塔吊聲光報警設計

1、裝訂線長 春 大 學 畢業(yè)設計（論文）紙目錄第1章 緒論11.1 課題的背景和意義11.2 課題研究概況及發(fā)展趨勢11.3 本設計研究的內容和目標3第2章 總體方案設計42.1系統設計要求42.2 系統方案論證42.3 系統工作原理6第3章 系統硬件設計73.1 單片機部分73.1.1 AT89S52簡介73.1.2 晶振電路103.1.3 復位電路103.2 數據采集及A/D轉換電路113.2.1 數據采集電路113.2.2 A/D轉換電路143.2.3 測量算法173.3 顯示電路173.4 鍵盤電路183.5 電源電路193.5.1 穩(wěn)壓集成電路原理193.5.2 電源電路的設計203.

2、6 報警電路203.7 行程限位檢測電路213.8 監(jiān)控電路213.9 通訊電路23第4章 系統軟件設計254.1 主程序流程圖254.2 A/D轉換子程序264.3 故障子程序284.4 鍵盤處理子程序284.5 顯示子程序30第5章 總結31致謝32參考文獻33共 2 頁 第 2 頁第1章 緒論1.1 課題的背景和意義自有人類文明以來，物料搬運便成了人類活動的重要組成部分，距今已有五千多年的發(fā)展歷史。隨著生產規(guī)模的擴大，自動化程度的提高，作為物料搬運重要設備的塔吊在現代化生產過程中應用越來越廣，作用愈來愈大，對塔吊的安全要求也越來越高。科學技術的飛速發(fā)展，推動了現代設計和制造能力的提高。激

3、烈的國際市場競爭也越來越依賴于技術的競爭。這些都促使塔吊的技術性能進入嶄新的發(fā)展階段，塔吊正經歷著一場巨大的變革。塔吊在現代社會已經被廣泛使用，而且塔吊存在著很多危險因素，為了保證塔吊的安全使用，要求我們應該做好塔吊的安全裝置。1.2 課題研究概況及發(fā)展趨勢為了保正塔吊安全可靠的工作，塔吊應裝設相應的安全裝置，安全防護裝置的性能是否可靠，是塔吊安全檢查的重要內容。安全裝置，是指通過自身的結構功能，可以限制或防止起重作業(yè)的某種危險發(fā)生的裝置。安全裝置可以是單一功能裝置，也可以是與防護裝置聯用的組合裝置。可分為：限位器重量限制器保護裝置報警及顯示記錄裝置。近十幾年來，隨著塔吊設計理論的發(fā)展和結構形

4、式的創(chuàng)新，國際上對塔吊設計制造觀念發(fā)生了很大的變化，塔式塔吊產品正向著以下方向發(fā)展。通用產品向輕型化、標準化發(fā)展國外塔吊公司大多開發(fā)了一個以電動葫蘆作為起升機機構的輕型組合式標準塔吊系列，并在機構方面進一步開發(fā)新型傳動零部件，簡化機構。目前國外塔吊的結構發(fā)面更多采用薄壁型材和異形鋼、減少結構的拼接焊縫，提高抗疲勞性能。在電控方面開發(fā)性能好、成本低、可靠性高的調速系統和電控系統，發(fā)展半自動和全自動操縱。系列產品向模塊化、組合性發(fā)展用模塊化設計代替?zhèn)鹘y的整機設計方法，將塔吊上功能基本相同的構件、部件和零件制成有多種用途，有相同聯接要素和可互換的標準模塊，通過不同模塊的相互組合，形成不同類型和規(guī)格的

5、塔吊。目前，德國、芬蘭、英國、法國、美國和日本的著名塔吊公司都采用塔吊模塊化設計，并取得顯著的效益。德國德馬格公司于 1963 年發(fā)明了柔性組合式懸掛塔吊，經過近 46 年的創(chuàng)新與發(fā)展，已在世界各地得到廣泛應用。專用產品向大型化、自動化發(fā)展由于工業(yè)生產規(guī)模不斷擴大，生產效率日益提高，以及產品生產過程中物料裝卸搬運費用所占比例逐漸增加，促使大型或高速塔吊的需求量不斷增長。起重量越來越大，工作速度越來越高，并對能耗和可靠性提出更高的要求。例如生產工程機械的美國卡特皮勒公司金屬結構廠購置了一條以橋式塔吊為主的物料自動搬運系統，用于鋼板的噴丸處理、切割和入庫的自動裝卸搬運作業(yè)，比原先采用單機操作工作效

