基于无线传输的起重机称重与过载保护系统毕业论文

1、城建大学本科毕业论文基于无线传输的起重机称重与过载保护系统The crane load and overload protection systembased on wireless transmission学生：吴安新学生学号：09700105专业名称：电子与信息工程指导教师：刁寅午计算机与信息工程学院2013 年 月 日45 / 51独创性声明本人声明所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以引用标注之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，没有伪造数据的行为。毕业设计（论文）作者签名：签字日期：年月日毕业设计（论文）使用授权

2、书本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定。同意学校保留并向有关管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权城市建设学院可以将本论文的全部或部分容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。（的毕业设计（论文）在解密后适用本授权说明）毕业设计（论文）作者签名：指导教师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要本设计主要介绍了起重机自动称重与过载保护系统的基本构成与功能实现。该系统组成分为上下位机，上位机组成电路包括LCD彩屏显示，无线传输，电源电路；下位机组成电路包括拉力传感器，三轴加速度传感器，无线传输，电源电路，16

3、02液晶显示。系统主要实现起重机在运行过程中的拉力、三轴加速度、负载重量的实时监测与显示、超限报警和保护等功能。本系统由拉力传感器测量拉力值并由三轴加速度传感器修正加速度，上位机将拉力与加速度经过数学运算，得出负载实际重量，最终实现起重机的动态称重功能。同时还可以进行重量的累计，从累计重量中我们可知道起重机一段时间的总工作量。设计通过声光报警系统实现超重报警，以保证操作安全。本设计采用无线数据传输避免了传统的有线数据传输所带来的不便利性，并且功能多、操作简单、扩展性强，可广泛应用于各种起重机控制场合。关键词：盛群单片机；传感器；加速度修正；无线传输；ABSTRACTThis designint

4、roduces thebasic configuration and functions of the craneautomatic weighingandoverload protection system.The design ofthe systemis divided intohost and slave computer, and the slave machineperipheral circuits, includingforce sensor,three-axis acceleration sensor, wireless transmission module and1602

5、LCD. Host computerperipheral circuits, includingLCDcolor display,wireless transmission module. The system is mainly used to complete the functions such as the real-time monitoring and display of the tension, the three-dimensional acceleration and the load weight. Besides, it can give an alarm and pr

6、otect the instrument when the load exceeds the limitation.The system measures the tension values by the pulling sensor and triaxial accelerometer corrected acceleration. The host computer can draw the actual weight of the load by calculating the tension and acceleration and ultimately achieve the dy

7、namic weighing function. System achieve overweight alarm by a sound and light alarm system.It also can cumulate weight and we can know the total workload for some time. The system can bothautomatic weighingand effectivelyguaranteethe safe operation ofthe crane.This designavoids the unconvenience of

8、thetraditional wireddata transferand there are lots of features such as multi-function,easy operation,scalability,and so on.It can be widelyused in variouscranecontrolling applications.Key words：Holtek MCU； sensor；accelerometercorrection；wireless transmission目录第 一 章 绪论11.1 起重机动态称重的意义11.2 本设计功能、特色1第

9、二 章 系统方案设计32.1 方案选择32.1.1 系统结构选择32.1.2 微处理器选择32.1.3 上位机显示器选择42.1.4 下位机显示器选择42.1.5 无线收发芯片选择42.1.6 加速度传感器选择52.2 系统设计52.2.1 整体设计52.2.2 上位机设计62.2.3 下位机设计7第 三 章 系统硬件设计93.1 系统微处理器介绍93.2 拉力传感器信号放大电路设计103.3 三轴加速度传感器电路设计113.3.1 ADXL345 三轴加速度传感器介绍113.3.2 与单片机接口电路设计123.4 无线收发电路设计123.4.1 CC1100无线收发芯片介绍123.4.2 具

10、体电路设计133.5 Uart 串口通信电路设计143.5.1 MAX232 芯片介绍143.5.2 具体电路设计153.6 LCD1602 液晶显示电路设计153.7 声光报警电路设计163.8 电源电路设计173.8.1 输出 5V 电源电路设计173.8.2 输出 3.5V 电源电路设计183.8.3 输出 -5V 电源电路设计193.9 复位电路设计19第 四 章 系统软件设计204.1 程序设计流程图204.2 算法介绍224.2.1 加权平均滤波算法234.2.2 抛物线插值算法24第 五 章 未来开发前景26结 论27致 29参考文献30附 录 131附 录 234第 一 章 绪

11、论1.1起重机动态称重的意义起重机属于起重机械的一种，是作来回循环与间歇运动的机械，在现代工业生产过程中起重机担任着重要的角色。如冶金、矿山、化工等工矿企业以与港口码头、交通运输、物资贮运等部门，广泛使用各种起重机械进行起重、运输、装卸和安装作业。在工业生产现场中,有很多场合需要在正常作业的同时测量出所需物料的质量,实现动态称重的功能。动态称重是指被称物体处于吊运状态时就可以实现负载的称重。在日常生活中经常遇到的是静态称重，然而在实际生产中，例如流水线生产、食品加工、医药生产、生产计量、交通运输等大多涉与的是动态称重。动态称重可以缩短作业时间、改善操作条件、提高生产效率和加强企业管理，从而推进

