桥式起重机起重量监测系统研究

徐海群，强宝民，何祯鑫

(第二炮兵工程学院，陕西 西安 710025)

1 前言

超载作业是造成起重事故的主要原因，轻者损坏起重机零部件，如电机过载，结构变形;重者造成断梁、整机倾覆的重大事故［1］。起重量限制器是桥式起重机的重要保护装置之一，用来防止因超重而引起的起升电机、传动机构及钢丝绳的损坏。但是起重量限制器只能在极限状态下保护起重机的起升机构不受损坏，不能显示出起重量值［2］，因此，操作手在操作过程中不了解起重机每次起吊重量的具体状况。为了进一步提高桥式起重机的安全性能和工作效率，设计一种桥式起重机起重量监测系统就显得非常重要。

传统的信号传输使用导线传输，传输方式常常无法避免电磁干扰的影响，并且由于桥式起重机特殊的结构方式，使得系统需要较长的传输线来传输信号，这种传输方式不但技术干扰强度增大，而且增加了系统的成本且维护也不方便。近年来，无线技术发展迅猛，给信号的传输提供了很大的便利。本文即采用无线传输技术来实现桥式起重机起重量的监测。

2 系统总体方案设计

本系统主要实现对桥式起重机起重量的在线监测。当起重机在起重作业时，钢丝绳在重物作用下产生应力变化，通过张力传感器可以测量到钢丝绳的应力变化情况，并经过信号处理后在液晶屏(安装于手电门上)上显示出重量值，当起重量超过额定起重量时进行报警。由于桥式起重机的机构特征，采用无线方式来实现信号的通信。因此，系统主要由发射系统和接收系统组成。

发射系统由测量桥式起重机钢丝绳起重量的张力传感器、微处理器、发射单元等组成，采用电池供电，如图1所示。主要包括三大功能:信号检测、数据处理和信号发射。对起重量的在线监测是本系统的关键功能，从张力传感器上获得的信号首先经过信号调整电路进行放大，再由微处理器控制对其实施采样并进行A/D转换，然后通过射频发射电路对载波进行调制后发射出去。

图1 发射系统总体方案图

接收系统主要由无线接收单元、微处理器单元、显示单元、键盘单元、报警单元组成，如图2所示。主要完成数据接收、解调、数据处理、显示、存储、声光报警和手动设定单片机等功能。

图2 接收系统总体方案图

3 硬件电路设计

本系统采用Atmega16芯片作为系统的主控制芯片，该芯片具有速度快，片内资源丰富，保密性好，工作电压范围广、功耗低等特点［4］。其中，发射系统主要由传感器、Atmega16和无线发射单元组成。传感器采用托利多公司的SB-10A高阻抗剪切梁抗传感器。其工作原理为:弹性体在外力作用下产生弹性变形后，其阻值将发生变化，经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号传递给Atmega16。无线发射单元采用SRWF－1微功率无线数传模块。发射系统电路如图3所示。

接收系统主要由无线接收单元、显示和报警单元、阈值设定模块、LCD液晶显示模块组成。操作人员首先设定阈值。当桥式起重机某个按钮被按下时，相应的辅助接触器通电唤醒发射子系统的单片机对检测到的数据进行处理并发送。当无线接收单元接收到发射子系统发送过来的信号后，经过解调、滤波后送给单片机系统处理，在显示单元系统将显示当前的起重量值，当超过设定的阈值时，系统就会进行报警提醒操作人员采取相应的措施，排除安全隐患。参数的设定是通过按键来完成的。显示界面使用的是液晶屏，能够进行静态显示和动态显示，方便了操作人员查看桥式起重机关键参数当前的状况。报警系统通过系统内置的蜂鸣器来实现。具体的电路图如图4所示。

图3 发射电路原理

图4 接收电路原理

4 无线收发模块

本系统采用SRWF－1型微功率无线数传模块，该模块是采用高效FEC前向纠错技术结合高性能的无线射频IC，以及高速微处理器相结合而开发出的一款无线通信模块，具有很强的抗干扰能力，提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议，并且具有自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据(所发即所收)，体积小，功耗低传输距离远的特点，使用时不需要任何编码技术，即使是半双工通信，用户也无需编制多余的程序，只要从接口收/发数据即可，其它如空中收/发转换、网络连接、控制等操作，SRWF-1型模块能够自动完成。SRWF-1模场面主要性能参数如表1所示。

表1 SRWF-1模块主要性能参数

SRWF-1型微功率无线收发模块与Atmega16接口方式选择TTL串口，接线方式如图5所示(其他引脚悬空不连，以免引入干扰)。

图5 SRWF－1与单片机实现TTL串口通信接线图

5 系统主程序设计

发射系统主程序流程图如图6。发射系统主程序完成系统初始化之后就进入低功耗状态。当起重机得以控制按钮被按下时，单片机通过中断会被唤醒进入工作状态，控制信号的采集、处理、发送。需要采集的是钢丝绳应力信号，为了降低随机性干扰和振动的影响，对采集到的信号进行低通滤波处理，然后单片机控制将检测到的制信号通过无线传输发送给接收系统。以上功能可包含在无线发射子程序设计中。无线通信中数据是以帧为单位进行传输。

在接收到数据后，首先应当判断接收到的数据的格式正确与否，确认无误后，再和存储器中的三个子系统ID值比较，地址匹配就进行数据接收。否则清除当前数据后待机。接收完毕后，进行CRC冗余校验，判断数据是否有效。如果该帧数据无效，则舍弃接收到的数据，重新等待接收数据;如果该帧数据有效，更新数据，然后才进入数据处理程序处理，以上功能也在无域异步接收子程序中完成，然后判断是否满足报警条件。接收系统主程序如图7所示。

5 结束语

本系统针对桥式起重机起吊重物过程中操作人员对起吊重物起重量未知的问题，同时结合以往起重量限制器的优缺点而设计。系统结合桥式起重机的结构特征，利用无线通信技术来实现信号的通信。经过起吊固定重量进行调试，系统能够实时地显示桥式起重机起吊重物时的起重量，很好地解决了桥式起重机在工作过程中操作人员不能明确知道起重量的问题，同时当起吊重量超过额定起重量时，系统能及时地进行报警。实验表明该系统运行正常，并且能有效地避免起重设备因过负荷超载造成的设备和人身事故，可作为起重机安全装置应用于各种起重机。

［1］ 王福绵．起重机械技术检验［M］．北京:学苑出版社，2000．

［2］ 贾永峰，郭全民．基于数据拟合的塔机起重量监测系统［J］．机电工程技术，2009，(7)．

［3］ 黄任．AVR单片机与CPLD/FPGA综合应用入门［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2004．