塔吊声光报警设计

1、装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸目录第1章 绪论11.1 课题的背景和意义11.2 课题研究概况及发展趋势11.3 本设计研究的内容和目标3第2章 总体方案设计42.1系统设计要求42.2 系统方案论证42.3 系统工作原理6第3章 系统硬件设计73.1 单片机部分73.1.1 AT89S52简介73.1.2 晶振电路103.1.3 复位电路103.2 数据采集及A/D转换电路113.2.1 数据采集电路113.2.2 A/D转换电路143.2.3 测量算法173.3 显示电路173.4 键盘电路183.5 电源电路193.5.1 稳压集成电路原理193.5.2 电源电路的设计203.

2、6 报警电路203.7 行程限位检测电路213.8 监控电路213.9 通讯电路23第4章 系统软件设计254.1 主程序流程图254.2 A/D转换子程序264.3 故障子程序284.4 键盘处理子程序284.5 显示子程序30第5章 总结31致谢32参考文献33共 2 页 第 2 页第1章 绪论1.1 课题的背景和意义自有人类文明以来，物料搬运便成了人类活动的重要组成部分，距今已有五千多年的发展历史。随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的塔吊在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对塔吊的安全要求也越来越高。科学技术的飞速发展，推动了现代设计和制造能力的提高。激

3、烈的国际市场竞争也越来越依赖于技术的竞争。这些都促使塔吊的技术性能进入崭新的发展阶段，塔吊正经历着一场巨大的变革。塔吊在现代社会已经被广泛使用，而且塔吊存在着很多危险因素，为了保证塔吊的安全使用，要求我们应该做好塔吊的安全装置。1.2 课题研究概况及发展趋势为了保正塔吊安全可靠的工作，塔吊应装设相应的安全装置，安全防护装置的性能是否可靠，是塔吊安全检查的重要内容。安全装置，是指通过自身的结构功能，可以限制或防止起重作业的某种危险发生的装置。安全装置可以是单一功能装置，也可以是与防护装置联用的组合装置。可分为：限位器重量限制器保护装置报警及显示记录装置。近十几年来，随着塔吊设计理论的发展和结构形

4、式的创新，国际上对塔吊设计制造观念发生了很大的变化，塔式塔吊产品正向着以下方向发展。通用产品向轻型化、标准化发展国外塔吊公司大多开发了一个以电动葫芦作为起升机机构的轻型组合式标准塔吊系列，并在机构方面进一步开发新型传动零部件，简化机构。目前国外塔吊的结构发面更多采用薄壁型材和异形钢、减少结构的拼接焊缝，提高抗疲劳性能。在电控方面开发性能好、成本低、可靠性高的调速系统和电控系统，发展半自动和全自动操纵。系列产品向模块化、组合性发展用模块化设计代替传统的整机设计方法，将塔吊上功能基本相同的构件、部件和零件制成有多种用途，有相同联接要素和可互换的标准模块，通过不同模块的相互组合，形成不同类型和规格的

5、塔吊。目前，德国、芬兰、英国、法国、美国和日本的著名塔吊公司都采用塔吊模块化设计，并取得显著的效益。德国德马格公司于 1963 年发明了柔性组合式悬挂塔吊，经过近 46 年的创新与发展，已在世界各地得到广泛应用。专用产品向大型化、自动化发展由于工业生产规模不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐渐增加，促使大型或高速塔吊的需求量不断增长。起重量越来越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。例如生产工程机械的美国卡特皮勒公司金属结构厂购置了一条以桥式塔吊为主的物料自动搬运系统，用于钢板的喷丸处理、切割和入库的自动装卸搬运作业，比原先采用单机操作工作效

6、率提高65。日本东芝浜川崎工厂用全自动桥式塔吊组成的物料输送系统来搬运柔性加工线上的夹具和工件，为机床运送毛坯或将加工好的零件送到下一工序或仓库。这些在空间移动的塔吊搬运系统代替了过去通常使用的自动导向搬运车，使车间地面面积得到充分利用。产品安全向多样化、智能化发展塔吊安全技术的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现塔吊的自动化、智能化和高度安全性。例如德国采用激光装置查找起吊物的重心位置，在取物装置上装有超声波传感器引导取物装置自动抓取货物。

