基于Atmega128单片机的起重机力矩限制器设计

赵宏伟

摘 要：Atmega128是一款高性价比的单片机，通过内部自带的A/D转换器以及扩展的外围电路，同时对力矩限制器长度、角度和测力信号进行采集，对采集到的数据进行计算、判断处理，做出各种控制动作，具有较好的实时性，能够满足起重装置安全保护性能要求。

关键词：AVR单片机；实时性；数据采集

1 前言

力矩限制器作为起重装置安全监测的主要系统，其安全性、可靠性对起重装置的作业安全起着致关重要的作用，本文介绍了一种基于Atmega128单片机系统的起重装置力矩限制器。通过外围传感器对起重装置多个工作状态参数的实时监测，由Atmega128单片机对所测得的传感器信号进行实时处理，及时判断设备工作状态并适时发出报警信息的智能化设备。具有参数设置、实时状态显示、超限报警等功能。

2 工作原理

起重装置在作业过程中的额定力矩是随幅度和角度不断变化的。在一定的幅度和角度范围内，起重装置所能承受的额定力矩是一个定值；一般情况下，工作幅度变大，起重装置所允许吊起的货物重量就小。为确保起重装置的作业安全，其工作最大起重力矩不得大于额定起重力矩。力矩限制器工作原理如图1所示，长度、角度传感器安装在起重装置基本臂上，起重重量检测使用销轴式测力传感器。力矩限制器根据测得的起重装置伸缩臂的伸缩长度和臂与地面的仰角A，计算出当前起重装置的工作幅度L，由安装在钢丝绳楔套上的销轴式测力传感器测得当前货物实际起重量G，实际起重量G乘以幅度L就是当前起重装置的工作力矩；通过预置于系统中的起重装置额定力矩表，系统得出当前幅度和角度下起重装置允许起吊的最大重量和额定力矩，即额定载荷和额定力矩Mn。

3 系统硬件设计

系统硬件由单片机Atmega128、数据采集通道、CAN总线接口、显示器、报警输出控制信号、长度传感器、角度传感器、销轴式测力传感器等组成。

3.1 Atmega128单片机

作为力矩限制器的核心部分，Atmega128单片机是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。其先进的指令集以及单周期指令执行时间，使Atmega128的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而缓解了系统在功耗和处理速度之间的矛盾。同时，通过其内部自带的8通道10位精度的逐次逼近型A/D转换器，以50ms的扫描周期对长度传感器、角度传感器和销轴式测力传感器输入信号进行实时采集，具备实时性好、可靠性高、电路结构简单的特点。

3.2 数据采集通道

信号数据采集通道电路是系统采集外界信号的通道，它是被检测信号与单片机联系的桥梁，它的精度直接影响系统的性能。因此，在系统设计中信号采集电路的设计占了非常重要的地位。信号采集电路主要由I/V转换和R/C滤波等构成。

长度传感器、主臂角度传感器、销轴式测力传感器的输出信号都是标准的4～20mA电流信号，通过I/V转换电路将传感器电流信号转换为适合Atmega128单片机的0～2.5V电压信号，经滤波电路滤波后，电压信号经单片机内部集成的8通道10位的AD转换模块进行转换，将模拟量转换成相应的数字量，进行数据处理。

系统中传感器与微控制器的接口电路为--电流/电压转换电路。电流/电压转换电路如图3所示。

3.3 CAN总线接口

CAN总线是一种支持分布式控制或实时控制的有效串行通信网络。CAN总线规范目前已被国际标准化组织ISO制订为国际标准，并得到了大半导体器件生产厂家如Motorola、Intel、Philips等公司的大力支持，各公司推出了各种集成有CAN协议的产品，使得CAN总线技术得以迅速推广和应用。

本设计CAN总线接口电路的控制部分采用了控制器SJA1000。SJA1000支持直接连接Atmega128单片机，通过SJA1000的MODE引脚选择接口模式，实现Intel 模式地址/数据总线和读/写控制信号的连接，即使用Intel对SJA1000的Vdd1～Vdd3电源输入脚，外接上驱动+5V电压；而Vss1～Vss3输出接地。设计中，对SJA1000提供16Mkz的晶振。电路设计如图4所示

3.4 数据存储

本设计中采用了FLASH数据存储模块即非易失性闪速存贮器SST25VF512A，该存储模块是采用CMOS浮置门技术和与非存贮结构生产的大容量、高可靠性存贮器件。可以完成对起重装置的工作时间、设备参数、作业过载状态、设备及系统故障的数据信息进行保存，即使在系统掉电后，数据也不会丢失。

3.4.1 SST25VF512A的主要特点

单电压读写操作：2.7～3.6V。

串行接口架构：SPI兼容 模式0和模式3。

高速时钟频率：50MHz。

卓越的可靠性：耐力100000周期；大于100年的数据保存期。

低功耗：有效读电流7mA；待机电流8Ua。

灵活的擦出功能：统一的4K字节擦除；统一的32K字节覆盖擦除。

3.4.2 SST25VF512A的内部结构

3.4.3 SST25VF512A与 Atmega128 的接口电路

3.5 显示器

本设计采用的系统显示器为带CAN总线接口的显示器，显示器带键盘、显示模块、蜂鸣器、报警指示灯。显示器通过CAN总线接口与主控制器连接，进行数据通讯；通过显示器键盘，可以完成设备参数设定、系统时间设置等设置功能；显示器显示模块可以实时显示主控制器发送的主臂长度、主臂仰角、最大起重高度、工作幅度、实际起重量、额定起重量、力矩百分比等起重装置的实时工作参数；蜂鸣器和报警指示灯，可根据主控制器发出的报警状态输出报警信号。

4 结束语

本力矩限制器设计采用Atmega128位单片机，实现了对设备数据的实时数据处理，提高了起重装置的作业安全性，实现了对起重机设备实时安全监控及保护功能，满足起重装置安全保护的使用要求。

参考文献

[1]吴邦春，周洪，陈可群，等.一种新型汽车起重机力矩限制器的研制[J].微计算机信息，2005，11（2）：112-113，121.

[2]徐其荣.GB7950-1999臂架型起重机起重力矩限制器通用技术条件[M].北京：中国标准山版社，2000.

[3]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

（作者单位：长治清华机械厂）