黑龍江科技大學(xué) 測控基于單片機(jī)制作的起重限制器

1、黑龍江科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告項(xiàng) 目 名 稱：基于單片機(jī)制作的起重限制器 所 屬 課 程： 智能儀器 設(shè) 計(jì) 日 期： . 1 2 . 班 級(jí) 測控10-班 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 成 績 電氣與控制工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告說明一、寫報(bào)告前，請(qǐng)認(rèn)真閱讀課程設(shè)計(jì)報(bào)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(shí)上交電子版（電子版上傳郵箱deloobyhit）。課程設(shè)計(jì)報(bào)告說明頁也打印。2、課程設(shè)計(jì)概述部分占一頁；課程設(shè)計(jì)內(nèi)容長度根據(jù)實(shí)際需要填寫；結(jié)論和指導(dǎo)教師評(píng)語及成績單獨(dú)占一頁。保證打印格式工整。三、報(bào)告內(nèi)容要求1、課程設(shè)計(jì)目的結(jié)合實(shí)際自己寫，不要雷同2、課程設(shè)計(jì)要求

2、按下發(fā)的設(shè)計(jì)題目寫3、課程設(shè)計(jì)原理簡要說明所完成課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目所涉及的理論知識(shí)4、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 這是課程設(shè)計(jì)報(bào)告極其重要的內(nèi)容。概括整個(gè)課程設(shè)計(jì)過程。（最好在上述內(nèi)容基礎(chǔ)上畫出相應(yīng)的流圖、設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，再配以相應(yīng)的文字進(jìn)行說明。）一、課程設(shè)計(jì)概述1、課程設(shè)計(jì)目的 基于單片機(jī)制作起重量限制器，核心處理器是AT89C51單片機(jī)，傳感器采用應(yīng)變片傳感器。系統(tǒng)只需要外界220V電源，實(shí)現(xiàn)了最大量程20T和運(yùn)行、密碼、檢測、零點(diǎn)、標(biāo)定、額重、超載的設(shè)定、報(bào)警及控制等功能。2、 課程設(shè)計(jì)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(diǎn)后一位

3、。 3、量程：安全量程是最大量程的90%，預(yù)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(yùn)行、密碼、檢測、零點(diǎn)、標(biāo)定、額重、超載。 5、界面： （1）運(yùn)行界面：正常運(yùn)行。 （2）輸入密碼。 （3）進(jìn)行AD采樣。 （4）顯示所測重量。 （5）判斷是否有預(yù)警 /超重 6、燈：運(yùn)行、預(yù)警、繼電器的控制。 7、喇叭：報(bào)警頻率不一樣。3、 課程設(shè)計(jì)原理 起重量限制器由兩大部分組成，傳感器和控制器。當(dāng)起重機(jī)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(hào)。數(shù)字信號(hào)直接由單片計(jì)算機(jī)讀取，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)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(hào)控制聲光報(bào)警及起重機(jī)起升控制回路。該值與額定比較： 如達(dá)到90%的額定值（可設(shè)定）時(shí)，輸出一對(duì)無源繼電器觸點(diǎn)信號(hào)(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(yù)報(bào)警和報(bào)警聲響：黃色指示燈亮，蜂鳴器發(fā)聲。 如達(dá)到105%的額定值（可設(shè)定）時(shí)，限制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(jī) 指示燈繼電器操作系統(tǒng)硬件原理框圖二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 基于單片機(jī)制作的起重限量器的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)： 系統(tǒng)由傳感器電路及測量放大電路、主芯片AT89C51單片機(jī)、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(yīng)變式稱重傳感器的原理    原理：電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是以應(yīng)變效應(yīng)為基礎(chǔ)的。它由彈性體、電阻應(yīng)變片及若干元器件組成。將四片電阻應(yīng)變片粘貼在彈性體上, 當(dāng)有負(fù)荷作用時(shí), 彈性體在貼片處即產(chǎn)生拉、壓成雙的彎曲應(yīng)力（或剪應(yīng)力）, 從而使應(yīng)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(hào) 1.2 稱重傳感器的組成部分    傳感器主要由電阻應(yīng)變片、彈性體、檢測電路三部分組成。應(yīng)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(gè)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(bǔ)償問題,其功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)輸出。  1.3 工作原理     圖1 應(yīng)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(yīng)變片電阻; Ui為傳感器的輸入信號(hào); Uo 為傳感器的輸出信號(hào)。 當(dāng)R16R17=R18R19= 時(shí)&#

7、160;, 我們稱之為電橋平衡 , 這時(shí)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(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形 , 電阻應(yīng)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(yīng)的檢測電路 , 把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào) (電壓或電流) 輸出

