龙门吊安全监测系统Word下载.docx
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DalianUniversityofTechnology
摘要
龙门吊,即门式起重机。
主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。
门式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点,在港口货场得到广泛使用。
由于龙门吊一般起重质量较大的物体,其主梁承受应变较大,具有一定的安全隐患,故需要能对其起吊重物进击监控报警的装置。
本设计主要用于测量龙门吊起吊物体的重量,运用电阻应变片监测龙门吊横梁某一截面所受的弯曲应力,并运用位移传感器测量悬挂重物的位移,将测量所得的模拟量通过AD转换芯片转换为数字量,并使用AT89C51单片机进行分析处理,在数码管上显示起吊重量,并在超重时报警。
关键词:
龙门吊;
应变片;
单片机
Abstract
Thegantrycrane,mainlyusedforoutdoorgoodsyard,materialgoods,bulkcargohandlingoperation.Thegantrycranehasthecharacteristicsofhighutilizationofsite,widescopeofoperation,wideadaptabilityandstronguniversality.Itiswidelyusedinportyard.
Becauseoftheheavyliftingmassofthegantrycrane,itsmaingirderissubjectedtoagreatstrain,whichhascertainsafetyhazards,soitneedstobeabletocarryheavyweighttothemonitoringandalarmdevices.
Thisdesignismainlyusedformeasuringtheweightofthegantrycraneliftingobjects,usingresistancestraingaugemonitoringgantrycranebeamsacrosssectionofthebendingstress,andusepensileclogdisplacement,displacementsensortomeasuretheincomeoftheanalogquantityisconvertedtoadigitalquantitythroughtheADconversionchip,anduseAT89C51analysisprocessing,onthedigitaltubedisplayliftingweight,andalarmwhenoverweight.
KeyWords:
Gantrycrane;
Straingauge;
MicrocontrollerUnit
引言
龙门吊(即门式起重机)是桥架通过两侧支腿支撑在地面轨道上的桥架型起重机。
在结构上由门架、大车运行机构、起重小车和电气部分等组成。
有的门式起重机只在一侧有支腿,另一侧支撑在厂房或栈桥上运行,称作半门式起重机。
门式起重机的门架上部桥架(含主梁和端梁)、支腿、下横梁等部分构成。
为了扩大起重机作业范围,主梁可以向一侧或两侧伸出支腿以外,形成悬臂。
也可采用带臂架的起重小车,通过臂架的俯仰和旋转扩大起重机作业范围。
龙门吊在各种机械加工车间、室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头、造船厂、发电厂等部门和场所均得到广泛的运用。
目前,龙门吊普遍缺乏监测装置,具有一定的安全隐患。
本设计主要应用于龙门吊起吊重物质量的监测,使用了电阻应变片和拉线式位移传感器测量主梁应变和吊钩位移,计算得出起吊重物重量,选用AT89C51作为处理数据的单片机,数码管显示测量数据,并使用蜂鸣器进行超载报警,选用元器件成本低,并能有效的测量出起吊重物的质量,在一定程度上减少了安全隐患。
设计中,使用了材料力学的方法对龙门吊进行力学分析,使用AltiumDesigner绘制了测量电路的原理图,使用Keil编写了C51程序。
相关的AltiumDesigner原理图以及C51程序源文件可在下述网盘中获取:
1龙门吊型号及设计要求
1.1龙门吊型号
龙门吊的金属结构像门形框架,承载主梁下安装两条支脚,可以直接在地面的轨道上行走,主梁上装有用于起吊重物的电动机。
图1.1所示即为一种简易的龙门吊。
以此龙门吊为模型设计监测系统。
图1.1
该龙门吊的基本参数如图1.2下所示
图1.2
主梁跨度为9米,高度为6米,最大起重重量为10吨,材料选用45钢,屈服强度355MPa,弹性模量取200GPa,主梁的截面结构如图1.3所示。
图1.3
1.2设计要求
设计要求2位数码管显示起吊物体质量,精度0.1吨,在起吊物体质量超出10吨时给出报警。
2设计方案概述
本设计方案的基本工作流程如图2.1所示。
图2.1
在龙门吊主梁中点处粘贴电阻应变片,测量中点处主梁应变,使用位移传感器测量吊钩在主梁上的位置,运用一个放大电路,将电阻应变片两端的电压放大,将放大后的信号,与位移传感器的信号,一起发送给一个模数转换芯片,将两者测量所得的模拟量转换为数字量发送给单片机,单片机对测量数据进行分析运算,并判断所载重物是否超载,如果超载,则蜂鸣器报警,数码管给出超载提示;
