黑龍江科技大學 測控基于單片機制作的起重限制器

1、黑龍江科技大學課程設(shè)計報告項 目 名 稱：基于單片機制作的起重限制器 所 屬 課 程： 智能儀器 設(shè) 計 日 期： . 1 2 . 班 級 測控10-班 學 號 姓 名 指導教師 成 績 電氣與控制工程學院課程設(shè)計報告說明一、寫報告前，請認真閱讀課程設(shè)計報告說明。二、打印裝訂要求1、一律用A4紙，雙面打印，并左側(cè)裝訂，一式1份，并同時上交電子版（電子版上傳郵箱deloobyhit）。課程設(shè)計報告說明頁也打印。2、課程設(shè)計概述部分占一頁；課程設(shè)計內(nèi)容長度根據(jù)實際需要填寫；結(jié)論和指導教師評語及成績單獨占一頁。保證打印格式工整。三、報告內(nèi)容要求1、課程設(shè)計目的結(jié)合實際自己寫，不要雷同2、課程設(shè)計要求

2、按下發(fā)的設(shè)計題目寫3、課程設(shè)計原理簡要說明所完成課程設(shè)計項目所涉及的理論知識4、課程設(shè)計內(nèi)容 這是課程設(shè)計報告極其重要的內(nèi)容。概括整個課程設(shè)計過程。（最好在上述內(nèi)容基礎(chǔ)上畫出相應的流圖、設(shè)計思路和設(shè)計方法，再配以相應的文字進行說明。）一、課程設(shè)計概述1、課程設(shè)計目的 基于單片機制作起重量限制器，核心處理器是AT89C51單片機，傳感器采用應變片傳感器。系統(tǒng)只需要外界220V電源，實現(xiàn)了最大量程20T和運行、密碼、檢測、零點、標定、額重、超載的設(shè)定、報警及控制等功能。2、 課程設(shè)計要求 1、按鍵：功能之間的切換、數(shù)碼管間切換、調(diào)節(jié)增加、調(diào)節(jié)減小。 2、數(shù)碼管：4位數(shù)碼管所有數(shù)據(jù)都保留小數(shù)點后一位

3、。 3、量程：安全量程是最大量程的90%，預警量程是最大量程的100%，超載量程是最大量程的105%；最大量程20T。 4、功能：運行、密碼、檢測、零點、標定、額重、超載。 5、界面： （1）運行界面：正常運行。 （2）輸入密碼。 （3）進行AD采樣。 （4）顯示所測重量。 （5）判斷是否有預警 /超重 6、燈：運行、預警、繼電器的控制。 7、喇叭：報警頻率不一樣。3、 課程設(shè)計原理 起重量限制器由兩大部分組成，傳感器和控制器。當起重機械起吊重物，重量傳輸?shù)絺鞲衅魇箓鞲衅鳟a(chǎn)生微量電壓變化，經(jīng)儀表放大器放大后經(jīng)高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號。數(shù)字信號直接由單片計算機讀取，經(jīng)單片機進行數(shù)據(jù)處理

4、數(shù)據(jù)顯示、換算成重量值。根據(jù)重量信號控制聲光報警及起重機起升控制回路。該值與額定比較： 如達到90%的額定值（可設(shè)定）時，輸出一對無源繼電器觸點信號(常閉)，另外重量值可根據(jù)控制器的命令送到控制器處理后顯示出額定重量，起重重量預報警和報警聲響：黃色指示燈亮，蜂鳴器發(fā)聲。 如達到105%的額定值（可設(shè)定）時，限制器發(fā)出報警信號，紅色指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出連續(xù)聲。 數(shù)碼管鍵盤 數(shù)模轉(zhuǎn)換器放大電路傳感器蜂鳴器AT89C51單片機 指示燈繼電器操作系統(tǒng)硬件原理框圖二、課程設(shè)計內(nèi)容 基于單片機制作的起重限量器的系統(tǒng)總體設(shè)計： 系統(tǒng)由傳感器電路及測量放大電路、主芯片AT89C51單片機、AD轉(zhuǎn)換電路、指示燈

