基于单片机的起重机负载限制器的设计Word格式.docx
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如在港口码头和铁路车站，没有起重机，装卸工作就不能进行；
在冶金生产中，起重机用于金属生产的全部过程；
现代建筑工程，不能离开起重机；
在农业和林场，最困难、最费力的工作也由起重机来完成；
在核发电站中，采用特殊的起重机，用以代替人的操作去担当对人体健康有严重危害的作业。
现代工业不仅对起重机的安全和高效提出越来越多的要求，而且随着自动化控制以及计算机管理系统的日益广泛，起重机从单一的搬运工具逐步演变成自动化、柔性化生产中的重要组成部分。
今天，计算机控制的自动化起重机在包括钢材诸运、造纸、垃圾焚烧发电、飞机制造及维修等各个工业领域发挥着重要作用。
1.2现状及国内外发展趋势
二战以后的几十年来，各主要发达工业国家先后开始重视对设计技术的研究，起重机的设计技术水平也得到快速发展。
英国从60年代开始，就以国家政策和财力来支持发展与推广创新设计,德国提出“设计就是科学”，使其设计学的发展已达到相当规模,美国成立了“设计委员会”,日本同样也非常重视设计技术的发展，将设计看作是技术、经济、美学和人机工程学的一体化整体，并极力推广和采用新技术。
总之经济技术发达国家越来越重视设计工作并大量引入创新设计，使得整个机电产品也包括起重机械产品的造型设计、安全可靠性、技术经济性等方面发生着越来越快的变化，设计水平也日益提高。
我国起重机设计的发展经历了一个曲折的过程。
以前多是以模仿原苏联的设计为主，凭借设计者的经验，产品设计的局限性很大。
从60年代起，开始了新产品、新部件的开发设计与实验研究工作，从而使设计从仿制和经验设计逐渐走向实验研究和计算分析阶段。
到了80年代，随着宝钢等一些超大型企业对国外起重机的引进及与国外进行联合设计国内制造等形式的采用，开始在国内引入了一些国际上的先进技术与设计方法。
同时将计算机应用技术引入设计领域，对起重机设计工作的发展起了很大的推动作用。
但是，我国起重机设计领域仍存在不少问题，主要是大多中小企业对设计研究分析不够，资金投入少，人员培训工作跟不上发展的需要，一直没形成开发新产品或更新老产品的设计和应变能力，对引进的先进技术和产品，没有从设计的角度进行消化，更没有能力进行再创新工作。
没有形成合理的设计人员梯队，产品仍然是几十年不变样，目前仍以照抄照搬为生存方式，没有自己的知识产权，只是在应付低价拿来的合同。
为数不多的几个大型企业则在创新设计中快速发展，使得国内起重机设计能力和水平逐步与国外的先进设计缩短了距离。
这些企业已大量采用新的计算机新技术，二维CAD早已普及，三维设计已推广。
电气设计采用ED等先进设计手段，引入定子调压和变频调速，PLC参与系统控制，采用了大量高新传感元器件，实现了定位准确，操控方便，其安全可靠性也逐步提高[8]。
通过专家系统的应用，极大地推进了创新设计的进程，并且利用系统论和信息论等现代计算机应用技术研究成果，使得起重机的创新设计开始向智能化方向发展。
全自动起重机是一门新兴的技术，可以预计，随着自动化控制、计算机等技术的发展，全自动控制起重机技术会飞速的发展。
工业制造部门在向高速、高效、连续性生产发展的过程中，也会推动起重机向自动化、可靠性、安全性以及精确性方面不断发展。
1.3起重机负载限制器的原理及意义
起重机械在运行过程中，要承受各种载荷（如静载、动载、交变载、冲击载、振动载等），各承载零件和结构件会产生相应的应力和变形，如果超过一定的限度，就会丧失功能甚至破坏，从而造成机械自身的危险，甚至对工作人员照成人身伤害。
起重机在作业过程中，承受载荷的复杂性不仅反映在载荷种类的多样性上，而且随着起重机作业的工作状况的不同而表现出多变的特征。
载荷是起重机及其组成零部件正常工作受力分析的原始依据，也是零部件报废或事故原因判断分析的依据，载荷确定得准确与否将直接影响计算结果的安全性和事故结论的正确性。
因此，在起重机上安装负载限制器不仅是对起重机械安全的一种保护装置，同时也是保证起重机安全运行的一种防护措施。
本篇设计中介绍的负载限制器主要由压力传感器，A/D转换器，解码器芯片，单片机等几部分组成。
当起重机起吊后，传感器受到压力产生与负载成比例的电信号，之后完成重量与电信号的转换，本设计中将电压信号的基准分别设定在额定值的90%，105%，120%，当负载的重量达到额定值的90%时，预报警器动作，但是不限制起重机的继续工作；