6、率提高65。日本東芝浜川崎工廠用全自動橋式塔吊組成的物料輸送系統來搬運柔性加工線上的夾具和工件，為機床運送毛坯或將加工好的零件送到下一工序或倉庫。這些在空間移動的塔吊搬運系統代替了過去通常使用的自動導向搬運車，使車間地面面積得到充分利用。產品安全向多樣化、智能化發(fā)展塔吊安全技術的更新和發(fā)展，在很大程度上取決于電氣傳動與控制的改進。將機械技術和電子技術相結合，將先進的計算機技術、微電子技術、電力電子技術、光纜技術、液壓技術、模糊控制技術應用到機械的驅動和控制系統，實現塔吊的自動化、智能化和高度安全性。例如德國采用激光裝置查找起吊物的重心位置，在取物裝置上裝有超聲波傳感器引導取物裝置自動抓取貨物。

7、吊具自動防搖系統能在運行速度200mmin、加速度0.5ms2情況下很快使起吊物搖擺振幅減至幾個毫米。塔吊可通過磁場變換器或激光達到高精度定位。塔吊上安裝近場感應系統，可避免塔吊之間的互相碰撞。塔吊上還安裝了微機自診斷監(jiān)控系統，該系統能提供大部分常規(guī)維護檢查內容，如齒輪箱油溫、油位，車輪軸承溫度，塔吊的載荷、應力和振動情況，制動器摩擦襯片的壽命及溫度狀況等。今后會更加注重塔吊的安全性研制新型安全保護裝置。重視司機的工作條件，應用人體工程學設汁司機室，降低司機的勞動強度。德國近年為解決塔吊吊鉤的防擺控制，開發(fā)了模糊邏輯電路的控制技術，用神經信息和模糊技術來尋找開始加速的最佳時刻，將有經驗司機防擺

8、實際操作的數據輸入系統，實現最優(yōu)控制。國外先進葫蘆的全部運行信息、狀態(tài)信息和故障信息都實時保存在存儲器內，類似于飛機上的“黑匣子”。塔機安全監(jiān)控管理系統（簡稱黑匣子）在國內廣泛被應用，是一款塔式塔吊安全監(jiān)控管理系統。塔機安全監(jiān)控管理系統將塔式塔吊的安全裝置（包括力矩限制器、起重量限制器、幅度限位器、回轉限位器及高度限位器）的各項功能進行了有效集成，并且綜合利用了微電子技術、信息傳感技術及信息通訊技術，是新一代高質量、高性能的塔式塔吊安全監(jiān)控管理系統。塔吊黑匣子在塔吊安全監(jiān)控方面起到了一定做作用。但是它仍然存在一定的弊端。黑龍江天物科技發(fā)展公司自主研發(fā)的TBSTC-I塔吊安全監(jiān)控系統，基于傳感器

9、技術、嵌入式技術、數據采集技術、數據融合處理、無線傳感網絡與遠程數據通信技術，高效率地完整實現建筑塔吊單機運行和群塔干涉作業(yè)防碰撞的實時監(jiān)控與聲光預警報警功能，并在報警的同時自動中止塔吊危險動作。1.3 本設計研究的內容和目標針對建筑上常用的塔吊車，了解塔吊車的主要工作過程，設計用于現場保護的聲光報警系統，實現必要的保護和聲光報警，并通過監(jiān)控器實現實時監(jiān)視，對故障情況進行打印輸出。具體是利用電阻式傳感器檢測到信號，此信號由放大芯片AD522進行放大、經濾波后再由模/數（A/D）器AD574進行轉換，數字信號再送到微處器89S52的CPU處理，CPU不斷掃描鍵盤和各種功能開關，根據矩陣鍵盤輸入內

10、容和各種功能開關的狀態(tài)進行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運算。運算結果送到內存貯器，需要顯示時，CPU發(fā)出指令，從內存貯器中讀出送到LCD顯示器顯示。一般地信號的放大、濾波、A/D轉換以及信號各種運算處理都在儀表中完成。另外行程開關會起到限位保護的作用，并產生聲光報警，需要顯示時，同樣會送到LCD顯示器顯示。與此同時，還利用監(jiān)視器和攝像頭進行實時監(jiān)控。第2章 總體方案設計2.1系統設計要求設計完整的微機控制系統完成以下功能和要求：塔吊車吊臂橫向移動間的限位保護和塔吊車的抓取重量限制保護，如有報警給出聲光提示，對現場情況的實時圖像監(jiān)視，對故障情況進行打印輸出。系統設計簡單、自動化程度高