7、吊具自动防摇系统能在运行速度200mmin、加速度0.5ms2情况下很快使起吊物摇摆振幅减至几个毫米。塔吊可通过磁场变换器或激光达到高精度定位。塔吊上安装近场感应系统，可避免塔吊之间的互相碰撞。塔吊上还安装了微机自诊断监控系统，该系统能提供大部分常规维护检查内容，如齿轮箱油温、油位，车轮轴承温度，塔吊的载荷、应力和振动情况，制动器摩擦衬片的寿命及温度状况等。今后会更加注重塔吊的安全性研制新型安全保护装置。重视司机的工作条件，应用人体工程学设汁司机室，降低司机的劳动强度。德国近年为解决塔吊吊钩的防摆控制，开发了模糊逻辑电路的控制技术，用神经信息和模糊技术来寻找开始加速的最佳时刻，将有经验司机防摆

8、实际操作的数据输入系统，实现最优控制。国外先进葫芦的全部运行信息、状态信息和故障信息都实时保存在存储器内，类似于飞机上的“黑匣子”。塔机安全监控管理系统（简称黑匣子）在国内广泛被应用，是一款塔式塔吊安全监控管理系统。塔机安全监控管理系统将塔式塔吊的安全装置（包括力矩限制器、起重量限制器、幅度限位器、回转限位器及高度限位器）的各项功能进行了有效集成，并且综合利用了微电子技术、信息传感技术及信息通讯技术，是新一代高质量、高性能的塔式塔吊安全监控管理系统。塔吊黑匣子在塔吊安全监控方面起到了一定做作用。但是它仍然存在一定的弊端。黑龙江天物科技发展公司自主研发的TBSTC-I塔吊安全监控系统，基于传感器

9、技术、嵌入式技术、数据采集技术、数据融合处理、无线传感网络与远程数据通信技术，高效率地完整实现建筑塔吊单机运行和群塔干涉作业防碰撞的实时监控与声光预警报警功能，并在报警的同时自动中止塔吊危险动作。1.3 本设计研究的内容和目标针对建筑上常用的塔吊车，了解塔吊车的主要工作过程，设计用于现场保护的声光报警系统，实现必要的保护和声光报警，并通过监控器实现实时监视，对故障情况进行打印输出。具体是利用电阻式传感器检测到信号，此信号由放大芯片AD522进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器AD574进行转换，数字信号再送到微处器89S52的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据矩阵键盘输入内

10、容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到LCD显示器显示。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。另外行程开关会起到限位保护的作用，并产生声光报警，需要显示时，同样会送到LCD显示器显示。与此同时，还利用监视器和摄像头进行实时监控。第2章 总体方案设计2.1系统设计要求设计完整的微机控制系统完成以下功能和要求：塔吊车吊臂横向移动间的限位保护和塔吊车的抓取重量限制保护，如有报警给出声光提示，对现场情况的实时图像监视，对故障情况进行打印输出。系统设计简单、自动化程度高

11、，安全可靠。2.2 系统方案论证塔式塔吊(塔吊)的安全报警系统的控制有机械式控制、继电器控制(Relay Logic Circuit)、PLC控制和微机控制系统(单片机)控制。机械式的顺序控制用分配轴上的凸块去控制电器开关、液压或气压阀门实现的一种顺控。改变顺序较容易，但是它控制不了执行元件的位置，定位还要靠限位开关。 目前，商品化的凸轮控制的多点开关，对简单控制仍很实用。但这种方式已经过于老式，体积庞大、精度不高、成本也贵，显然已不适合于本系统，所以不予考虑。继电器顺序控制(RLC)传统的顺序控制使用继电器组成的逻辑(Relay Logic Circuit，简称RLC)，RLC具有下列优点：