当负载重量达到105%时，为避免启动时冲击负载引起的瞬间虚假超载，设置了一个延时电路，重新判断后如果超载确实存在，则立即切断电机电源，如果重新判断后为不超载，则电机继续工作；
如果负载重量大于120%，立即切断电机电源，起重机停止作业，同时报警器工作。
2系统的硬件设计
2.1系统设计原理
系统大体主要分为两个模块，每个模块分别用一片单片机控制。
模块1完成数据的采集与无线发送；
模块2完成数据的接收、显示和报警保护。
其系统模块框图如图2.1所示。
系统主要包括传感器、数据采集系统、无线发送与接收电路、显示电路和报警保护电路，设计原理图如图2.2所示。
它的工作原理为：
压力传感器将起重机的负载重量转换为电压信号，通过调理将该信号转换为A/D转换器所需的电压，然后由单片机控制启动A/D转换器，将其量化、编码，所得到的数字信号存储在单片机中，最后控制启动编码芯片，将采集的数据发送；
另一单片机控制解码器将信号接收，经数据处理将负载的重量显示出来，并与起重机的带负载额定值比较，实现超载报警保护[4]。
（a）（b）
图2.1限制器设计框图
图2.2限制器设计原理图
本系统的功能是基于单片机的控制实现的，所以在此处对单片机做一下简单的介绍。
单片机是微型计算机发展中的一个重要分支，其发展十分迅速。
单片机由于具有高可靠性、集成度高、价格低廉和容易产品化等特点，因此在智能仪器仪表、工业实时控制、智能终端、通信设备、医疗器械、汽车电器和家用电器等领域得到了广泛应用。
单片机又称单片微控制器，它把一个计算机系统集成到一块芯片上，其主要包括微处理器（CPU）、存储器（随机访问存储器RAM、只读存储器ROM）和和各种输入/输出接口（包括定时器/计数器、并行I/O接口、串行口、A/D转换器以及脉冲宽度调制等）。
相对于微型计算机，单片机扩展了各种功能，如A/D、PWM、计数器的捕获/比较逻辑/高速I/O口、WDT等，突破了微型计算机的传统内容，所以更准确的反映了其本质的称呼应该是微控制器。
单片机主要用于嵌入式应用，故又被称为嵌入式微控制器（embeddedmicrocontroller）。
国际上常把单片机称为微控制器（MCU，MicroControllerUnit）,而国内则比较习惯称为单片机。
单片机的优点：
集成度高；
存储量大；
性能高、速度快；
抗干扰性强；
指令丰富。
单片机主要的应用领域有：
在测控系统中的应用；
在智能化仪器仪表中的应用；
在机电一体化中的应用；
在智能接口中的应用[1-2]。
单片机应用系统的基本结构如图2.3所示，在图2.3中，复位电路、时钟电路和电源组成单片机的最小应用系统。
图2.3单片机应用系统的基本结构
就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。
目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型有：
美国Intel公司的MCS—51系列及其增强型系列；
美国Motorola公司的6801系列和6805系列；
美国Atmel公司的89C51等单片机；
美国Zilog公司的Z8系列及SUPER8；
美国Fairchild公司的F8系列和3870系列；
美国Rockwell公司的6500/1系列；
美国TI（德克萨司仪器仪表）公司的TMS7000系列以及NS（美国国家半导体）公司的NS8070系列等。
尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的还是Intel公司的MCS—51系列单片机和美国Atmel公司的89C51单片机。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内具有4K字节的可反复擦写1000次的只读程序存储器（PEROM）和128字节的随机存取数据存储器（ROM），全静态工作0Hz-24MHz，低功耗的闲置和掉电模式。
该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51系列单片机的指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。