12、了工业生产的自动化和管理的现代化。在过去，大宗的煤、矿粉、粮食、化肥等散堆物料，在我国乃至世界许多国家的港口、铁路与公路货运中仍广泛采用“目测法”（即“吃水线法”）和“过磅法”大概估计所吊物料重量。这种装卸方式不仅增加作业流程，严重影响运输与生产效率，同时耗费大量能源，造成严重的环境污染。如今随着计算机技术与自动控制技术的高速发展，起重机的动态称重功能已经广泛应用于港口、铁路、矿山等领域，它使得装载机在装运货物时能按计划装卸，省时、省力，防止超载、超运，减轻设备磨损，降低运输成本，提高工作效率等。在工矿产业中，如煤炭、石油开采等，需要起重机能够自动测量开采矿物的重量；在车站库或港码头，需要起重

13、机来完成大型货物、集装箱、船只在装载过程中同时实现称重的工作；在水泥生产或者钢铁冶炼中，起重机需要对水泥或钢铁实现动态称重；在农和林场方面，稻草与木材同样需要起重机动态称重。在化工原料或食品包装中，需要起重机实现定量定重装载。可见本设计的起重机动态称重控制器与我们的生产、生活息息相关，具有极其重要的现实意义。1.2 本设计功能、特色起重机械在生产工作过程中，起吊重物时要承受各种载荷，例如静态载荷、动态载荷、交替变换载荷、瞬间冲击载荷以与无规律振动载荷等。各承载部件和结构件会产生相应的应对力和形变，如果应对力和形变超过机械构件的最大限度时，就会使构件丧失功能甚至导致构件破坏，从而造成机械自身的损

14、坏危险，甚至可能对工作人员造成严重的人身伤害。本设计作品利用盛群单片机作为主控芯片，设计一套基于无线传输的起重机自动称重与过载保护系统。该系统大致的工作过程是单片机通过对拉力、三维加速度进行实时的采集，并将数据无线传输给起重机操作室的上位机中。上位机对数据进行有效处理，利用拉力减去加速度产生的力，得到精准的负载重量。在上位机中，可显示下位机采集的拉力值、XYZ三轴加速度值和上位机用算法计算出的瞬时重量、平均重量、累计重量、塔吊最大负荷等数据，当起吊物重量超过起重机的最大负荷时，上位机的实时报警功能与时提醒操作人员应预防突发的安全隐患。设计中使用了三轴加速度传感器测量运动中负载的三维加速度值，提

15、高加速度测量的精确度。下位机能够实时显示各种传感器测量得到的结果，并与时传递给驾驶员，让其能够了解所称物体的所有信息。同时系统支持实时过载报警，能与时提醒操作人员停止作业并察看问题所在，保证驾驶员的人身安全以与塔吊设施的安全。该系统最主要的特点在于上下位机间的联系采用无线传输，这样就能够使系统满足在大型塔吊与龙门吊中远距离传输的条件，并且能减少信号在传输过程中的损耗，提高传输能力，此外，本作品在传感器的设计时充分考虑到了节能低功耗，不需要电源供电，只由其本身自带的锂电池进行供电的情况下，也能够长时间正常工作；另外，下位机还带有开机校验,智能配置参数，以保证测量物体的重量更加准确！现在市场上的起

16、重机很少有能直接显示所称物体的质量的，所以导致驾驶员不知道起吊物是否超过了起重机的承受能力，就盲目的操作，就会造成一些起重机事故，甚至危与驾驶员的人身安全，本作品就解决了这个问题，所以本作品具有相当高的使用价值与市场价值第 二 章 系统方案设计2.1 方案选择2.1.1 系统结构选择方案一：选择将系统所有的功能模块集合在统一的系统板中，仅由一个微处理器处理。这样做虽然系统结构简单了，但微处理器工作量太大，而且起重机在称重时包括传感器与显示，而传感器必须置于起重机挂钩处，显示则需放与操作室里，二者是分开工作的，统一的系统板显然不可行。因此本系统结构设计不采用此方案设计。方案二：选择将系统分为上下

17、位机两部分，下位机安装于起重机挂钩处，上位机安装于操作室。下位机实现拉力传感器测量以与三轴加速度修正，上位机实现数据处理与显示，系统工作灵活，每个微处理器工作量也小很多，且二者间互不干涩，还解决了统一系统中测量与显示安装位置的矛盾。故本系统整体结构设计采用上下位机设计。方案三：选择无线传输联系上下位机。由于起重机要实现动态测量，如果用有线数据传输，对起重机的运作将带来极大的不便，而无线传输恰恰解决了这个问题，起重机可以自由操作，不受有线的束缚，也不影响数据传输，因此本设计采用无线传输实现上下位机的数据传输。2.1.2 微处理器选择方案一：选取盛群HT66fu50作为主控芯片,该芯片是一种低功耗

