由于履带式起重机结构复杂、臂架组合模式多，一旦发生事故，将会造成重大损失。因此，为了保证起重机安全工作，安全监控装置是大型机械履带起重机不可缺少的重要部分。履带起重机安全监控仪不但可以提高履带起重机的安全性能，而且还可以提高履带起重机工作时的效率。本文介绍了一种基于单片机C8051F040的履带式安全监控仪，实现了对履带起重机状态检测、控制以及超限报警等常规功能，并且具有点阵LCD中文、图形显示和超载记录等功能。利用它可以提高起重机的自动化程度、控制精度和操作安全性。

1 系统的组成及主要功能

该力系统主要由拉力传感器、角度传感器、测量及数据传输与处理系统等组成。安全监控装置多安装在履带式起重机吊钩前的起升绳上取力，但传感器安装在钩前不但会影响到起重机的正常工作，而且起重机也容易被损害。本文采用在履带起重机的变幅绳上取力，既消除了上述因素的影响, 同时也解决了变幅绳上取力时吊臂重量及角度对取力的影响。

根据测量到的臂的角度和当前工况，计算工作幅度，利用插值算法的带当前额定载荷，同时通过测量到变幅力，计算当前实际载荷。当实际载荷小于相应工况下的额定值时，LED 显示报警装置显示白色，起重作业正常；当实际载荷大于相应工况下额定值的90%时，系统发出报警信号，并且报警装置显示黄色；当实际载荷大于相应工况下额定值并小于额定值的110%时，系统发出报警信号，并且报警装置显示红色，同时应切断上升和幅度增大方向的电源，但机构可做下降和减小幅度方向的运动；当实际载荷大于相应工况下额定值的110%时，系统立即切断工作电源。LED显示器显示工作幅度以及载荷等信息。实时数据记录芯片记录非正常状态下的载荷值以及超载信息等相关数据。

图1 硬件组成

2 硬件电路

系统硬件组成如图1所示，包括传感器、c8051f040单片机、键盘输入、复位电路、时钟电路、数据存储、报警制动电路、液晶显示等部分。

2.1数据采集通道

数据采集通道中使用拉力传感器、角度传感器。拉力传感器采用BROSA-0111，此用在提升设备、起重机（安在绳索上）、传输机以及一般机械工程中，安装简单；而角度传感器都采用BROSA-0802，此传感器是绝对角度传感器，用于液压升降台、挖掘机、装载机和行走式起重机，安装简单。拉力传感器和角度传感器分别采集变幅绳拉力和主臂仰角信号，由于该两款传感器输出信号都是标准4~20mA电流信号，所以通过I/V转换电路即可转换为适合单片机的0~2.5V电压信号，最后将电压信号送入A/D转换器进行转换。

C8051f040单片机内部集成了8路12位的AD转换模块，它具有转换速度快、精度高及读取方便等特点。拉力传感器和角度传感器信号分别送入IN1和IN2，经I/V转换电路后，再送入AD的AIN0.0和AIN0.1，将模拟量转换成相应的数字量，再进行数据处理。

系统中拉力传感器与微控制器的接口电路为一电流/电压转换电路。设计的电流/电压转换电路图如图2所示。

设图中W1阻值为X，输入电流为IN1，输出电压为AIN0.0，则：

要求：

输入电流范围：4～20mA

输出电压范围：0～2.5V

按照要求利用上面的公式代入各值可得如下式子：

以IN2为输入，AIN0.1为输出的转换电路与上述电路相同，在此只以一路为例介绍。2.2 数据存储

在单片机应用系统中，经常需要保存一些数据，即使在系统掉电后，也不丢失。本仪器中需要保存起重机的工况参数、传感器的标定系数和起重机过载时的记录数据。这里采用两种数据存储方法。

2.2.1 FLASH数据存储

在此选用SAM SUNG公司采用CMOS浮置门技术和与非存贮结构生产的大容量、高可靠性的非易失性闪速存贮器K9F5608U0A。其主要特点是储存的数据可在线修改，并能在断电的情况下保持修改的结果。该器件所提供的片内控制器、状态寄存器和专用命令集使其可以灵活应用于各种存储系统电路，其8位I/0端口可以方便地实现地址、数据和命令的多路复用，这样不但大规模降低了引脚数，而且便于系统今后扩充存贮容量而不需改变系统板结构设计。

2.2.2 U盘存储

采用即插即拔设备U盘来保存数据，U盘可以随时移动，数据可以通过PC读出和修改。在USB接口上可以插U盘，单片机可以读取保存在U盘上的起重机载荷特征曲线，也可以把存储在FLASH中的超载数据保存到U盘上。另外，可以扩展其他功能使用，例如，U盘可以存储起重机故障信号。

本系统中采用南京沁恒公司的CH375专用USB控制芯片。CH375是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-SLAVE设备方式。CH375的USB主机方式支持各种常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯。CH375还内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备（包括USB硬盘/USB闪存盘/U盘）。

图2 电流/电压转换电路图

2.3 实时时钟模块的电路设计

本仪器具有超载数据记录功能，以供曰后起重机故障分析或维修保养使用。超载记录的数据除了起重机作业时的一些参数外，还必须提供数据记录的时间，因此本仪器应能提供时间信息，如年、月、日、时、分。

串行实时时钟芯片S-3530A就是一种支持I2C总线接口的串行CMOS实时时钟芯片，具有计时精准、功耗极低、与外围电路连接简单等特点，芯片内部集成的RAM能够存储一定的数据，可以用来保存系统所需的常数，使用方便，可靠性很高。

2.4 报警、显示电路

当超载情况发生时，报警电路做出及时报警动作。系统的显示部分要求在正常工作状态时以图形形式实时显示主臂长度、主臂仰角、工作幅度、实际起重量、额定起重量、力矩质量百分数等工作参数测数据，即要求显示器件可以显示字符、汉字和图形。采用的LCD显示器是北京迪文科技有限公司生产的液晶显示器M600，该显示器具有640 ×480 点阵的宽大屏幕，支持图形、字符混合显示，便于设计出友好的操作界面。

3 软件设计

软件设计是安全监控保护装置的重要内容之一，采用C语言进行模块化软件设计。软件功能模块见图3所示。

程序运行时，安全监控仪首先进行程序自检及初始化，然后对模拟信号进行A/ D 转换，将采集的数据实时显示在LCD 上；如果实测起重力矩超载，软件会根据所采集的信息，输出声音报警或光报警或强制停机等信号；软件具有记录超载数据的功能；通过键盘输入，显示超载数据。

图3 软件功能模块

4 结论

这种安全监控装置经过严格的实验室模拟测试，性能表现良好，达到了设计要求，可以准确地反映出履带起重力矩特性，并准确地对履带起重量和变幅幅度进行控制，对履带起重机的安全工作起到了很好的保护作用并提高了工作效率，有效地预防了事故的发生。