12、(1)设计线路直观易懂，无需掌握逻辑代数，设计自由度大。(2)成本低，制造生产机械的厂家均可自行制造。(3)继电器具有扩大节点数、增加开关电流容易的功能。(4)输出电流很方便的通过电磁产生机械力。如电磁离合器、电磁阀、电动机。(5)采用时间继电器时，能实现定时功能。(6)维护技术要求较低。RLC的缺点是：(1)自动化程度的提高，RLC的线路愈来愈复杂，增加了设计、连接、调试的工作量，维修的难度再度增加。(2)触点的频繁开闭产生电磁干扰信号，降低了使用寿命，使可靠性大为降低。(3)针对不同用途，要专门设计和制造控制线路板，控制用途若有改变，必须重新设计制作，这不利于系统的柔性化，阻碍了技术和生产

13、的发展。可见这种控制方案实现完全自动化较难，功能也较少，不适宜于本系统。可编程序顺序控制器(PLC)这种顺控器将计算机通用灵活和继电器逻辑控制简单、操作方便、价格便宜的优点结合起来，被称为Programmable Logic Controller (可编程控制器)，简称PLC.。PLC的优点是：(1)PLC采用面向操作的逻辑语言，用原来所熟悉的继电器逻辑梯形图为表达式，很容易学会使用它。(2)程序的指令较少，编写和输入、变更也比较容易。(3)程序动作的监视和检查简便。(4)由于硬件全部标准化、控制程序可变，所以在规模上具有扩充性和互换性，即有很好的柔性。(5)安装环境和条件不必像微机那样有特殊

14、要求。(6)采用半导体和大规模集成电路元件和微机技术，可靠性很高，不需要进行特殊的维护和保养。(7)可以和计算机直接连接，应用在控制方面存在很大潜力。用单片机实现顺序控制单片机具有下面一些特性：体积小：由于单片机内部集成了计算机的基本功能部件，能满足很多领域对硬件的功能要求，因此由单片机组成的应用系统结构简单、体积特别小。可靠性高：单片机内CPU范围存储器、I/O接口的信息传输线(即总线地址总线、数据总线和控制总线)大多数在内部，因此不易受外界的干扰；另一方面，由于单片机微机体积小，在应用环境比较差的情况下，容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施。所以单片机应用系统的可靠性比一般的微机系统高得多。性

15、价比高：由于单片机的大批量生产，及其已非常成熟的制造工艺，所以成本很低，加上单片机的功能性能不断的完善，种类型号的增加，其应用系统的印版小、接插件少、安装调试简单等一系列原因，使单片机应用系统的性能价格比高于一般的微机系统。控制功能强：单片机像计算机一样是面向控制，它的实时控制功能特别强，CPU可以直接对I/O口进行各种操作(输入/输出、位操作以及算术逻辑操作等)，运算速度高，最高可达16MHZ。而且单片机对实时事件的响应和处理速度快。使用方便：由于单片机内部功能强，系统扩展方便，因此应用系统的硬件设计非常简单，又因为市场上提供多种多样的单片机开发工具，它们具有很强的软硬件调试功能和辅助设计的

16、手段。这样使单片机的应用极为方便，大大的缩短了系统研制的周期。功耗低：由于单片机集成度高，相应其功耗相对于同功能的其他设备功耗低了很多。单片机以上的特性，缩短了单片机应用系统研制到真实产品的过渡过程，使科研成果迅速转化成生产力。2.3 系统工作原理本课题的原理是利用传感器检测到信号，此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示。一般地信号的放

17、大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。因此，本课题的主要设计思路是：利用限位器和重量限制器采集电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出塔吊的相关数据，然后再显示出来，此外还有过载提示和声光报警功能。按照本设计功能的要求，系统由以下几个部分组成：控制器部分、测量(传感器)部分、报警部分、数据显示部分、键盘部分和电源电路部分，系统设计总体方案框图如图2.1所示。传感器放大电路A/D转换器单片机键盘LCD显示RS-232开关量输出声光报警图2.1测量部分是利用传感器检测得信号，得到微弱的电信号（本设计

18、为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。第3章 系统硬件设计3.1 单片机部分3.1.1 AT89S52简介单片机采用MCS-51系列单片机。由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高

19、密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还具

20、有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。其芯片引脚图如图3.1所示。图3.1 89S52引脚图主要性能：·与MCS-51单片机产品兼容 ·8K字节在系统