11、，安全可靠。2.2 系統方案論證塔式塔吊(塔吊)的安全報警系統的控制有機械式控制、繼電器控制(Relay Logic Circuit)、PLC控制和微機控制系統(單片機)控制。機械式的順序控制用分配軸上的凸塊去控制電器開關、液壓或氣壓閥門實現的一種順控。改變順序較容易，但是它控制不了執(zhí)行元件的位置，定位還要靠限位開關。 目前，商品化的凸輪控制的多點開關，對簡單控制仍很實用。但這種方式已經過于老式，體積龐大、精度不高、成本也貴，顯然已不適合于本系統，所以不予考慮。繼電器順序控制(RLC)傳統的順序控制使用繼電器組成的邏輯(Relay Logic Circuit，簡稱RLC)，RLC具有下列優(yōu)點：

12、(1)設計線路直觀易懂，無需掌握邏輯代數，設計自由度大。(2)成本低，制造生產機械的廠家均可自行制造。(3)繼電器具有擴大節(jié)點數、增加開關電流容易的功能。(4)輸出電流很方便的通過電磁產生機械力。如電磁離合器、電磁閥、電動機。(5)采用時間繼電器時，能實現定時功能。(6)維護技術要求較低。RLC的缺點是：(1)自動化程度的提高，RLC的線路愈來愈復雜，增加了設計、連接、調試的工作量，維修的難度再度增加。(2)觸點的頻繁開閉產生電磁干擾信號，降低了使用壽命，使可靠性大為降低。(3)針對不同用途，要專門設計和制造控制線路板，控制用途若有改變，必須重新設計制作，這不利于系統的柔性化，阻礙了技術和生產

13、的發(fā)展?？梢娺@種控制方案實現完全自動化較難，功能也較少，不適宜于本系統?？删幊绦蝽樞蚩刂破?PLC)這種順控器將計算機通用靈活和繼電器邏輯控制簡單、操作方便、價格便宜的優(yōu)點結合起來，被稱為Programmable Logic Controller (可編程控制器)，簡稱PLC.。PLC的優(yōu)點是：(1)PLC采用面向操作的邏輯語言，用原來所熟悉的繼電器邏輯梯形圖為表達式，很容易學會使用它。(2)程序的指令較少，編寫和輸入、變更也比較容易。(3)程序動作的監(jiān)視和檢查簡便。(4)由于硬件全部標準化、控制程序可變，所以在規(guī)模上具有擴充性和互換性，即有很好的柔性。(5)安裝環(huán)境和條件不必像微機那樣有特殊

14、要求。(6)采用半導體和大規(guī)模集成電路元件和微機技術，可靠性很高，不需要進行特殊的維護和保養(yǎng)。(7)可以和計算機直接連接，應用在控制方面存在很大潛力。用單片機實現順序控制單片機具有下面一些特性：體積小：由于單片機內部集成了計算機的基本功能部件，能滿足很多領域對硬件的功能要求，因此由單片機組成的應用系統結構簡單、體積特別小?？煽啃愿撸簡纹瑱C內CPU范圍存儲器、I/O接口的信息傳輸線(即總線地址總線、數據總線和控制總線)大多數在內部，因此不易受外界的干擾；另一方面，由于單片機微機體積小，在應用環(huán)境比較差的情況下，容易采取對系統進行電磁屏蔽等措施。所以單片機應用系統的可靠性比一般的微機系統高得多。性

15、價比高：由于單片機的大批量生產，及其已非常成熟的制造工藝，所以成本很低，加上單片機的功能性能不斷的完善，種類型號的增加，其應用系統的印版小、接插件少、安裝調試簡單等一系列原因，使單片機應用系統的性能價格比高于一般的微機系統?？刂乒δ軓姡簡纹瑱C像計算機一樣是面向控制，它的實時控制功能特別強，CPU可以直接對I/O口進行各種操作(輸入/輸出、位操作以及算術邏輯操作等)，運算速度高，最高可達16MHZ。而且單片機對實時事件的響應和處理速度快。使用方便：由于單片機內部功能強，系統擴展方便，因此應用系統的硬件設計非常簡單，又因為市場上提供多種多樣的單片機開發(fā)工具，它們具有很強的軟硬件調試功能和輔助設計的

16、手段。這樣使單片機的應用極為方便，大大的縮短了系統研制的周期。功耗低：由于單片機集成度高，相應其功耗相對于同功能的其他設備功耗低了很多。單片機以上的特性，縮短了單片機應用系統研制到真實產品的過渡過程，使科研成果迅速轉化成生產力。2.3 系統工作原理本課題的原理是利用傳感器檢測到信號，此信號由放大電路進行放大、經濾波后再由模/數（A/D）器進行轉換，數字信號再送到微處器的CPU處理，CPU不斷掃描鍵盤和各種功能開關，根據鍵盤輸入內容和各種功能開關的狀態(tài)進行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運算。運算結果送到內存貯器，需要顯示時，CPU發(fā)出指令，從內存貯器中讀出送到顯示器顯示。一般地信號的放

