黑龙江科技大学 测控基于单片机制作的起重限制器

1、黑龙江科技大学课程设计报告项 目 名 称：基于单片机制作的起重限制器 所 属 课 程： 智能仪器 设 计 日 期： . 1 2 . 班 级 测控10-班 学 号 姓 名 指导教师 成 绩 电气与控制工程学院课程设计报告说明一、写报告前，请认真阅读课程设计报告说明。二、打印装订要求1、一律用A4纸，双面打印，并左侧装订，一式1份，并同时上交电子版（电子版上传邮箱deloobyhit）。课程设计报告说明页也打印。2、课程设计概述部分占一页；课程设计内容长度根据实际需要填写；结论和指导教师评语及成绩单独占一页。保证打印格式工整。三、报告内容要求1、课程设计目的结合实际自己写，不要雷同2、课程设计要求

2、按下发的设计题目写3、课程设计原理简要说明所完成课程设计项目所涉及的理论知识4、课程设计内容 这是课程设计报告极其重要的内容。概括整个课程设计过程。（最好在上述内容基础上画出相应的流图、设计思路和设计方法，再配以相应的文字进行说明。）一、课程设计概述1、课程设计目的 基于单片机制作起重量限制器，核心处理器是AT89C51单片机，传感器采用应变片传感器。系统只需要外界220V电源，实现了最大量程20T和运行、密码、检测、零点、标定、额重、超载的设定、报警及控制等功能。2、 课程设计要求 1、按键：功能之间的切换、数码管间切换、调节增加、调节减小。 2、数码管：4位数码管所有数据都保留小数点后一位

3、。 3、量程：安全量程是最大量程的90%，预警量程是最大量程的100%，超载量程是最大量程的105%；最大量程20T。 4、功能：运行、密码、检测、零点、标定、额重、超载。 5、界面： （1）运行界面：正常运行。 （2）输入密码。 （3）进行AD采样。 （4）显示所测重量。 （5）判断是否有预警 /超重 6、灯：运行、预警、继电器的控制。 7、喇叭：报警频率不一样。3、 课程设计原理 起重量限制器由两大部分组成，传感器和控制器。当起重机械起吊重物，重量传输到传感器使传感器产生微量电压变化，经仪表放大器放大后经高分辨率的A/D转换器变成数字信号。数字信号直接由单片计算机读取，经单片机进行数据处理

4、数据显示、换算成重量值。根据重量信号控制声光报警及起重机起升控制回路。该值与额定比较： 如达到90%的额定值（可设定）时，输出一对无源继电器触点信号(常闭)，另外重量值可根据控制器的命令送到控制器处理后显示出额定重量，起重重量预报警和报警声响：黄色指示灯亮，蜂鸣器发声。 如达到105%的额定值（可设定）时，限制器发出报警信号，红色指示灯亮，蜂鸣器发出连续声。 数码管键盘 数模转换器放大电路传感器蜂鸣器AT89C51单片机 指示灯继电器操作系统硬件原理框图二、课程设计内容 基于单片机制作的起重限量器的系统总体设计： 系统由传感器电路及测量放大电路、主芯片AT89C51单片机、AD转换电路、指示灯

5、电路、显示电路组成。1. 传感器 1.1 电阻应变式称重传感器的原理    原理：电阻应变式传感器的工作原理是以应变效应为基础的。它由弹性体、电阻应变片及若干元器件组成。将四片电阻应变片粘贴在弹性体上, 当有负荷作用时, 弹性体在贴片处即产生拉、压成双的弯曲应力（或剪应力）, 从而使应变片发生阻值变化, 利用惠斯顿电桥电路就可输出电信号 1.2 称重传感器的组成部分    传感器主要由电阻应变片、弹性体、检测电路三部分组成。应变片是一种传感元件 , 它的作用是将变形转变成电阻变化;弹性

6、体是一个有特殊形状的结构件,它的主要作用是将力转换为形变;检测电路的主要部件是惠斯登电桥,它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题,其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。  1.3 工作原理     图1 应变片传感器图称重传感器的基本电路如图1所示 可以推出:  式中  R16、R17、R18、R19 为应变片电阻; Ui为传感器的输入信号; Uo 为传感器的输出信号。 当R16R17=R18R19= 时&#

7、160;, 我们称之为电桥平衡 , 这时图 1 基本电路图 称重传感器的输出电压Uo= 0mV。  物料重量通过电子衡器的秤体或料斗作用于称重传感器 , 称重传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形 , 使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形 , 电阻应变片变形后 , 它的阻值将发生变化 (增大或减小) 。再经相应的检测电路 , 把这一电阻变化转换为电信号 (电压或电流) 输出

8、 , 从而完成将外力变换为电信号的过程。 设R16=R17=R18=R19=R 当受到重力作用后,传感器的应变片电阻发生变化,假设各桥臂阻值变化相同,变量为RD , 即:R16、R17分别减小RD , R18、R19分别增大RD 时  可以推出传感器的输出电压为: Uo=RUi/R=D2. 放大电路 经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前主要依

