理工学院毕业设计（论文）
其中：FSY 为横截面上的剪力； SZ 为对Z轴的静矩；
*? 为横截面宽度；
IZ 为截面对中性轴Z的惯性矩。
SY F ? P / (2-2) 2
22332D?D2d?dD?d* S Z ? ? ? ? ? (2-3)
3?83?812
(2-4) ?D4??d4
IZ?64将公式带入得到空心截面处的剪力:
8PD2?Dd?d2?=?3?D4?d4(2-5)
其剪应变为：
(2-6) G中点处与轴线成45O角处的主应力、主应变为:
???8PD2?Dd?d2????=??3?D4?d48P(1??)D2?Dd?d2??????23?ED4?d4(2-7)
?(2-8)
2.2.3小车变幅测量
由于塔机工作环境复杂多样，地面设备、障碍物高低不定，塔机操作人员很难判断小车工作幅度。为了防止起重臂变幅失控，小车工作幅度需要保持在一个安全的范围。目前，小车行程限位器多用机械齿轮传动式的行程开关，由于机械的频繁接触，限位器容易损坏，从而发生事故。本文通过传感器对小车行程信息进行采集，运用数字式开关代替原有的机械开关，使塔机工作更为安全。小车的工作幅度可以通过测量导向滑轮、旋转齿轮等回转体来测量，而测量回转体一般选用旋转编码器。
旋转编码器根据刻度方法与编码器的输出形式，可以分为增量式和绝对式编
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第2章系统总体方案设计
码器[11]。增量式光电编码器主要由光源、码盘、监测光栅、光敏元件和转换电路组成。增量式光电旋转编码器一般输出三路信号，包括以正弦波或方波脉冲出现的A、B相信号以及零位信号Z。光敏元件所产生的信号A、B彼此相差900，利用A、B相之间的相位差，可以判断编码器的转向。Z相为每转一圈产生一个脉冲，用于基准点定位。绝对式光电编码器直接输出二进制数字信息。在其圆形码盘上，沿半径方向有若干同心码道，每条码道都是由多个透光、不透光的扇区相间组成，在码盘的一侧是发光体，另一侧则是光敏元件，当光线通过透光的扇照射到光敏元件上时，经过光电转换及电子处理电路的调制后将位置信息以数字信号形式输出。
小车工作幅度可通过测量相关工作机构导向滑轮所转过的圈数及导向滑轮的半径间接测出。当塔机停机时，变幅机构处于制动状态，只要在断电前将小车工作幅度这个物理量存储起来，开机后再从存储器读出这数据即可，因而可以选用没有记忆功能的增量式光电编码器进行信息采集。相对于绝对式光电编码器来说价格便宜，性价比高。通过联轴器将其与变幅机构的传动齿轮或者导向滑轮相连。
本文选用DBS50型轻载增量式光电编码器，在同类产品中其性价比最高。其分辨率可选范围为100~2500，工作电压有DC 4.5~ 5V (TTL) 、DC 7~24V (MTL) , DC 4.5~5.5V(NPN)，电气接口有TTL、HTL、NPN开路集电极。使用单片机作为数据处理核心时，通过光电耦合器与单片机连接。
2.2.4力矩传感器设计
为了保证塔机的安全运行，力矩限制器是必要安装的装置。我国在GB 12602-90《起重机械超载保护装置安全技术规范》中规定：电气型力矩限制器综合误差不得超过±5%，机械型力矩限制器综合误差不超过±8%，其显示误差不超过±5%。现目前，最多运用的是弓形板力矩限制器，尤其是在老式塔机上面应用广泛。但是其灵敏度较低，不能实时、准确地反映塔机起重力矩的变化。本文设计了一种利用检测起重重量和小车变幅幅度来检测塔机力矩变化的电子式力矩限制器[5]。
塔机的力矩由作用力和力臂决定。其中作用力包括塔机起重重量、吊具、钢丝绳等的重量。塔机力矩的计算公式为:
其中:M—塔机起重力矩; K—安全系数；
P—塔机额定起重量（包括起重重量和吊具重量）;
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M?K?P?L
(2-9)
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L—吊重至塔身回转机构的距离（力臂）。
塔机额定起重量P由轴销式传感器测得。力臂L由光电编码器测得:
L???d?a/n其中:d—光电编码器安装滑轮直径;
a—实测光电编码器的输出脉冲数; n—光电编码器每转输出的脉冲数。
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传感器所测得的数据经过单片机处理后与塔机额定起重力矩进行比较，在通过力矩限制器对塔机的运行状态进行监控和控制。当塔机实际起重力矩达到额定起重力矩的90%左右时发出预警信号，达到或超过额定起重力矩时发出报警信号，并且断开塔机向危险方向运动的信号。
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第3章系统硬件设计
第3章系统硬件设计
3.1系统硬件方案确定和主要芯片选型 3.1.1单片机的选择
考虑到与自己熟悉的
CPU相近的芯片，在国内有成熟的开发条件和稳定的供
货来源，同时考虑微型机的字长、运算速度、中断系统、指令系统、片内RAM、片内ROM的数量及定时器的数量等方面，本文选用AT89C52为中央数据处理器[4]。AT89C52为40脚双列直插封装的高性能CMOS 8位通用微处理器，在内部功能及管脚排布上与通用的8×C52相同，它采用工业标准的C51内核，主要用于会聚调整时的功能控制。其各引脚功能如下：
P0口： P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Fl-ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口： P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
表3-1 P1.0和P1.1的第二功能 引脚号 P1.0 P1.1 功能特性 T2，时钟输出 T2EX（定时/计数器2） 14
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P2口: P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口： P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST： 复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
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PSEN： 程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
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EA/VPP： 外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为
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0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），
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