18、的Flash单片机。它具有高性能精简指令集，置IIC、SPI数据总线以与Uart串行全双工通信接口，35个通用/口运用灵活，贴片封装，体积极小。此外，HT66fu50设计和配置了五种震荡模式，有部RC振荡器HIRC、部32kHz RC 振荡器LIRC、外部晶体振荡器HXT、外部32.768kHz 晶体振荡器LXT、外部 RC 振荡器ERC、并且还可以通过软件设置空闲模式与掉电模式。HT66fu50在空闲模式下，CPU工作暂停，但是定时/计数器、RAM、串行和外部中断系统仍可继续保持正常的作状态。HT66fu50在掉电模式下，振荡器将停止工作并且单片机将RAM中的数据保存，停止片其它所有功能直到

19、硬件复位为止。HT66fu50功能强大操作灵活非常适用于做应用控制系统的微处理器，所以本设计采用该芯片作为上下位机的微处理器。2.1.3 上位机显示器选择方案一：选取 LCD1602 液晶显示屏。1602虽然具有显示字母效果，但没有汉字字库并且屏幕太小，容显示非常有限，只能显示两行，不能显示过多信息，不满足上位机容显示要求，故上位机显示不能采用此方案设计。方案二：选取点阵型 LCD (128*64) 液晶显示屏。虽然 12864 显示器模块自带字库和简单图库，可显示汉字以与简单图形，但占用资源又较多，显示色彩也单一。上位机显示要求色彩多样、清晰，因此不满足显示要求，故上位机显示也不采用此方案设

20、计。方案三：选取迪文 DUGS 彩屏显示器。该显示器是大屏幕显示，屏宽达到640*480，支持4 线 Uart串口连接，占用资源极少。色彩丰富可图文并茂显示，还可以动态显示曲线、柱形图、进度条等。支持人机操作界面，具有触摸感应操作，功能极为强大，操作也简单。因此上位机采用迪文 DUGS 彩屏显示器实现显示功能。 2.1.4 下位机显示器选择方案一：选取数码管与74 LS 164 构成显示模块。数码管显示结构简单，控制方便，调试便捷，并且串行显示占用I / O少；但只能显示数字，不能显示字母和汉字，且显示容较少，而下位机显示容较多，有字母也有汉字，故下位机显示设计不采用数码管显示。方案二：选取点

21、阵型 LCD (128*64) 液晶显示屏。12846显示器能同时显示汉字、字母与数字。虽然功能强大，但占用资源较多，编程也相对复杂，成本较高，而下位机显示较简单，不需要太复杂的显示，因此此方案对于下位机显示有些大材小用了，故下位机也不采用此方案作为显示设计。 方案三：选取 LCD 1602 液晶显示屏。1602液晶显示器同样具有显示字母与数字功能，可满足下位机简单显示要求，又支持串行数据输入，占用I / O资源少，并且功耗低，控制灵活，操作简易，成本低廉，故下位机显示设计采用 LCD 1602 液晶屏。2.1.5 无线收发芯片选择方案一：选取 nRF2401 无线芯片构成无线模块。该芯片工作

22、于2.4GHz2.5GHz的ISM频段，它包括一个完全集成的晶体振荡器，频率合成器，功率放大器和调制解调器。但传输距离过于短，在开阔地仅30 到50 米,无法满足起重机上下位机间的距离要求，因此无线模块设计不采用此方案。方案二：选取 CC1100 无线芯片构成无线模块。CC1100是一款专门为满足无线收发应用需求而设计的特高频无线收发器。该芯片超低功耗，封装体积极小仅有小指甲盖的三分之一，而且使用简单、操作灵活，便于使用者开发使用。同时芯片可设置多种工作频率波段，用户可根据设计需要将频段设置在315MHz、433MHz、868MHz以与915MHz。这些工作工作频段可满足工业、科学、医学以与其

23、他短距离设备的频段要求。还拥有四线 SPI 兼容接口，所需外围器件少。传输距离也相对较远，在开阔地区的传输距离可达300至500米，能满足本设计中上下位机通信距离要求。故上下位机采用 CC1100 芯片作为无线收发模块的核心芯片。2.1.6 加速度传感器选择方案一：选取 ADXL203 加速度传感器。该芯片可提供经过信号调理的电压输出，满量程工作时加速度测量围为±1.7 g。可以测量静态加速度，例如重力加速度的测量，但该加速度计为单轴/双轴加速度计，测量动态加速度时，只限直线方向的加速度。对于本设计中测量动态三维加速度的精度要求不够，因此加速度测量不采用此传感器。方案二：选取ADXL

24、345 加速度传感器。ADXL345是一款超低功耗的三轴加速度传感器，即可以测量物体运动时的立体三维加速度值。该传感器贴片封装，外形小巧，重量轻薄。不仅如此，该传感器还具有SPI和I2C数据总线输出功能，可方便实现与主控芯片之间的连接通信。该传感器的测量量程可变并且分辨率高。ADXL345 不仅具有一般加速度传感器的静态加速度测量功能，如可在倾斜敏应用中测静态力加度，而且还具有一些特殊的动侦测功能，能测量出某轴向的度值，并且与用户自定义的度门限值相比较，判断是否超门限值。这样就可敏的侦测出物体是否处于跌落、上升或者水平移动等不同的动状态。更要的是该传器可在动甚至振动境中测动加度值，因此该传器非