17、大、濾波、A/D轉換以及信號各種運算處理都在儀表中完成。因此，本課題的主要設計思路是：利用限位器和重量限制器采集電壓信號，經過電壓放大電路放大，然后再經過模數轉換器轉換為數字信號，最后把數字信號送入單片機。單片機經過相應的處理后，得出塔吊的相關數據，然后再顯示出來，此外還有過載提示和聲光報警功能。按照本設計功能的要求，系統由以下幾個部分組成：控制器部分、測量(傳感器)部分、報警部分、數據顯示部分、鍵盤部分和電源電路部分，系統設計總體方案框圖如圖2.1所示。傳感器放大電路A/D轉換器單片機鍵盤LCD顯示RS-232開關量輸出聲光報警圖2.1測量部分是利用傳感器檢測得信號，得到微弱的電信號（本設計

18、為電壓信號），而后經處理電路（如濾波電路，差動放大電路）處理后，送A/D轉換器，將模擬量轉化為數字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄碜訟/D轉換器輸出的數字信號，經過復雜的運算，將數字信號轉換為物體的實際重量信號，并將其存儲到存儲單元中?？刂破鬟€可以通過對擴展I/O的控制，對鍵盤進行掃描，而后通過鍵盤散轉程序，對整個系統進行控制。數據顯示部分根據需要實現顯示功能。第3章 系統硬件設計3.1 單片機部分3.1.1 AT89S52簡介單片機采用MCS-51系列單片機。由ATMEL公司生產的AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高

19、密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。而且，它還具

20、有一個看門狗（WDT）定時/計數器，如果程序沒有正常工作，就會強制整個系統復位，還可以在程序陷入死循環(huán)的時候，讓單片機復位而不用整個系統斷電，從而保護你的硬件電路。AT89S52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規(guī)編程器。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其芯片引腳圖如圖3.1所示。圖3.1 89S52引腳圖主要性能：·與MCS-51單片機產品兼容 ·8K字節(jié)在系統

21、可編程Flash存儲器 ·1000次擦寫周期 ·全靜態(tài)操作：0Hz33Hz ·三級加密程序存儲器 ·32個可編程I/O口線 ·三個16位定時器/計數器 ·八個中斷源 ·全雙工UART串行通道 ·低功耗空閑和掉電模式 ·掉電后中斷可喚醒 ·看門狗定時器 ·雙數據指針 ·掉電標識符單片機管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以

22、被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流

23、。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示：表3.1 P3.0口引腳功能表P3口引

24、腳第二功能P3.0RXD（串行口輸入）P3.1TXD（串行口輸出）P3.2INT0（外部中斷0輸入）P3.3INT1（外部中斷1輸入）P3.4T0（定時器0外部脈沖輸入）P3.5T1（定時器1外部脈沖輸入）P3.6WR（外部數據存儲器寫脈沖輸出）P3.7RD（外部數據存儲器讀脈沖輸出）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振

25、蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1

26、時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.1.2 晶振電路AT89S52單片機的最小系統由時鐘電路、復位電路、電源電路及單片機構成。單片機的時鐘信號用來提供單片機片內各種操作的時間基準，復位操作則使單片機的片內電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構成了內部

27、振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。圖3.2 晶振電路3.1.3 復位電路當MCS-5l系列單片機的復位引腳RST(全稱RESET)出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現復位操作。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計數器PC0000H，這表明程序從00

28、00H地址單元開始執(zhí)行。系統復位是任何微機系統執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認的硬件狀態(tài)下。51單片機的復位是由RESET引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個振蕩周期后，51單片機即進入芯片內部復位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉為低電平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。如圖3.3。圖3.3 復位電路3.2 數據采集及A/D轉換電路3.2.1 數據采集電路傳感器實際上是一種將質量信號轉變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境，這點對正確使用傳感器至關重要，它關系到傳感器

29、能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和安全性。因此傳感器外圍電路的抗干擾能力是數據采集部分電路設計的關鍵環(huán)節(jié)。傳感器檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變?yōu)殡妷狠敵?，由于惠斯登電橋具有很多?yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，又因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各種干擾的影響容易相互抵消，所以在本設計中選用最終方案我們選擇的是電阻式傳感器。電阻應變測量原理，是以電阻應變片作為傳感元件，將其牢固地粘貼在構件的測點上，構件受力后由于測點發(fā)生應變，應變片也隨之變形而使應變片的電阻發(fā)生變化，再由專用儀器測得應變