21、可编程Flash存储器 ·1000次擦写周期 ·全静态操作：0Hz33Hz ·三级加密程序存储器 ·32个可编程I/O口线 ·三个16位定时器/计数器 ·八个中断源 ·全双工UART串行通道 ·低功耗空闲和掉电模式 ·掉电后中断可唤醒 ·看门狗定时器 ·双数据指针 ·掉电标识符单片机管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以

22、被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流

23、。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示：表3.1 P3.0口引脚功能表P3口引

24、脚第二功能P3.0RXD（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2INT0（外部中断0输入）P3.3INT1（外部中断1输入）P3.4T0（定时器0外部脉冲输入）P3.5T1（定时器1外部脉冲输入）P3.6WR（外部数据存储器写脉冲输出）P3.7RD（外部数据存储器读脉冲输出）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振

25、荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1

26、时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 晶振电路AT89S52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部

27、振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图3.2 晶振电路3.1.3 复位电路当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从00

28、00H地址单元开始执行。系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。如图3.3。图3.3 复位电路3.2 数据采集及A/D转换电路3.2.1 数据采集电路传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确使用传感器至关重要，它关系到传感器

29、能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关键环节。传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，由于惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，又因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中选用最终方案我们选择的是电阻式传感器。电阻应变测量原理，是以电阻应变片作为传感元件，将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，应变片也随之变形而使应变片的电阻发生变化，再由专用仪器测得应变

30、片的电阻变化大小，并转换为测点的应变值。电阻应变片有多种形式，常用的有丝式和箔式。它是由直径为0.020.05mm的康铜丝或者镍铬丝绕成栅状（或用很薄的金属箔腐蚀成栅状）夹在两层绝缘薄片（基底）中制成，用镀锡铜线与应变片丝栅连接作为应变片引线，用来连接测量导线。电阻应变片的测量原理为：金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。 其中，Ks为材料的灵敏系数，其物理意义时单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给

31、以单位微应变，常用符号表示。 由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变与电阻变化率dR/R成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。由于传感器输出的电压信号很小，是mV级的电压信号，因此为了提高系统的抗干扰能力，在传感器外围电路的设计过程中，增加了放大器AD522。如图3.4为传感器外围电路。图3.4 传感器外围电路AD522集成数据采集放大器可以在环境恶劣的工作条件下进行高精度的数据采集。它线性好，并具有高共模抑制比、低电压漂移和低噪声的优点，适用于大多数12位数据采集系统。AD522通常用于电阻传感器（电热调节器、应变仪等）构成的桥式传感器放大器以及过程控制、仪器仪表、信息处

32、理和医疗仪器等方面。AD522具有如下特性：低漂移：2.0V/(AD522B)；非线性低：0.005%（G=100）；高共模抑制比：>110dB(G=1000)；低噪声：1.5Vp-p(0.1100Hz)；单电阻可编程增益：1G1000；具有输出参考端及远程补偿端；可进行内部补偿；除增益电阻外，不需其它外围器件；可调整偏移、增益和共模抑制比。AD511采用14脚DIP封装，其结构外形和常用的AD521相似。图1给出了AD522的引脚排列。表1是各引脚的功能说明。表1 引脚功能说明引  脚名    称功    能1+IN

33、PUT正输入端2R GAIN增益被偿端3-INPUT输入端4NULL空端5V-负电源端6NULL空端7OUTPUT输出端8V+正电源端9GND地参考端10NC不接11REF参考端12SENSE补偿端13DATA GUARD数据保护端14R GAIN增益补偿端AD522可以提供高精度的信号调理，它的输出失调电压漂移小于1V/，输入失调电压漂移低于2.0V/,共模抑制比高于80dB(在G=1000时为110dB)，G=1时的最大非线性增益为0.001%，典型输入阻抗为10 9。AD522使用了自动激光调整的薄膜电阻，因而公差小、损耗低、体积小、性能可靠。同时，AD522还具有单片电路和标准组件放大