25、常适应用于移动设备的动加速度测。故下位机的加速度测量电路设计采用 ADXL 345传感器作为测量设备。2.2 系统设计2.2.1 整体设计本设计的起重机自动称重与过载保护系统由上下位机组成。下位机主要用于拉力传感器与加速度传感器信号的实时检测、采集、处理与数据显示并将数据无线传输给上位机。上位机无线接收下位机传输来的数据，并将数据做必要的处理，然后经彩屏显示出来，同时还可实现起重机实时预警功能。该系统的工作原理是：首先由起重机挂钩处的拉力传感器检测起重机吊起负载时的拉力信号，通过硬件电路处理将该信号转换为电压值，再将电压值经过放大电路放大，达到 A / D 转换器所需要的电压值，然后由单片机控

26、制启动 A / D 转换器，将其抽样、量化、编码，所得到的数字信号存储在单片机中；同时三轴加速度传感器测得负载运动时的三维加速度值，同样转化为数字信号存储在单片机中；然后将这些数据送于1602显示；最后控制启动无线发射编码芯片，将采集的数据无线发送出去。上位机控制解码器将信号接收，通过一定计算，得到负载瞬时重量，稳定重量，多次测重后的累计重量以与重力等数值，并将这些数据彩屏显示出来，并将稳定重量与起重机的带负载额定值比较，实现超载报警保护。通过整体思路的设计，本设计以HT66fu50单片机作为主控芯片，单片机通过对数字信号的处理并且结合相应的外围扩展电路就可实现相对应的子功能模块。简单设计系统

27、框图如图2-1：图2-1系统整体设计框图2.2.2 上位机设计上位机系统主要有几个功能模块组成，包括电源转换电路、无线发射与接收电路、彩屏串口控制电路、声光报警电路、外部扩展存储器电路。上位机工作原理：上位机通过无线收发模块接收下位机传输来的数据信息，通过计算公式算出瞬时重量、稳定重量、多次称重的累计重量以与重力，并将这些数据由彩屏显示出来。显示屏与单片机通过Uart串行通信口连接。在运行状态下，稳定重量与设置好的最大称重重量相比较，如果未超重，则正常显示；如果超出最大称重质量，则会在显示屏上显示鲜明的红色报警界面，并发出报警声以与伴随LED闪光，提醒驾驶员起重机超重，有安全隐患，需立即处理以

28、保证起重机与操作人员的安全。在实际的产应用中，起机在起动时会产一定的量冲信号，该信号可能会成起重机发生谎报警现象，因此在软件设计中需要设置超重滞报警程序即设置上下阈值，而非单一的门限报警值。设置报警阈值电压为设置最大电压值加减0.5Kg。当平均重量大于报警上限阈值电压时，才能提示声光报警；当平均重量低于下限阈值电压时才停止报警。报警电路就是让相关负责人与早发现非正常运行时所出现的问题，便于相关人员与时采取应急措施，消除隐患可能带来的安全事故。本设计运行的同时，随着起重物重量的加大，当重量值大于重量预警值时，控制器就会驱动发光二极管与蜂鸣器进行闪光蜂鸣报警，由于人们对声光报警产生的信号更为敏感，

29、便可采取相应的应对措施，避免起重机事故的发生。上位机设计框图如图2-2所示：图2-2上位机设计框图2.2.3 下位机设计下位机系统主要有几个功能模块组成，包括电源转换电路、无线发射与接受电路、三轴加速度传感器电路、拉力传感器电路、放大电路以与 LCD 1602 液晶显示电路。下位机工作原理：首先在起重机的挂钩上安装一对由应变片构成拉力传感器，当起重机吊起重物的时候，由于拉力作用使两侧应变片发生不同程度的弯曲，拉长等形变，传感器的形变量经过转换变为电压的变化。由于外在的变化因素是应变片的形变，是非电量的变化，所以通过传感器将外在拉力的变化不失真地转换成相应的电压的变化，但是经过转换的模拟电压很小

30、，只有几百甚至几十毫伏，要想该电压变化能够体现出所要表达的物理量变化也即拉力变化，必须经过运算放大器电路将微小变化信号放大，把较小的输入信号放大到约05V之间的电压，以便能够满足单片机芯片正常的工作电压围也即 A / D 转换器所需要的电压。单片机能够处理的只能是数字信号而非模拟信号，所以在将信号输入单片机之前还应该把放大的模拟电压信号经过 A/D 转换器转换成数字信号，再由单片机处理。因此主控芯片通过电压的大小变化可以体现传感器所受的拉力大小变化。另外通过三轴加速器传感器，可以测得XYZ三轴加速度值，下位机把这些信息由1602液晶显示出来，同时将所有数据由无线发射电路传输给上位机。下位机设计