5、電路、顯示電路組成。1. 傳感器 1.1 電阻應變式稱重傳感器的原理    原理：電阻應變式傳感器的工作原理是以應變效應為基礎(chǔ)的。它由彈性體、電阻應變片及若干元器件組成。將四片電阻應變片粘貼在彈性體上, 當有負荷作用時, 彈性體在貼片處即產(chǎn)生拉、壓成雙的彎曲應力（或剪應力）, 從而使應變片發(fā)生阻值變化, 利用惠斯頓電橋電路就可輸出電信號 1.2 稱重傳感器的組成部分    傳感器主要由電阻應變片、彈性體、檢測電路三部分組成。應變片是一種傳感元件 , 它的作用是將變形轉(zhuǎn)變成電阻變化;彈性

6、體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件,它的主要作用是將力轉(zhuǎn)換為形變;檢測電路的主要部件是惠斯登電橋,它可以比較方便地解決稱重傳感器的補償問題,其功能是把電阻應變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娦盘栞敵觥?#160; 1.3 工作原理     圖1 應變片傳感器圖稱重傳感器的基本電路如圖1所示 可以推出:  式中  R16、R17、R18、R19 為應變片電阻; Ui為傳感器的輸入信號; Uo 為傳感器的輸出信號。 當R16R17=R18R19= 時&#

7、160;, 我們稱之為電橋平衡 , 這時圖 1 基本電路圖 稱重傳感器的輸出電壓Uo= 0mV。  物料重量通過電子衡器的秤體或料斗作用于稱重傳感器 , 稱重傳感器的彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形 , 使粘貼在它表面的電阻應變片也隨同產(chǎn)生變形 , 電阻應變片變形后 , 它的阻值將發(fā)生變化 (增大或減小) 。再經(jīng)相應的檢測電路 , 把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號 (電壓或電流) 輸出

8、 , 從而完成將外力變換為電信號的過程。 設(shè)R16=R17=R18=R19=R 當受到重力作用后,傳感器的應變片電阻發(fā)生變化,假設(shè)各橋臂阻值變化相同,變量為RD , 即:R16、R17分別減小RD , R18、R19分別增大RD 時  可以推出傳感器的輸出電壓為: Uo=RUi/R=D2. 放大電路 經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行A/D轉(zhuǎn)換。為此，測量電路中常設(shè)有模擬放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依

9、靠由集成運算放大器的基本元件構(gòu)成具有各種特性的放大器來完成。 放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一些要求： 1、 輸入阻抗應遠大于信號源內(nèi)阻。否則，放大器的負載效應會使所測電壓造成偏差。 2、 抗共模電壓干擾能力強。 3、在預定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。 4、能附加一些適應特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)整、方便準確的量程切換、極性自動變換等。 因此放大電路采用儀器放大器。 測量放大電路的作用，其一是對傳感器的輸出

10、阻抗進行匹配，變換為低阻抗輸出；其二是放大傳感器輸出的微弱電信號；另外，它還對測量電路有提高信噪比，提高靈敏度等作用。 圖2 放大電路 LM324為四運放集成電路，采用14交雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，LM324工作電壓范圍寬，可用正電源330V，或正負雙電源 -1.5 +15工作。它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為0Vcc。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互單獨。每一組運算放大器可用如式所示的符號來表示，它有5個引腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個

11、信號輸入端， Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 應變片傳感器輸出的是電流信號, 必須把電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號并進行放大,才能適合A/D轉(zhuǎn)換的要求。電路圖如圖2所示 然后經(jīng)過濾波直接送A/D轉(zhuǎn)換部分。 .AT89C51單片機 整個系統(tǒng)包括主控制部分,信號處理部分和電源管理部分,其中主控制模塊以AT89C51單片機為核心處理器,如圖3所示，本系統(tǒng)采用單片機AT89C51為中心器件來設(shè)計脈沖寬度測量器，系統(tǒng)實用性強、操作簡單、擴展性強。 單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作。89C51單片機內(nèi)

12、部有一個時鐘震蕩電路，只需外接震蕩源，就能產(chǎn)生一定頻率的時鐘信號送到單片機的各個單元，決定單片機的工作速度。 圖 3 AT89C51單片機計算機在啟動運行時都需要復位，復位使中央處理器和系統(tǒng)中的其他器件都處于一種初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始工作，單片機有一個復位引腳當單片機運行時，在此引腳加上持續(xù)時間大于個機器周期的高電平時，就可以完成復位操作。為了可靠的復位，復位時間都在微秒以上。 4AD轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號，即模擬量轉(zhuǎn)換成與其比例的數(shù)字量。一個完整的A/D轉(zhuǎn)換過程，必須包括采樣、保持、量化、編碼四部分電路。A/D轉(zhuǎn)換器的芯片ADC0808是8路模