如果没有超载,则数码管显示所载重物的质量。
3龙门吊的力学分析
3.1主梁的弯矩分析
对龙门吊主梁的受力可大致认为如图3.1所示。
主梁长度l为9m,吊钩在C点处给主梁向下的力F。
图3.1
计算A、B点支反力:
计算主梁弯矩:
可得主梁弯矩图如图3.2所示
图3.2
在吊钩所在位置C处主梁所受弯矩最大。
电阻应变片选择粘贴在横梁中点D处,计算D点弯矩:
3.2梁的应变
3.2.1弯曲正应力计算
纯弯曲时梁横截面上任一点处正应力的计算公式为
M为横截面上的弯矩,y为所求点的坐标,为横截面对中性轴的惯性矩。
横截面上的正应力沿截面高度呈线性分布,中性轴上,在横截面的上下边缘处,即处,正应力达到最大值,为
主梁截面已知,如图1.3所示。
惯性矩计算公式如图3.3所示。
图3.3
D点处的最大正应力为
3.2.2应变与吊钩拉力的关系
应变计算公式为:
为正应力,为弹性模量,龙门吊主梁使用材料为45钢,弹性模量为200GPa。
D点应变为:
带入:
带入、:
带入,时:
时:
整理可得:
得到吊钩对主梁的力F与主梁中点处应变的对应关系,将在后续运算中使用。
4传感元件的选择
4.1电阻应变片
4.1.1电阻应变片的选择
通过之前的计算已经得知了吊钩对主梁的力F与主梁中点处应变的关系,可以计算出最大应变。
当悬挂10吨重物,时,最大。
代入数据,计算得
图4.1是一系列型号的应变片,选择应变片BF350-611(11),该应变片的适用温度为-30℃~80℃,允许的极限应变为0.02,符合设计要求。
灵敏度K=2.00~2.20,由于本课程设计缺少实验标定,这里计算时K取2.00。
图4.1
4.1.2全桥测量
将应变片组成如图3.2所示的电桥。
图4.2
图中E为5V的供电电源,为电桥输出电压,四个电阻应变片构成测量电桥。
根据电桥测量原理,电桥输出电压为:
取,则有:
这样,得到了输出电压与应变的关系。
4.2拉线位移传感器
在本系统中,为了计算得到起重物体的质量,除了测量应变之外,还需要测量吊钩的位移,这里选择使用拉线式位移传感器如图4.3所示。
图4.3
图4.4
该类型的拉线式位移传感器技术参数如图4.4所示。
选择模拟输出类型,输出信号为0-5V电压,拉线长度0-20米。
元件图如图4.5所示。
图4.5
5模数转换
5.1AD转换芯片选择
由于应变片和拉线式位移传感器采集到的信号皆为模拟信号,而51系列单片机只能处理数字信号,因此需要AD转换芯片将模拟信号转换为数字信号。
本设计选用ADC0809作为AD转换芯片。
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道,8位逐次逼近式A/D模数转换器。
它的内部结构和引脚如图5.1和图5.2所示。
图5.2
图5.1
ADC0809内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
它的主要特性如下:
主要特性
1)8路8位A/D转换器,即分辨率8位。
2)具有转换起停控制端。
3)转换时间为100μs
4)单个+5V电源供电
5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
6)工作温度范围为-40~+85摄氏度
7)低功耗,约15mW。
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装。
下面说明各引脚功能:
IN0~IN7:
8路模拟量输入端。
D0~D7:
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC:
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路,对应关系如图5.3所示。
图5.3
ALE:
地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
START:
A/D转换启动信号,输入,高电平有效。
EOC:
A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE:
数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
当ST上跳沿时,所有内部寄存器清零;
下跳沿时,开始进行A/D转换;
在转换期间,ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时,表明转换结束;
否则,表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=1,输出转换得到的数据;
OE=0,输出数据线呈高阻状态。
D7-D0为数字量输出线。
CLK:
时钟脉冲输入端。
因ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,通常使用频率为500KHZ。
REF(+)、REF(-):
基准电压。
Vcc:
电源,单一+5V。
GND:
接地端。
本设计中,共需要用到两个输入引脚,分别输入应变片和位移传感器采集到的模拟信号,由单片机控制地址输入,所需的时钟信号也由单片机模拟获取。
5.2应变片放大电路
由于ADC0809模拟输入的电压范围为0~+5V,而应变片电桥输出的电压非常小,故需要一个放大电路对电信号进行放大。
由之前的计算已经得到,在载重允许范围内,应变
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