31、框图如图2-3所示：图2-3下位机设计框图第 三 章 系统硬件设计3.1 系统微处理器介绍HT66fu50 是一款盛群公司生产的低电压，/型Flash单片机，具有位高性能精简指令集，其Flash存储可无数次反复擦写，该特性给用户的开发使用提供了极大的方便。在存储器方面，它还包含了一个存储和一个数据存储，该EEPROM存储器可用于存储校准数据、存储序号等非易失性数据；在模拟特性方面，这款单片机包含一个多道和双较器的12位/转换器功能。单片机部有完的 SPII2C 数据总线功能，设计者利用该接可方+便的实现与外围件之数据信。还带有多个定时+器模块，使+用灵+活，可实现定+时/计数功能、P+WM功能

32、与脉+冲产功能。HT66fu50 包含有和五种振荡器功能模式，用户可自行择配置。该片提供多种作模式选择，用户根据需要通过软件可实现不同模式的动态切换以到减少系统功+耗和自优化片操作等目的。HT66FU50单片机拥有35个多功能/口，功能强大，可过软件配置不同的复用功能，使用灵活。片含 UART 串口通信模块，它以实现低成本 机和外围设备之的数据连接，还支持单片机网络之的数据通信。图3-1 HT66fu50芯片引脚图3.2 拉力传感器信号放大电路设计由于人无法直接读出或观测到某些物理量的大小，如力、加速度等，因此需要通过一定的转换条件将这些物理量转化为可直接观测的数据，才可以显示出要测得的物理量

33、大小。拉力传感器的工作原理即通过拉力传感器上应变片形变量的改变，传感器的形变量经转换变为电压的变化，再由输出的电压就可以有效地转换成所得力的大小了。本设计中起重机挂钩处就安装有应变片，当挂钩有负载时，挂钩就发生机械形变，连带着应变片也发生微小应变。应变片的微变可使部四个电阻上的电压值发生变化，根据电压变化，再经处理后就可判断出拉力的变化了。拉力传感器起主要作用的其实就是部的电阻变换器，电阻变换器分为半导体电阻变换器和属电阻变换。电阻变换器的输出量为相对电阻变化量即（电阻变化量）/（总电阻值）。根据压阻效应，/ 且 ，其中 是应变力 （/S) ， 是压阻系数， =（4080）10-11m2/N,

34、 是弹性变量，=1.671011N/m2,是相对形变量，/，所以电阻的相对变化量为，/要测量其他物理量，如拉力、压力、加速度等，首先将应变片与相应的弹+性元件相连接，如测拉力时就将应变片贴与物体挂钩处，弹性元件的形变就可表示出这些所要测+量的物量，与弹性元件相连的应+变片会将相应的变化转换为电变化输出，电量是单片机可以感知处理的。但是经过转换的模拟电压很小，只有几百甚至几十毫伏，单片机无法检测到如此小的信号，因此必须将接受信号做放大处理。这里介绍的是由运算放大器芯片LM324 组成的运放电路。把较小的电压输入信号放大，得到约05V 之间的电压，以便能够满足单片机正常工作电压围。具体电路设计如图

35、3-2所示：图3-2 拉力传感器放大电路设计3.3 三轴加速度传感器电路设计3.3.1 ADXL345 三轴加速度传感器介绍ADXL345是一种具有动态监测功能的三轴加速度传感器，它具有外观小，功耗低、测量量程可变以与分辨率高等优点，置 SPI 和 I2C 数据总线输出功能,方便与其他器件相连接。该芯片外形小巧轻薄，尺寸只有；它在典型电压 时功耗电流约为uA，比模拟输出的产品ADXL330功耗典型值低了uA；最大量程可达g，另可选择g、g、g等不同量程；可采用固定的g/LSB分辨率模式，该分辨率可测得0的倾角变化。芯片引脚图如图3-3所示：图3-3 ADXL345芯片引脚图引脚功能描述如表3-

36、1所示：表3-1 引脚功能描述引脚编号引脚名称引脚功能描述1VDD数字接口电源电压2GND该引脚必须接地3RESVERED保留。该引脚必须连接到VS或保持断开4GND该引脚必须接地5GND该引脚必须接地6VS电源电压7/CS片选8INT1中断1输出9INT2中断2输出10NC部不连接11RESERVED保留。该引脚必须连接地或保持断开12SDO/ALT ADDRESS串行数据输出（SPI 4线）/备用IIC地址选择13SDA/SDI/SDIO串行数据（IIC）/串行数据输入（SPI 4线）14SCL/SCLK串行通信时钟。SCL为IIC时钟。SCLK为SPI时钟3.3.2 与单片机接口电路设计