30、片的電阻變化大小，并轉換為測點的應變值。電阻應變片有多種形式，常用的有絲式和箔式。它是由直徑為0.020.05mm的康銅絲或者鎳鉻絲繞成柵狀（或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀）夾在兩層絕緣薄片（基底）中制成，用鍍錫銅線與應變片絲柵連接作為應變片引線，用來連接測量導線。電阻應變片的測量原理為：金屬絲的電阻值除了與材料的性質有關之外，還與金屬絲的長度，橫截面積有關。將金屬絲粘貼在構件上，當構件受力變形時，金屬絲的長度和橫截面積也隨著構件一起變化，進而發(fā)生電阻變化。 其中，Ks為材料的靈敏系數，其物理意義時單位應變的電阻變化率，標志著該類絲材電阻應變片效應顯著與否。為測點處應變，為無量綱的量，但習慣上仍給

31、以單位微應變，常用符號表示。 由此可知，金屬絲在產生應變效應時，應變與電阻變化率dR/R成線性關系，這就是利用金屬應變片來測量構件應變的理論基礎。由于傳感器輸出的電壓信號很小，是mV級的電壓信號，因此為了提高系統的抗干擾能力，在傳感器外圍電路的設計過程中，增加了放大器AD522。如圖3.4為傳感器外圍電路。圖3.4 傳感器外圍電路AD522集成數據采集放大器可以在環(huán)境惡劣的工作條件下進行高精度的數據采集。它線性好，并具有高共模抑制比、低電壓漂移和低噪聲的優(yōu)點，適用于大多數12位數據采集系統。AD522通常用于電阻傳感器（電熱調節(jié)器、應變儀等）構成的橋式傳感器放大器以及過程控制、儀器儀表、信息處

32、理和醫(yī)療儀器等方面。AD522具有如下特性：低漂移：2.0V/(AD522B)；非線性低：0.005%（G=100）；高共模抑制比：>110dB(G=1000)；低噪聲：1.5Vp-p(0.1100Hz)；單電阻可編程增益：1G1000；具有輸出參考端及遠程補償端；可進行內部補償；除增益電阻外，不需其它外圍器件；可調整偏移、增益和共模抑制比。AD511采用14腳DIP封裝，其結構外形和常用的AD521相似。圖1給出了AD522的引腳排列。表1是各引腳的功能說明。表1 引腳功能說明引  腳名    稱功    能1+IN

33、PUT正輸入端2R GAIN增益被償端3-INPUT輸入端4NULL空端5V-負電源端6NULL空端7OUTPUT輸出端8V+正電源端9GND地參考端10NC不接11REF參考端12SENSE補償端13DATA GUARD數據保護端14R GAIN增益補償端AD522可以提供高精度的信號調理，它的輸出失調電壓漂移小于1V/，輸入失調電壓漂移低于2.0V/,共模抑制比高于80dB(在G=1000時為110dB)，G=1時的最大非線性增益為0.001%，典型輸入阻抗為10 9。AD522使用了自動激光調整的薄膜電阻，因而公差小、損耗低、體積小、性能可靠。同時，AD522還具有單片電路和標準組件放大

34、器的最好特性，是一種高性價比的放大器。為適應不同的精確度要求和工作溫度范圍，AD522提供有三種級別。其中“A”和“B”為工業(yè)級，可用于-25+85?！癝”為軍事級，用于-55+125。AD522可以提供四種漂移選擇。輸出失調電壓的最大漂移隨著增益的增加而增加。失調電流漂移所引起的電壓誤差等于失調電流漂移和不對稱源電阻的乘積。另外，AD522的非線性增益將隨關閉環(huán)增益的降低而增加。AD522放大器的共模抑制比的測量環(huán)境條件為±10V,使用阻值為1k的不對稱電阻。在低增益情況下，共模抑制比主要取決于薄膜電阻的穩(wěn)定性，但由于增益帶寬的影響，AD522在60Hz以下頻率時相對比較恒定。但在

35、有限的帶寬中，AD522的相移將隨著直流共模抑制比的升高而增加。在動態(tài)性能方面，AD522的穩(wěn)定時間、單位增益帶寬和增益成正比。3.2.2 A/D轉換電路AD574是美國Analog Device公司生產的12位單片A/D轉換器。它采用逐次逼近型的A/D轉換器，最大轉換時間為25us，轉換精度為0.05%，所以適合于高精度的快速轉換采樣系統。芯片內部包含微處理器借口邏輯（有三態(tài)輸出緩沖器），故可直接與各種類型的8位或者16位的微處理器連接，而無需附加邏輯接口電路，切能與CMOS及TTL電路兼容。AD574采用28腳雙列直插標準封裝，其引腳如圖3.5下:圖3.5 AD574管腳圖A/D574有5