34、器的最好特性，是一种高性价比的放大器。为适应不同的精确度要求和工作温度范围，AD522提供有三种级别。其中“A”和“B”为工业级，可用于-25+85。“S”为军事级，用于-55+125。AD522可以提供四种漂移选择。输出失调电压的最大漂移随着增益的增加而增加。失调电流漂移所引起的电压误差等于失调电流漂移和不对称源电阻的乘积。另外，AD522的非线性增益将随关闭环增益的降低而增加。AD522放大器的共模抑制比的测量环境条件为±10V,使用阻值为1k的不对称电阻。在低增益情况下，共模抑制比主要取决于薄膜电阻的稳定性，但由于增益带宽的影响，AD522在60Hz以下频率时相对比较恒定。但在

35、有限的带宽中，AD522的相移将随着直流共模抑制比的升高而增加。在动态性能方面，AD522的稳定时间、单位增益带宽和增益成正比。3.2.2 A/D转换电路AD574是美国Analog Device公司生产的12位单片A/D转换器。它采用逐次逼近型的A/D转换器，最大转换时间为25us，转换精度为0.05%，所以适合于高精度的快速转换采样系统。芯片内部包含微处理器借口逻辑（有三态输出缓冲器），故可直接与各种类型的8位或者16位的微处理器连接，而无需附加逻辑接口电路，切能与CMOS及TTL电路兼容。AD574采用28脚双列直插标准封装，其引脚如图3.5下:图3.5 AD574管脚图A/D574有5

36、根控制线，逻辑控制输入信号有：A0：字节选择控制信号。CE：片启动信号。/CS：片选信号。当/CS=0，CE=1同时满足时，AD574才处于工作状态，否则工作被禁止。R/-C：读数据/转换控制信号。12/-8：数据输出格式选择控制信号。当其为高电平时，对应12位并行输出；为低电平时，对应8位输出。当R/-C=0，启动A/D转换：当A0=0，启动12位A/D转换方式；当A0=1，启动8位转换方式。当R/-C=1，数据输出，A0=0时，高8位数据有效；A0=1时，低4位数据有效，中间4位为0，高4位为三态。输出信号有：STS：工作状态信号线。当启动A/D进行转换时，STS为高电平；当A/D转换结束

37、时为低电平。则可以利用此线驱动一信号二极管的亮灭，从而表示是否处于A/D转换。其它管脚功能如下：10Vin,20Vin：模拟量输入端，分别为10V和20V量程的输入端，信号的另一端接至AGND。DB11DB0：12位数字量输出端，送单片机进行数据处理。REF OUT ：10V内部参考电压输出端。REF IN ：内部解码网络所需参考电压输入端。BIP OFF ：补偿校正端，接至正负可调的分压网络，0输入时调整数字输出为0；AGND：接模拟地。DGND：接数字地。由于对AD574 8、10、12引脚的外接电路有不同连接方式，所以AD574与单片机的接口方案有两种，一种是单极性接法，可实现输入信号0

38、10V或者020V的转换；另一种为双极性接法，可实现输入信号-5+5V或者-10+10V之间转换。我们采用单极性接法，电路接线图如下图3.6所示:图3.6 AD574与AT89S52的接线图根据芯片管脚的原理，无论启动、转换还是结果输出，都要保证CE端为高电平，所以可以将单片机的/RD引脚和/WR端通过与非门与AD574的CE端连接起来。转换结果分高8位、低4位与P0口相连，分两次读入，所以12/-8端接地。同时，为了使CS、A0、R/-C在读取转换结果时保持相应的电平，可以将来自单片机的控制信号经74LS373锁存后再接入。CPU可采用中断、查询或者程序延时等方式读取AD574的转换结果，本

39、设计采用中断方式，则将转换结束状态STS端接到P3.2（外部中断/INT0）。其工作过程如下：A.当单片机执行对外部数据存储器的写指令，并使CE=1，/CS=0，R/-C=0，A0时，进行12位A/D转换启动。B.CPU等待STS状态信号送P3.2口，当STS由高电平变为低电平时，就表示转换结束。转换结束后，单片机通过分两次读外部数据存储器操作，读取12位的转换结果数据。C.当CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=0时，读取高8位；当CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=1时，读取低4位。3.2.3 测量算法 A/D转换结果D与被测量x存在以下关系： （3-9）式中：S传感器及其测量电