37、ADXL345 三轴加速度传感器通过 SPI 总线与单片机相连接。由于单片机工作电压为 5V ，而ADXL345 工作电压为 3.5V ，二者间的引脚电平不同，需电平转换，因此本设计采用 74HC07 将电平大小转化统一，当单片机对 ADXL345 操作时，电平值由 5V 转到 3.5V 。ADXL345 测得三轴加速度值,单片机从传感器中读取加速度值，再将数据无线发送出去。具体接口电路设计如图3-4所示：图3-4 加速度传感器与单片机接口电路设计3.4 无线收发电路设计3.4.1 CC1100无线收发芯片介绍CC1100是一款专门为满足无线收发应用需求而设计的特高频无线收发器。该芯片超低功耗

38、，封装体积极小仅有小指甲盖的三分之一，而且使用简单、操作灵活，便于使用者开发使用。同时芯片可设置多种工作频率波段，用户可根据设计需要将频段设置在315MHz、433MHz、868MHz以与915MHz。这些工作工作频段可满足工业、科学、医学以与其他短距离设备的频段要求。也可以设置为其频率波段，如MHzMHz、MHzMHz和MHzMHz等。该芯片在开阔地区的传输距离为300至500米。芯片部集+成了一个高度可置的调制解调,能够支持同的调+制格式,其数据传+输率最高可达 kbps。在调+制解调上还集+成了前向误校正选项，过开启该项,能使片性能得到提+升。在发射状下,可通软件编程调节其发+射功率，其

39、最大发射功+率达到dbm。CC1100 置线SPI(SI,SO,SCLK和CSn)兼+容接，用户可使用该接进行芯片工作模式置以与读和写操作的数据缓存。接口与接口一样，是一种同步串行全双工通信接,其中 SCLK 为 SPI 总线的同+步时钟，只有通信二者时钟一致时才可进行数据通信，而且时钟还控制着数据读与写操作，有在时钟的上+升沿或下降沿时数据才可被读出或写入；为数据串+行输入脚，为数据串行输出脚，是片选信号端，当需要SPI 接口信时， 脚必须给低电平,而当不需要 SPI接口信时,就给高电平信号。芯片引脚如图3-5所示：图3-5 CC1100芯片引脚图3.4.2 具体电路设计上位机与下位机之间的

40、数据传输采用无线传输，本设计中的无线模块就是选择无线收发芯片作为核器件。无线模块具体设计电路如图3-6所示：图3-7 无线收发电路设计发射与接收时考虑到 CC1100 的工作电压为+3.5V，而单片机工作电压为+5V二者引脚电压不同，不可进行数字操作，必须进行电平大小变化。本设计中采用 HT 7335 芯片实现+5V与+3.5V间的电平大小变化。当单片机向CC1100发送数据时，信号经HT7335后变为+3.5V，再传给CC1100；反之电平就从+3.5V经过HT7335变为+5V，再传给单片机。电平转换电路设计电路如图3-7所示：图3-7 电平转换电路设计3.5 Uart串口通信电路设计3.

41、5.1 MAX232 芯片介绍MAX 232 的功能是实现串口通信中的电平转换,标准RS 232电平很高，达正负15V，常用的 TTL 电平最高+5V，相互连接的话，必须进行电平转换。由于上位机彩屏串口电压为+12V，高于单片机引脚最大电压+5V,直接与单片机连接会烧坏芯片。所以用MAX 232来进行电平转换。 MAX232 芯片采用单+5V电源供电，再加上几个外接电容即可完成从 TTL 电平到RS 232 电平的转换。MAX232 部集成两路输入输出通道，其中第一路数据通道为13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）。第二路数据通道为8脚（R2IN）、

42、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）。TTL / CMOS 数据从T1IN 或者T2IN 输入，转换成RS 232 数据从T1 OUT 或者T2 OUT 输出送到彩屏的RIN端口；彩屏接口的RS 232 数据从R1IN或者R2IN输入到MAX 232，由MAX 232 转换成TTL / CMOS 数据后从R1OUT 或者 R2OUT 输出。单片机中的 UART 和彩屏串口RS 232 的区别仅在于二者电平的不同,彩屏串口采用 232 电平,而单片机 UART 串口则采用 TTL 电平,如果不进行电平转换,单片机跟彩屏串口就无法直接进行数字通信。UART 串口包括RS 48

43、5与 RS 232 以与其他，232 只是 UART 串口的一种，因此二者通信协议的格式是一样的,这就意味着只要电平统一了,两者之间就可以直接进行数字通信。MAX 232 对二者之间通信的数据并不产生影响,仅仅是一个桥梁作用,其只是负责将两者之间的通信电平转化统一,使两者之间可以毫无障碍的顺畅通信。芯片引脚如图3-8所示：图3-8 MAX232芯片引脚图3.5.2 具体电路设计上位机使用迪文 D1UGS 彩色液晶显示屏显示接收的参数，彩色液晶显示屏与主控单片机间通过串口连接，由Max 232 转换电平，使得单片机与彩色液晶显示屏间的工作电平统一，即可实现单片机对彩色液晶显示屏的串口通信控制。电