36、根控制線，邏輯控制輸入信號有：A0：字節(jié)選擇控制信號。CE：片啟動信號。/CS：片選信號。當/CS=0，CE=1同時滿足時，AD574才處于工作狀態(tài)，否則工作被禁止。R/-C：讀數據/轉換控制信號。12/-8：數據輸出格式選擇控制信號。當其為高電平時，對應12位并行輸出；為低電平時，對應8位輸出。當R/-C=0，啟動A/D轉換：當A0=0，啟動12位A/D轉換方式；當A0=1，啟動8位轉換方式。當R/-C=1，數據輸出，A0=0時，高8位數據有效；A0=1時，低4位數據有效，中間4位為0，高4位為三態(tài)。輸出信號有：STS：工作狀態(tài)信號線。當啟動A/D進行轉換時，STS為高電平；當A/D轉換結束

37、時為低電平。則可以利用此線驅動一信號二極管的亮滅，從而表示是否處于A/D轉換。其它管腳功能如下：10Vin,20Vin：模擬量輸入端，分別為10V和20V量程的輸入端，信號的另一端接至AGND。DB11DB0：12位數字量輸出端，送單片機進行數據處理。REF OUT ：10V內部參考電壓輸出端。REF IN ：內部解碼網絡所需參考電壓輸入端。BIP OFF ：補償校正端，接至正負可調的分壓網絡，0輸入時調整數字輸出為0；AGND：接模擬地。DGND：接數字地。由于對AD574 8、10、12引腳的外接電路有不同連接方式，所以AD574與單片機的接口方案有兩種，一種是單極性接法，可實現輸入信號0

38、10V或者020V的轉換；另一種為雙極性接法，可實現輸入信號-5+5V或者-10+10V之間轉換。我們采用單極性接法，電路接線圖如下圖3.6所示:圖3.6 AD574與AT89S52的接線圖根據芯片管腳的原理，無論啟動、轉換還是結果輸出，都要保證CE端為高電平，所以可以將單片機的/RD引腳和/WR端通過與非門與AD574的CE端連接起來。轉換結果分高8位、低4位與P0口相連，分兩次讀入，所以12/-8端接地。同時，為了使CS、A0、R/-C在讀取轉換結果時保持相應的電平，可以將來自單片機的控制信號經74LS373鎖存后再接入。CPU可采用中斷、查詢或者程序延時等方式讀取AD574的轉換結果，本

39、設計采用中斷方式，則將轉換結束狀態(tài)STS端接到P3.2（外部中斷/INT0）。其工作過程如下：A.當單片機執(zhí)行對外部數據存儲器的寫指令，并使CE=1，/CS=0，R/-C=0，A0時，進行12位A/D轉換啟動。B.CPU等待STS狀態(tài)信號送P3.2口，當STS由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，就表示轉換結束。轉換結束后，單片機通過分兩次讀外部數據存儲器操作，讀取12位的轉換結果數據。C.當CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=0時，讀取高8位；當CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=1時，讀取低4位。3.2.3 測量算法 A/D轉換結果D與被測量x存在以下關系： （3-9）式中：S傳感器及其測量電

40、路的靈敏度（即被測量X轉換成電壓U的轉換系數） K放大器的放大倍數 A/D轉換器滿量程輸入電壓 A/D轉換器滿量程輸出數字而被測量X總是以其測量數字N和測量單位x1表示 （3-10）將式（3-10）代入（3-9）得 （3-11）由上式可見只要滿足以下條件 （3-12）就可以使A/D轉換結果D與被測量x的數值N相等，即D=N，在這種情況下將A/D轉換結果作為被測量的數值傳送到顯示器顯示出來。3.3 顯示電路本設計采用是LCD顯示。在LCD驅動時，需在段電極和公共電極上施加交流電壓。若只在電極上施加DC電壓時，液晶本身發(fā)生劣化。液晶驅動方式包括靜態(tài)驅動、動態(tài)驅動等驅動方式。（1)靜態(tài)驅動 所有的段

41、都有獨立的驅動電路，表示段電極與公共電極之間連續(xù)施加電壓。它適合于簡單控制的LCD。 （2)多路驅動方式  構成矩陣電極，公共端數為n，按照1/n的時序分別依次驅動公共端，與該驅動時序相對應，對所有的段信號電極作選擇驅動。這種方式適合于比較復雜控制的LCD。 在多路驅動方式中，像素可分為選擇點、半選擇點和非選擇點。為了提高顯示的對比度和降低串擾，應合理選擇占空比（duty）和偏壓(bias)。 多路驅動方式可分為點反轉驅動和幀反轉驅動。點反轉驅動適合于低占空比應用，它在各段數據輸出時，將數據反轉。幀反轉驅動適合于高占空比應用，它在各幀輸出時，將數據反轉。