8、 , 從而完成將外力變換為電信號(hào)的過程。 設(shè)R16=R17=R18=R19=R 當(dāng)受到重力作用后,傳感器的應(yīng)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(shí)  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(hào)一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號(hào)亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進(jìn)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(yùn)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(hào)一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號(hào)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(duì)放大器有如下一些要求： 1、 輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)使所測電壓造成偏差。 2、 抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。 3、在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準(zhǔn)確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)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(yīng)特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)整、方便準(zhǔn)確的量程切換、極性自動(dòng)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(duì)傳感器的輸出

10、阻抗進(jìn)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(hào)；另外，它還對(duì)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(yùn)放集成電路，采用14交雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)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(fù)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(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互單獨(dú)。每一組運(yùn)算放大器可用如式所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)

11、信號(hào)輸入端， Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。 應(yīng)變片傳感器輸出的是電流信號(hào), 必須把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并進(jìn)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(jī) 整個(gè)系統(tǒng)包括主控制部分,信號(hào)處理部分和電源管理部分,其中主控制模塊以AT89C51單片機(jī)為核心處理器,如圖3所示，本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51為中心器件來設(shè)計(jì)脈沖寬度測量器，系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、操作簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)。 單片機(jī)必須在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下才能工作。89C51單片機(jī)內(nèi)

12、部有一個(gè)時(shí)鐘震蕩電路，只需外接震蕩源，就能產(chǎn)生一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)送到單片機(jī)的各個(gè)單元，決定單片機(jī)的工作速度。 圖 3 AT89C51單片機(jī)計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，復(fù)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(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上持續(xù)時(shí)間大于個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。為了可靠的復(fù)位，復(fù)位時(shí)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(hào)，即模擬量轉(zhuǎn)換成與其比例的數(shù)字量。一個(gè)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(hào)的分時(shí)采集，如圖4所示，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，藝相應(yīng)的選通道抵制鎖存用譯碼器電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)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(duì)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(bǔ)。它在計(jì)算機(jī)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(shí)間間隔(V/T)型和電壓-頻率(V/F)型兩種，其中電壓-時(shí)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(dǎo)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(hào)。對(duì)應(yīng)ALE跳沿，A，B，C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)換ADC0808：START下降沿時(shí)，啟動(dòng)芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。本信號(hào)有時(shí)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(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成（如圖所示）。圖四位數(shù)碼管圖三個(gè)發(fā)光二極管當(dāng)起重機(jī)的起重重量達(dá)到額定值的90%105%以內(nèi)黃燈顯示，當(dāng)超過額定值的105%則報(bào)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(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，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(jìn)行濾波，如果連續(xù)超載時(shí)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(diǎn)具有滯后特性，當(dāng)起吊的重量減少到額定起重量以下時(shí)，繼電器才會(huì)恢復(fù)。當(dāng)起吊重量達(dá)到額定值的110%時(shí)，繼電器動(dòng)作，立即切斷起升回路電源同時(shí)紅色指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出連續(xù)聲。

16、該點(diǎn)也具有滯后特性，當(dāng)?shù)跷锏闹亓繙p少到額定起重量以下時(shí)，繼電器才會(huì)恢復(fù)。 圖7繼電器7 鍵盤設(shè)計(jì) 在密碼輸入保護(hù)的鍵盤設(shè)計(jì)中，采用了矩陣式鍵盤，如圖8所示。 對(duì)于設(shè)定好的密碼保護(hù)，還有對(duì)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(jì) 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(jì),由主程序和子程序等組成。該應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集的一個(gè)對(duì)象是一路壓力（壓力），故選用壓力傳感器進(jìn)行物理量的測量，控制對(duì)象是斷電及報(bào)警裝置，故選用繼電器及聲響電路進(jìn)行斷電及報(bào)警。整個(gè)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(bào)警或預(yù)警顯示、超載計(jì)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(biāo)定顯示采用的AD值輸入密碼系統(tǒng)初始化 開始正常運(yùn)行 稱量顯示預(yù)警指示聲光報(bào)警 結(jié)束三、結(jié)論起重量限制器輸出信號(hào)有放大電路進(jìn)行放大。放大后的信號(hào)送入稱重控制儀表，然后根據(jù)重量信號(hào)與“正常運(yùn)行和控制”、“預(yù)報(bào)警”、及“報(bào)警和控制”?；鶞?zhǔn)重量信號(hào)設(shè)定值進(jìn)行比較判別，輸出相應(yīng)的狀態(tài)控制信號(hào)。 當(dāng)重量達(dá)到額定載荷的90%時(shí)，輸出一對(duì)無源繼電器觸點(diǎn)信號(hào)(常閉)，另外重量值可根據(jù)控制器的命令送到