44、路设计如图3-9所示：图3-9 Max232外围电路设计3.6 LCD1602 液晶显示电路设计下位机显示模块采用1602点阵液晶显示，同时支持串行与并行数据传输。考虑到节省单片机I/O口资源，本设计选择了4线串行数据传输，利用SPI总线来实现对液晶的数据读写操作，有效的利用了单片机引脚，提高了单片机引脚利用率。具体电路设计如图3-10所示：图3-10 LCD液晶显示电路设计3.7 声光报警电路设计声光报警是一种最简单同时又是最常用的报警方式。电路设计简单，程序易实现，警示效果也相当不错。声光报警在硬件连接上非常简单，通常可利用三极管 9014 驱动发光二极管以与蜂鸣器就可实现。该电路中发光二

45、极管正极与蜂鸣器正极均连接+5V，二极管负极通过限流电阻与蜂鸣器负极相连，再与三极管的集电极相连。三极管的发射极接地，基极通过限流电阻与 I/O 口线相连。限流电阻阻值一般可选择1K左右。设计电路如图3-11所示：图3-11 声光报警电路设计3.8 电源电路设计3.8.1 输出 5V 电源电路设计本设计中的电源模块采用 MC 34063 电源芯片作为 5 伏电源输出电路的控制核心。MC 34063 本身包含了一些单片机控制电路，这些控制电路是变换器主要功能实现所必要的。它由几个部分组成，包括基准电压发生器（该发生器具有温度自动补偿功能）、晶体振荡器（占空比可调）、比较、RS触发器和大电流输出的

46、开关电路。该件可作为降压变换器、升压变换器以与反向的控制核心，只需用少量的外部元件就可构成变换器。该片主要应用在以单片机或者微处理为基础的系统里。本设计中的电源电路设计就是采用该芯片。MC34063集成电路主要特性有、输入电压围为VV ；、输出电压可调围为VV ；3、输出电流可以达到A ；4、作频率最高可100kHz；5、低静态电流；、可限制短路电流；、可实现电源的降压与升压变换。芯片引脚图如图3-12所示：图3-12 MC34063芯片引脚图引脚功能介绍如表3-2所示：表3-2引脚功能描述引脚符号功能1SWC开关管T1集电极引出端2SWE开关管T1发射极引出端3TCAP定时电容ct接线端；调

47、节ct可使工作频率在100100kHz围变化4GND电源地5-VIN电压比较器反相输入端6VCC电源端7IPK负载峰值电流（Ipk）取样端8DRVC驱动管T2集电极引出端MC34063 的工作原理：首先按电路图连接好外围电路，上电后，芯片置振荡器通过恒流源对外接在CT管脚上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡信号，充电电流和放电电流的大小都是恒定的，芯片部有一个1.25V 基准电压输入，只要外部电阻确定就能使输出电压恒定，再加上一级滤波、二级滤波，使输出电压平滑无毛刺，为系统提供更加稳定的电源。如图3-13 为降压式接法，提供5V的输出电源。电路设计如图3-13所示：图3-13输出5V电源电路

48、设计3.8.2 输出 3.5V 电源电路设计本设计中采用 HT7335 稳压芯片来产生 3.5伏电压输出。HT7335 是盛群公司生产的电压稳压器芯片，该芯片具有高输入低功耗优点，输出电压精度为±3 ，精度高；低输入输出电压差典型值为40mV；低静态功耗电流为1.2 到2.0uA ，典型值为1.5uA；输出负载电流的典型值为250mA ；高输入耐压最大承压为24V ；低温度系数为-45 到+85摄氏度；存储温度围为-60 到+120摄氏度。HT7335 可应用于电池供电设备、通讯设备、音频视频设备等。MC 34063 电源电路产生+5V 电压，将该电压接入到 HT 73335 外部电

49、压输入端即 Vin 输入口，经芯片部处理后，由Vout 电压转换输出口输出，并通过外围电容滤波后得到 +3.5V 电压，供于系统其他电路使用。具体电路连接如图3-14所示：图3-14 3.5V电源电路设计3.8.3 输出 -5V 电源电路设计本设计使用单片机PWM功能产生 -5V 电压，通过调整单片机部的 PWM 占空比以与周期，再将 PWM0 输出连接相应的外围电路，使得电路产生-5V 电压，供于放大器LM324 的负电压端使用。电路设计如图3-15所示： 图3-15 PWM输出-5V3.9 复位电路设计复位电路的功能是当系统出现问题时可通过硬件复位，使系统恢复原始状态。该电路与单片机的复位

50、输入口相连，通过按键实现硬件复位。具体电路设计如图3-16所示：图3-16 复位电路设计第 四 章 系统软件设计4.1 程序设计流程图在总体设计思路以与硬件电路焊接调试完成后，接着就开始设计编写程序了。根据上述的总体设计要求，以与所需实现的功能模块，具体绘出程序流程图如下。系统程序设计流程图如图4 -1所示：图4-1整体程序设计流程图上位机程序设计包括单片机 I/O 口功能选择初始化程序，串口初始化程序，彩屏初始化程序，无线接收程序，彩屏实时显示程序以与声光报警程序。根据各功能模块间的关系绘出主程序流程图如图4-2所示：图4-2上位机程序设计流程图下位机程序设计逻辑复杂、功能繁多，包括单片机

