件从物理上实现了软件规定的功能,例如计算、控制、人机交流,数据保存等.系统功能如下图1所示.
从本系统的要完成的安全监控的要求出发,系统硬件主要包含以下几个部分：信号采集电路；主控板电路；输出及人机交互电路.
2.2核心部件选型及控制模块设计
单片机是控制模块的核心,它的选用直接决定了整个系统的性能的优劣.它处理外部送来的数据,按照内部程序设计进行比较,从而向外部发送相应的控制信号.它的运算速度、程序存储量、程序存储方式对整个系统都有很大的影响.本系统选用美国ATMEL公司生产的AT89S51单片机.AT89S51单片机是一种低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4Kbytes的可在系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高速度、非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚.它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中,这款ATMEL公司的功能强大低价位的单片机优较高的性价比,完全可以胜任本系统的要求.
测量的很多信号一般都是模拟量,如上面的高度信号和起重臂的角度信号,须先转换成数字量,才能输入到单片机系统中进行处理.需要把起重臂的角度信号进行转换,由于角度传感器离控制室很近,只需进行简单的A/D转换即可.这里的起重臂的工作量程为60度,要求测量精确到0.1度,所以采用8位以上的A/D转换芯片才能达到精度要求.AD7715是美国Analog-Devices公司生产的高精度模数转换芯片.片内含有可编程增益放大器、可编程数字滤波器和寄存器,采用Σ-Δ转换技术实现16位的精确测量.芯片可通过3线串行接口与外部进行数据交换,很适合于灵敏的基于微控制和DSP的系统.AD7715的内部结构如图2所示.它是由缓冲器、可编程增益放大器、电荷平衡A/D转换单元（由Σ-Δ调制器和三阶数字滤波器组成）、内部寄存器组、时钟发生器构成.
虽然7715采用Σ-Δ转换方式,速度不是很快,但是精度很高；又由于它和单片机接口方便,占用的端口资源少,在实际的工程运用比较多,技术成熟；在本系统中选用AD7715作为A/D转换芯片.图3是AD7715与AT89S51链接的实际电路.
2.3人机交互的实现
在单片机系统中实现人机交互就是要实现实时显示和键盘输入.数码管显示和键盘的输入都要用到并口资源.而CPU的并口资源又是有限的,所以要同时实现键盘和显示两种功能,就必须进行并口扩展.采用8279一类的专用芯片具有自动分时扫描功能,所以它可与CPU同时工作,减轻CPU的负担而且接口方便,内置去抖动功能,显示稳定,可靠性高,使用方便.还具有动态显示驱动电路简单、可自动进行键盘扫描、与计算机接口方便、编程容易、系统灵活等特点.图4所示是89S51单片机应用系统的键盘显示驱动电路8279的A、B口显示数据输出线分别与2个7447译码/驱动器的输入端相连.SLo～S扫描输出线接在3～8线译码74LSI38的输入端,输出经8位驱动电路后,每位同时驱动2位七段数码管.因此该电路可同时驱动16路七段十进制数码管.图中74lS47的消隐输入BI端与8279的BD端连,当8279的显示数据切换时,13D端输出低电平,使74LS47的输出均为低电平,将显示熄灭.由于74LS47的输出驱动电流可达20mA,能直驱动七段数码管.
2.4看门狗
抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标.看门狗（watchdog）电路是自行监测系统运行的重要保证,几乎所有的工控系统都包含看门狗电路.在本系统中,利用X25045芯片来实现这项功能.X25045是美国xicor公司的生产的标准化8脚集成电路,它将EEPROM器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内,大大简化了硬件设计,提高了系统的可靠性,减少了对印制电路板的空间要求,降低了成本和系统功耗,是一种理想的单片机芯片.X25045硬件连接图如图5所示.x25045芯片内包含有一个看门狗定时器,可通过软件预置系统的监控时间.在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动,则x25045将从reset输出一个高电平信号,经过微分电路c2、r3输出一个正脉冲,使cpu复位.图2电路中,cpu的复位信号共有3个：上电复位（c1、r2）,人工复位（s、r1、r2）和watchdog复位（c2、r3）,通过或门综合后加到reset端.c2、r3的时间常数不必太大,有数百微秒即可,因为这时cpu的振荡器已经在工作.
3结论
AT89S51作为我们的核心处理器对整个系统进行控制,并拥有4K字节Flash实现了系统编程；系统外扩32K字节程序存储器62256,用于满足比较大的程序量；远程控制模块6017采集远程拉力模拟信号并进行A/D转换,转换后的信号再通过MAX485送入MCU进行处理；X25045提供多种复位方式起到看门狗的作用；采集的角度信号通过AD7715进行A/D转换后直接送入MCU；8279提供3X3的键盘输入和5位数码显示,通过74LS47驱动数码管显示,利用74L138进行译码完成键盘输入功能和数码管选通功能；过载保护电路对起重机实现过载保护.总之设计电路已经满足了设计之初的各项要求.但在很多方面多还可以在以后的研究中得到改进：（1）可以采用更高性能的单片机,以获 取更高的运算速度和更准确的计算结果,并且具有更好的可扩展性；（2）随着芯片集成度的日益增高,可以选用集成度更高的芯片,这样可以使得整个硬件系统更加简单.