40、路的灵敏度（即被测量X转换成电压U的转换系数） K放大器的放大倍数 A/D转换器满量程输入电压 A/D转换器满量程输出数字而被测量X总是以其测量数字N和测量单位x1表示 （3-10）将式（3-10）代入（3-9）得 （3-11）由上式可见只要满足以下条件 （3-12）就可以使A/D转换结果D与被测量x的数值N相等，即D=N，在这种情况下将A/D转换结果作为被测量的数值传送到显示器显示出来。3.3 显示电路本设计采用是LCD显示。在LCD驱动时，需在段电极和公共电极上施加交流电压。若只在电极上施加DC电压时，液晶本身发生劣化。液晶驱动方式包括静态驱动、动态驱动等驱动方式。（1)静态驱动 所有的段

41、都有独立的驱动电路，表示段电极与公共电极之间连续施加电压。它适合于简单控制的LCD。 （2)多路驱动方式  构成矩阵电极，公共端数为n，按照1/n的时序分别依次驱动公共端，与该驱动时序相对应，对所有的段信号电极作选择驱动。这种方式适合于比较复杂控制的LCD。 在多路驱动方式中，像素可分为选择点、半选择点和非选择点。为了提高显示的对比度和降低串扰，应合理选择占空比（duty）和偏压(bias)。 多路驱动方式可分为点反转驱动和帧反转驱动。点反转驱动适合于低占空比应用，它在各段数据输出时，将数据反转。帧反转驱动适合于高占空比应用，它在各帧输出时，将数据反转。

42、 对于多灰度和彩色显示的控制方法，通常采用帧频控制(FRC）和脉宽调制(PWM)方法。帧频控制是通过减少帧输出次数，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。而脉宽调制是通过改变段输出信号脉宽，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。 如图3.7所示是显示电路和单片机的接口示意图。图3.7 显示电路与单片机的接线图3.4 键盘电路矩阵式键盘的结构与工作原理： 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成3*3=9个按键，

43、比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成12键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式键盘的按键识别方法 ：确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与3根行线相交叉的3个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 判断闭合键

44、所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。 其中：S1 上，S2 下，S3 左，S4 右，S5 确定，S6关闭 ，S7 开启， S8 停止，S9 复位。在本系统中键盘采用矩阵式键盘并采用中断工作方式。采用中断工作方式提高了CPU的利用效率，没键按下时没有中断请求，有键按下时，向CPU提出中断请求，CPU响应后执行中断服务程序，在中断程序中才对键盘进行扫描。键盘如图3.8。图3.8

45、键盘电路3.5 电源电路3.5.1 稳压集成电路原理三端稳压器的工作原理是和串联型稳压电源是完全相同的，只是多集成了一些保护电路，其调压过程就是通过调整外接的电位器调节分压比，具体的公式为其中R1为采样电阻（一般为120欧或240欧），R2为可变电阻，R2的变化就会使输出电压可调，但最小为1.25V,最大为37V左右。3.5.2 电源电路的设计小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，本系统用到的是+5V、+15V、-15V的直流电源,+5V电源给各个元器件供电，±15V电源给A/D转换芯片AD574供电。其电路图如图3.9所示：图3.9 ±15

46、V及+5V的电源电路3.6 报警电路当电路检测到称重的物体超过仪器的测量限制时，将产生一个信号给报警电路。使报警电路报警从而提醒工作人员注意，超限报警电路如图3.10所示。图3.10 声光报警电路它是有89S52的P1.7口来控制的，当超过设置的重量时，通过程序使P1.7口值为高电平，从而使三极管导通，报警电路接通，使蜂鸣器SPEAKER发出报警声，同时使报警灯LED发光。由于持续的声音不能够引起人们的关注，所以本系统的报警电路采用间断的声音和频闪的灯光来实现。这一任务的实现主要靠程序来完成，在此不再赘述。3.7 行程限位检测电路 限位开关又称行程开关,可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框