9、靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。 放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求： 1、 输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。 2、 抗共模电压干扰能力强。 3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。 4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。 因此放大电路采用仪器放大器。 测量放大电路的作用，其一是对传感器的输出

10、阻抗进行匹配，变换为低阻抗输出；其二是放大传感器输出的微弱电信号；另外，它还对测量电路有提高信噪比，提高灵敏度等作用。 图2 放大电路 LM324为四运放集成电路，采用14交双列直插塑料封装。内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源 -1.5 +15工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为0Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如式所示的符号来表示，它有5个引脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个

11、信号输入端， Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 应变片传感器输出的是电流信号, 必须把电流信号转化为电压信号并进行放大,才能适合A/D转换的要求。电路图如图2所示 然后经过滤波直接送A/D转换部分。 .AT89C51单片机 整个系统包括主控制部分,信号处理部分和电源管理部分,其中主控制模块以AT89C51单片机为核心处理器,如图3所示，本系统采用单片机AT89C51为中心器件来设计脉冲宽度测量器，系统实用性强、操作简单、扩展性强。 单片机必须在时钟的驱动下才能工作。89C51单片机内

12、部有一个时钟震荡电路，只需外接震荡源，就能产生一定频率的时钟信号送到单片机的各个单元，决定单片机的工作速度。 图 3 AT89C51单片机计算机在启动运行时都需要复位，复位使中央处理器和系统中的其他器件都处于一种初始状态，并从初始状态开始工作，单片机有一个复位引脚当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。为了可靠的复位，复位时间都在微秒以上。 4AD转换电路 A/D转换器的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字信号，即模拟量转换成与其比例的数字量。一个完整的A/D转换过程，必须包括采样、保持、量化、编码四部分电路。A/D转换器的芯片ADC0808是8路模

13、拟信号的分时采集，如图4所示，片内有8路模拟选通开关，艺相应的选通道抵制锁存用译码器电路，其转换时间为100微妙左右。ADC0808是一种逐次比较式8路模拟输入8位数字量输出的A/D转换器。这种直接逐位比较型（又称反馈比较型）转换器是一种高速的数模转换电路，转换精度很高，但对干扰的抑制能力较差，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。它在计算机接口电路中用得最普遍。   间接法不将电压直接转换成数字，而是首先转换成某一中间量,再由中间量转换成数字。常用的有电压-时间间隔(V/T)型和电压-频率(V/F)型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普

14、遍。   模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和精度。   用半导体分立元件制成的模数转换器常常采用单元结构，随着大规模集成电路技术的发展，模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块集成电路。 IN7IN0:模拟通道。 ALE地址锁存允许信号。对应ALE跳沿，A，B，C地址状态送入地址锁存器中。START上升沿时，转换ADC0808：START下降沿时，启动芯片，开始进行A/D转换，在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时间简写为ST。 图4 A/D0808模数转换 显示部分 显示部分包

15、括数码管显示重量和指示灯指示，数码管是四位共阳极数码管（如图所示），指示灯部分是三个发光二极管构成（如图所示）。图四位数码管图三个发光二极管当起重机的起重重量达到额定值的90%105%以内黄灯显示，当超过额定值的105%则报警，并且红灯显示。6 继电器控制电路中需要用到继电器来对电路进行保护，如图7所示。为避免冲击载荷引起的瞬间虚假超载，程序对数据进行滤波，如果连续超载时间超过2秒，则判定是真正的超载，立即切断起升回路电源。该点具有滞后特性，当起吊的重量减少到额定起重量以下时，继电器才会恢复。当起吊重量达到额定值的110%时，继电器动作，立即切断起升回路电源同时红色指示灯亮，蜂鸣器发出连续声。

16、该点也具有滞后特性，当吊物的重量减少到额定起重量以下时，继电器才会恢复。 图7继电器7 键盘设计 在密码输入保护的键盘设计中，采用了矩阵式键盘，如图8所示。 对于设定好的密码保护，还有对于额定值的设定，都需要用到键盘。 图8 键盘 8系统软件设计 本系统的软件是完整的监控程序。系统软件采用模块化设计,由主程序和子程序等组成。该应用系统实际上是一个典型的数据采集与控制系统，数据采集的一个对象是一路压力（压力），故选用压力传感器进行物理量的测量，控制对象是断电及报警装置，故选用继电器及声响电路进行断电及报警。整个软件部分，从功能上可分为数据采集、自重值显示、毛重值显示、显示子程序、报警或预警显示、超载计数单元值显示、超限判断等几部分组成。 9.总体程序流程图否是 键盘输入 标定显示采用的AD值输入密码系统初始化 开始正常运行 称量显示预警指示声光报警 结束三、结论起重量限制器输出信号有放大电路进行放大。放大后的信号送入称重控制仪表，然后根据重量信号与“正常运行和控制”、“预报警”、及“报警和控制”桑基准重量信号设定值进行比较判别，输出相应的状态控制信号。 当重量达到额定载荷的90%时，输出一对无源继电器触点信号(常闭)，另外重量值可根据控制器的命令送到