13、擬信號的分時采集，如圖4所示，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，藝相應的選通道抵制鎖存用譯碼器電路，其轉(zhuǎn)換時間為100微妙左右。ADC0808是一種逐次比較式8路模擬輸入8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。這種直接逐位比較型（又稱反饋比較型）轉(zhuǎn)換器是一種高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換精度很高，但對干擾的抑制能力較差，常用提高數(shù)據(jù)放大器性能的方法來彌補。它在計算機接口電路中用得最普遍。   間接法不將電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字，而是首先轉(zhuǎn)換成某一中間量,再由中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字。常用的有電壓-時間間隔(V/T)型和電壓-頻率(V/F)型兩種，其中電壓-時間間隔型中的雙斜率法（又稱雙積分法）用得較為普

14、遍。   模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選用具體取決于輸入電平、輸出形式、控制性質(zhì)以及需要的速度、分辨率和精度。   用半導體分立元件制成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器常常采用單元結(jié)構(gòu)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)換器體積逐漸縮小為一塊模板、一塊集成電路。 IN7IN0:模擬通道。 ALE地址鎖存允許信號。對應ALE跳沿，A，B，C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START上升沿時，轉(zhuǎn)換ADC0808：START下降沿時，啟動芯片，開始進行A/D轉(zhuǎn)換，在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應保持低電平。本信號有時間簡寫為ST。 圖4 A/D0808模數(shù)轉(zhuǎn)換 顯示部分 顯示部分包

15、括數(shù)碼管顯示重量和指示燈指示，數(shù)碼管是四位共陽極數(shù)碼管（如圖所示），指示燈部分是三個發(fā)光二極管構(gòu)成（如圖所示）。圖四位數(shù)碼管圖三個發(fā)光二極管當起重機的起重重量達到額定值的90%105%以內(nèi)黃燈顯示，當超過額定值的105%則報警，并且紅燈顯示。6 繼電器控制電路中需要用到繼電器來對電路進行保護，如圖7所示。為避免沖擊載荷引起的瞬間虛假超載，程序?qū)?shù)據(jù)進行濾波，如果連續(xù)超載時間超過2秒，則判定是真正的超載，立即切斷起升回路電源。該點具有滯后特性，當起吊的重量減少到額定起重量以下時，繼電器才會恢復。當起吊重量達到額定值的110%時，繼電器動作，立即切斷起升回路電源同時紅色指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出連續(xù)聲。

16、該點也具有滯后特性，當?shù)跷锏闹亓繙p少到額定起重量以下時，繼電器才會恢復。 圖7繼電器7 鍵盤設(shè)計 在密碼輸入保護的鍵盤設(shè)計中，采用了矩陣式鍵盤，如圖8所示。 對于設(shè)定好的密碼保護，還有對于額定值的設(shè)定，都需要用到鍵盤。 圖8 鍵盤 8系統(tǒng)軟件設(shè)計 本系統(tǒng)的軟件是完整的監(jiān)控程序。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,由主程序和子程序等組成。該應用系統(tǒng)實際上是一個典型的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集的一個對象是一路壓力（壓力），故選用壓力傳感器進行物理量的測量，控制對象是斷電及報警裝置，故選用繼電器及聲響電路進行斷電及報警。整個軟件部分，從功能上可分為數(shù)據(jù)采集、自重值顯示、毛重值顯示、顯示子程序、報警或預警顯示、超載計數(shù)單元值顯示、超限判斷等幾部分組成。 9.總體程序流程圖否是 鍵盤輸入 標定顯示采用的AD值輸入密碼系統(tǒng)初始化 開始正常運行 稱量顯示預警指示聲光報警 結(jié)束三、結(jié)論起重量限制器輸出信號有放大電路進行放大。放大后的信號送入稱重控制儀表，然后根據(jù)重量信號與“正常運行和控制”、“預報警”、及“報警和控制”?；鶞手亓啃盘栐O(shè)定值進行比較判別，輸出相應的狀態(tài)控制信號。 當重量達到額定載荷的90%時，輸出一對無源繼電器觸點信號(常閉)，另外重量值可根據(jù)控制器的命令送到