47、等，简称静物)上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。本系统通过限位开关来限制塔吊的吊臂的幅度，当超过规定幅度时，会触碰到限位开关，以开关量输入方式传给单片机，经过单片机的处理，会出现声光报警，并且正在工作中的塔吊会复位或停止。如图3.11是限位开关与单片机的连接。图3.11 限位开关与单片机接线图3.8 监控电路由于施工现场复杂、危险而且环境恶劣，所以进行实时监控的难度较大，但是如果采用监控电路，通过单片机控制继电器，通过控制监视器和摄像头的通断来达到远程实

48、时监控的目的，就能达到安全监控的目的。监控电路由监视器和摄像头组成。单片机发出的信号经过NPN放大，控制继电器，进而控制监视器和摄像头。如图3.12所示为监控电路以及两个继电器电路。图3.12 控制电路当单片机的P10口和P33口输出信号时，+5V电源能通过C、E给继电器供电，继电器得电后，监视器和摄像头开启。摄像头对施工现场的塔吊进行拍摄，并通过监视器显示摄像头所拍摄的图像。如图3.123.9 通讯电路在微机控制技术和工业自动化控制领域中，由PC机与多台单片机构成的主从系统得到广泛应用。在这种主从系统中，由单片机并行采集，处理现场信号并控制执行机构动作已完成多参数实时控制，PC机对各单片机集

49、中管理，PC机与单片机以通讯方式交换信息。在众多的通讯接口中，232串行通讯口应用普遍。Max232是一种把电脑的串行口rs232信号电平(-10,+10v)转换为单片机所用到的TTL信号电平(0,+5v)的芯片，这个芯片的价格比较贵大约要6元。其引脚图如图3.13所示。图3.13 Max232引脚图232通讯电路如图3.14所示。图3.14第4章 系统软件设计程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法。其步骤可概括为以下三点： 分析系统控制要求，确定算法：对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。这是能否编制出高质量

50、程序的关键。 根据算法画流程图：画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。编写程序：根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当的指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向语句(或指令)的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。根据系统的控制任务，本系统的软件设计主要由主程序、初始化程序、显示子程序、数据采集子程序和延时程序等组成。整个软件部分在系统硬件配合的基础上主要完成以下几项功能：

51、对系统的初始化，以及对超重、超位信号的采集工作和对键盘的扫描及对所发生的故障进行相应的处理。主要包括以下几个部分：换中断子程序，故障子程序，键盘处理子程序。下面具体介绍一下每个部分的情况：4.1 主程序流程图功能：系统初始化，启动A/D转换，采集超位报警信号及进行键盘扫描。流程图：本程序初始化初始化A/D芯片开中断系统自检故障处理子程序键盘处理子程序有超过故障？有键按下？YNYN4.2 A/D转换子程序 功能：压力传感器输出信号采集开始现场保护采集A/D转换结果与超重的限值进行比较调故障处理子程序监视定时器启动A/D转换超重？A/D转换完成？数据储存数据显示NY4.3 故障子程序 功能：获取故

52、障信息后对所发生的故障进行相应的处理。开始输出声光报警取故障码故障情况打印输出返回启动监视系统 4.4 键盘处理子程序 功能：完成系统各部分功能自检及测重量程的转换。其中：P1.0 打印机测试键，P1.1监视器切换键，P1.2量程切换键，P1.3加键，P1.4减键，P1.5灯测试键。开始取P1口数据输出一个字符启动监视系统监视子程序关闭监视系统送显示灯返回测重值下限减少一档检测显示灯标志位取反调用ZDpscnt测重上限值增加一档送显示灯P1.0=0？P1.1=0？标志位=FF？P1.4=0？P1.2=0？P1.3=0？P1.5=0？YNYNYYYYYNNNNN4.5 显示子程序显示子程序主要是来判断是否需要显示,以及如何去显示,也是十分重要的程序之一。而显示子程序是其他程序所需要调用的程序之一，因此，显示子程序的设计就显得举足轻重，设计的时候也要十分的小心和卖力。设计显示子程序的流程图如下图所示：显示程序R0：显缓地址R2：最左位选码取段码段码送B口位码送A口延时35ms返回R0+1R2右移5位显示完？第5章 总结随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。而传感器作