51、I/O 口功能选择设置程序，定时器、外部中断、ADC采样、PWM初始化程序，三轴加速度传感器初始化程序，无线发射程序，以与1602液晶显示、翻页程序等，根据功能模块间的联系绘制主程序流程图如图4-3所示：图4-3下位机程序设计流程图4.2 算法介绍单片机的主要作用是过控制外围器件来实现一定的信和数据处理，常适用于实现控制作用，对于相对较复杂的数学算以与算实现,单片机受制于处理速度可能无迅速处理。但在某些特定场，不可避免地要用到数学算以与算。本设计中运用了平均值滤波算抛物线插值算。下面就对这两种算做详细介绍。4.2.1 加权平均滤波算法单片机在行数据采+集时，于外界随机+干扰的影，便会到数据随机

52、误。随机误的特是：在一样的条件下，测同一物理时，其符号大小会出现无规的变化导致无准确预测，但是其多次测的结果又符一定的统计规+律。为了克服随+机干扰成的随机误，在硬件方面可过滤波技术滤除干扰信号，而软件方面就可过软件算实现数字滤波。滤波算往往系统测控算的一个重要成部分，具有很的实时性。采用数字滤波算克服随机干扰产的随机误具有以下优：、数字滤+波只需用一个计算程，不需要其的硬件设备，可节硬件成本，同时灵+敏度高，靠性好，存在阻抗配问题。尤其数字滤波以对频+率很低的信号进行滤波，这模拟滤波做不到的。、数字滤+波使用软件算实现，多输入道可共用一个滤波程序，降低系统开支。、只要适当改变滤波的滤波程序或

53、算，就能方便的改变其滤+波特性，这对于滤除低频干扰随机信号会有较大的效果。、在单片机系统中常用滤波算有：限+幅滤波法、中+值滤波法、算术平+均滤波法、权平均滤波法、滑+动平均滤波法等。算+术平均滤波算存在平+滑度灵敏度之的矛盾，为了协调平滑+度灵敏+度之的关系，本程序设计中的数字滤波算采用权平均滤。它的理是先对连续次采样值分别乘上同的权系数之后再求累+加，权系+数一般先小后大，以突后面若干采样的效+果，强系统对参数变化趋+势的认。每个权系数均为小于的小数，并且满足总等于的结束条件。这样加权算之后的累加即为有效采样值。其中权平均数字滤+波的数学模型是：式中：为个采样值的权平均值；N-i为第次采样

54、值；为采样次数；i为第个采样值对应的权系数。权系数i体现了各个采样值在平均值中所占的例。一般来说采样次数越靠后，所取的例就越大，这样可增新采样值在平均值中所占的重。权平均值滤波可突出一部分信号而抵+制另一部分信号，以提高采样值变化的灵+敏度。算法具体程序实现如下：HISTORYTABLEADC_NUM = adc_val.word;+ADC_NUM;ad_filted_val = 0;j = ADC_NUM;for(i=0;i!=ADC_HISTORY_CNT;+i)ad_filted_val += (WEIGj * HISTORYTABLEi);+j;if(j = ADC_HISTORY_C

55、NT)j = 0;ad_filted_val /= ADC_WEIGHT_SUM;ad_filted_val -= 16;if(ad_filted_val < 0)ad_filted_val = 0;4.2.2 抛物线插值算法抛物线插值又称为二次插值，它是以一元二次多项式去拟合某一段变化曲线，精度自然就要比线性插值高。如图4-4所示，已知一条曲线y=f()上的三点(x0,y0)、(x0,y0)、(x0,y0)，过此三点可以作一条抛物线，即一条二次曲线，且是唯一的。图4-4抛物线插值算法设： g（）=已知： g（）=由此可得下列方程组：解此方程组可得 g(x) 的系数，但是这样运算非常麻烦

56、。实际计算中，我们可以把 g(x) 写成各种同形式的二次多项式，然后运用待定系数法把 g(x) 确定下来。由于在起重机的起吊物重量突然发生变化时，拉力的变化并不是线性或者符合某种特定曲线规律变化的，可能会造成A/D采样值变化无法预测，导致测量结果误差大，不够准确。因此需要一个估值算法，也即上述介绍的抛物线插值算法拟合出拉力的变化曲线，使得采样值更准确。具体算法程序实现如下：uint getRealVal_StepOne(uint adVal)return Y0 + (Y1-Y0)/(X1-X0) * (adVal - X0);uint getRealVal_StepSecond(uint adVal)uint i;uint L01,L00;if(adVal <= ADCTABLE3)return 0;if(adVal >= ADCTABLEADC_CONFIG_NUM - 1)return WEIGHTTABLEADC_CONFIG_NUM - 1;for(i=4;i!=ADC_CONFIG_NUM;+i)if(adVal < ADCTABLEi)break;X0 = ADCTABLEi-1;Y0 = WEIGHTTABLEi-1;X1 = ADCTABLEi;Y1 = WE