42、 對于多灰度和彩色顯示的控制方法，通常采用幀頻控制(FRC）和脈寬調制(PWM)方法。幀頻控制是通過減少幀輸出次數，控制輸出信號的有效值，來實現多灰度和彩色控制。而脈寬調制是通過改變段輸出信號脈寬，控制輸出信號的有效值，來實現多灰度和彩色控制。 如圖3.7所示是顯示電路和單片機的接口示意圖。圖3.7 顯示電路與單片機的接線圖3.4 鍵盤電路矩陣式鍵盤的結構與工作原理： 在鍵盤中按鍵數量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就可以構成3*3=9個按鍵，

43、比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成12鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵。由此可見，在需要的鍵數比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式鍵盤的按鍵識別方法 ：確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下介紹一種“行掃描法”。行掃描法 行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，如上圖所示鍵盤，介紹過程如下。判斷鍵盤中有無鍵按下 將全部行線Y0-Y3置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與3根行線相交叉的3個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。 判斷閉合鍵

44、所在的位置 在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。 其中：S1 上，S2 下，S3 左，S4 右，S5 確定，S6關閉 ，S7 開啟， S8 停止，S9 復位。在本系統中鍵盤采用矩陣式鍵盤并采用中斷工作方式。采用中斷工作方式提高了CPU的利用效率，沒鍵按下時沒有中斷請求，有鍵按下時，向CPU提出中斷請求，CPU響應后執(zhí)行中斷服務程序，在中斷程序中才對鍵盤進行掃描。鍵盤如圖3.8。圖3.8

45、鍵盤電路3.5 電源電路3.5.1 穩(wěn)壓集成電路原理三端穩(wěn)壓器的工作原理是和串聯型穩(wěn)壓電源是完全相同的，只是多集成了一些保護電路，其調壓過程就是通過調整外接的電位器調節(jié)分壓比，具體的公式為其中R1為采樣電阻（一般為120歐或240歐），R2為可變電阻，R2的變化就會使輸出電壓可調，但最小為1.25V,最大為37V左右。3.5.2 電源電路的設計小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，本系統用到的是+5V、+15V、-15V的直流電源,+5V電源給各個元器件供電，±15V電源給A/D轉換芯片AD574供電。其電路圖如圖3.9所示：圖3.9 ±15

46、V及+5V的電源電路3.6 報警電路當電路檢測到稱重的物體超過儀器的測量限制時，將產生一個信號給報警電路。使報警電路報警從而提醒工作人員注意，超限報警電路如圖3.10所示。圖3.10 聲光報警電路它是有89S52的P1.7口來控制的，當超過設置的重量時，通過程序使P1.7口值為高電平，從而使三極管導通，報警電路接通，使蜂鳴器SPEAKER發(fā)出報警聲，同時使報警燈LED發(fā)光。由于持續(xù)的聲音不能夠引起人們的關注，所以本系統的報警電路采用間斷的聲音和頻閃的燈光來實現。這一任務的實現主要靠程序來完成，在此不再贅述。3.7 行程限位檢測電路 限位開關又稱行程開關,可以安裝在相對靜止的物體(如固定架、門框

47、等，簡稱靜物)上或者運動的物體（如行車、門等，簡稱動物）上。當動物接近靜物時，開關的連桿驅動開關的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合。由開關接點開、合狀態(tài)的改變去控制電路和機構的動作。本系統通過限位開關來限制塔吊的吊臂的幅度，當超過規(guī)定幅度時，會觸碰到限位開關，以開關量輸入方式傳給單片機，經過單片機的處理，會出現聲光報警，并且正在工作中的塔吊會復位或停止。如圖3.11是限位開關與單片機的連接。圖3.11 限位開關與單片機接線圖3.8 監(jiān)控電路由于施工現場復雜、危險而且環(huán)境惡劣，所以進行實時監(jiān)控的難度較大，但是如果采用監(jiān)控電路，通過單片機控制繼電器，通過控制監(jiān)視器和攝像頭的通斷來達到遠程實

48、時監(jiān)控的目的，就能達到安全監(jiān)控的目的。監(jiān)控電路由監(jiān)視器和攝像頭組成。單片機發(fā)出的信號經過NPN放大，控制繼電器，進而控制監(jiān)視器和攝像頭。如圖3.12所示為監(jiān)控電路以及兩個繼電器電路。圖3.12 控制電路當單片機的P10口和P33口輸出信號時，+5V電源能通過C、E給繼電器供電，繼電器得電后，監(jiān)視器和攝像頭開啟。攝像頭對施工現場的塔吊進行拍攝，并通過監(jiān)視器顯示攝像頭所拍攝的圖像。如圖3.123.9 通訊電路在微機控制技術和工業(yè)自動化控制領域中，由PC機與多臺單片機構成的主從系統得到廣泛應用。在這種主從系統中，由單片機并行采集，處理現場信號并控制執(zhí)行機構動作已完成多參數實時控制，PC機對各單片機集

49、中管理，PC機與單片機以通訊方式交換信息。在眾多的通訊接口中，232串行通訊口應用普遍。Max232是一種把電腦的串行口rs232信號電平(-10,+10v)轉換為單片機所用到的TTL信號電平(0,+5v)的芯片，這個芯片的價格比較貴大約要6元。其引腳圖如圖3.13所示。圖3.13 Max232引腳圖232通訊電路如圖3.14所示。圖3.14第4章 系統軟件設計程序設計是一件復雜的工作，為了把復雜的工作條理化，就要有相應的步驟和方法。其步驟可概括為以下三點： 分析系統控制要求，確定算法：對復雜的問題進行具體的分析，找出合理的計算方法及適當的數據結構，從而確定編寫程序的步驟。這是能否編制出高質量

50、程序的關鍵。 根據算法畫流程圖：畫程序框圖可以把算法和解題步驟逐步具體化，以減少出錯的可能性。編寫程序：根據程序框圖所表示的算法和步驟，選用適當的指令排列起來，構成一個有機的整體，即程序。程序數據的一種理想方法是結構化程序設計方法。結構化程序設計是對利用到的控制結構類程序做適當的限制，特別是限制轉向語句(或指令)的使用，從而控制了程序的復雜性，力求程序的上、下文順序與執(zhí)行流程保持一致性，使程序易讀易理解，減少邏輯錯誤和易于修改、調試。根據系統的控制任務，本系統的軟件設計主要由主程序、初始化程序、顯示子程序、數據采集子程序和延時程序等組成。整個軟件部分在系統硬件配合的基礎上主要完成以下幾項功能：

51、對系統的初始化，以及對超重、超位信號的采集工作和對鍵盤的掃描及對所發(fā)生的故障進行相應的處理。主要包括以下幾個部分：換中斷子程序，故障子程序，鍵盤處理子程序。下面具體介紹一下每個部分的情況：4.1 主程序流程圖功能：系統初始化，啟動A/D轉換，采集超位報警信號及進行鍵盤掃描。流程圖：本程序初始化初始化A/D芯片開中斷系統自檢故障處理子程序鍵盤處理子程序有超過故障？有鍵按下？YNYN4.2 A/D轉換子程序 功能：壓力傳感器輸出信號采集開始現場保護采集A/D轉換結果與超重的限值進行比較調故障處理子程序監(jiān)視定時器啟動A/D轉換超重？A/D轉換完成？數據儲存數據顯示NY4.3 故障子程序 功能：獲取故

52、障信息后對所發(fā)生的故障進行相應的處理。開始輸出聲光報警取故障碼故障情況打印輸出返回啟動監(jiān)視系統 4.4 鍵盤處理子程序 功能：完成系統各部分功能自檢及測重量程的轉換。其中：P1.0 打印機測試鍵，P1.1監(jiān)視器切換鍵，P1.2量程切換鍵，P1.3加鍵，P1.4減鍵，P1.5燈測試鍵。開始取P1口數據輸出一個字符啟動監(jiān)視系統監(jiān)視子程序關閉監(jiān)視系統送顯示燈返回測重值下限減少一檔檢測顯示燈標志位取反調用ZDpscnt測重上限值增加一檔送顯示燈P1.0=0？P1.1=0？標志位=FF？P1.4=0？P1.2=0？P1.3=0？P1.5=0？YNYNYYYYYNNNNN4.5 顯示子程序顯示子程序主要是來判斷是否需要顯示,以及如何去顯示,也是十分重要的程序之一。而顯示子程序是其他程序所需要調用的程序之一，因此，顯示子程序的設計就顯得舉足輕重，設計的時候也要十分的小心和賣力。設計顯示子程序的流程圖如下圖所示：顯示程序R0：顯緩地址R2：最左位選碼取段碼段碼送B口位碼送A口延時35ms返回R0+1R2右移5位顯示完？第5章 總結隨著集成電路和計算機技術的迅速發(fā)展，使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變化，傳統的儀器逐步的被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件是單片機，因其極高的性價比得到廣泛的應用與發(fā)展，從而加快了智能儀器的發(fā)展。而傳感器作