AT89C51单片机功能强大，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
所以此设计中采用AT89C51。
2.2数据采集电路的设计
2.2.1数据采集系统介绍
数据采集是指将温度、流量、压力、位移等模拟量采集成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。
数据采集与传输系统一般由信号调整电路、多路开关、采样保持电路、A/D转换器、单片机、电平转换接口、接收端（单片机、PC或其他设备）等组成。
其中A/D转换器是DAS的核心器件，它实现模拟量与数字量的转换并与计算机或微控制器（单片机）接口；
传感器实现非电量信号与电信号之间的转化；
信号调理电路实现信号的转换和标准化；
采样保持器是获取输入信号并在其后A/D转换期间使信号保持不变，当被测信号为高频信号时，应采用该电路[3]。
数据采集系统一般框图如图2.4所示。
如果要采集多路模拟信号时，一般用多路模拟开关巡回检测的方式，即一种数据采集的方式。
利用多路开关（MUX）让多个被测对象共用同一个采集通道，这就是多通道数据采集系统的实质。
当采集高速信号时，A/D转换器前端还要加上采样/保持（S/H）电路。
多路数据采集输入通道的结构框图如图2.5所示。
图2.4数据采集系统一般框图
图2.5多路数据采集输入通道的结构框图
2.2.2数据采集电路的组成
本设计中由于只有一个模拟信号，所以该电路不使用多路模拟开关（MUX）。
电路设计过程为：
首先对压力传感器转化的电压信号1.5mV～2.0V进行预放、滤波和放大得到0～5V的电压信号，然后经A/D转换送入单片机，再将所采集的信号输出，驱动发光二极管。
下面介绍了数据采集电路的组成，包括压力传感器，预放电路，滤波及放大电路，ADC0809与AT89C51的接口电路。
1.压力传感器
根据设计要求，本系统所采用的压力传感器为适用于起重机的BK-6A型压力传感器。
此传感器弹性体为两端支撑，中间受力的桥式结构，结构紧凑，抗侧压力强，精确度高，性能稳定。
输出信号为模拟信号,输出电压为1.5mV～2.0V，激励电压12VDC,负载电阻为700
。
工作温度范围是-10～+60℃，外接电压为+8V,滞后时间为0.4s,采用全封、防水、防尘式结构。
压力传感器的内部结构可以看做为一个单臂电桥如图2.6所示。
图中电阻R1，R2，R3，R4的阻值是相等的并且是固定值，本设计中取值为1000K。
R为变化值，它随着外加压力的变化而改变。
根据本设计中所选的压力传感器的性能，
R的取值范围为750
～1000K。
图2.6单臂电桥
电桥的输出端b，d在外接输入阻抗比较大的仪表或者放大器时，可以视为开路，输出的电压为零，那么输出电压为Uo。
此时通过桥路的电流分别为：
（2.1）
（2.2）
那么b，d两端电压分别为
，
，整理之后即可得出输出电压
（2.3）
一般的情况下
，忽略公式（2.3）中分母的
所以就可以得出
（2.4）
所以就可以得出了压力传感器的输出电压为1.5mV～2.0V
2.预放电路
预放电路最主要的功能是完成阻抗的变换，由于压力传感器工作在非线性状态，它的输出阻抗也是非线性的，为使后续放大器工作在恒定的阻抗条件下，必须加入一个阻抗变换电路。
在本设计中采用由OP07芯片构成的预放电路，OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的优点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
OP07有以下特点，超低偏移：
150μV最大；
低输入偏置电流：
1.8nA；
低失调电压漂移：
0.5μV/℃；
高电源电压范围：
±
3V至±
22V。
OP07芯片引脚功能说明：
1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚，6为输出，7接电源+。
OP07引脚图如图2.7所示，预放电路图如图2.8所示。
图2.7OP07引脚图
图2.8预放电路图
3.滤波及放大电路
系统中放大电路的设计要求是将1.5mV～2V的电压信号放大到0～5V的标准信号，以满足后级A/D转换电路输入电压的要求[6]。
滤波放大电路如图2.9所示，其滤波电路采用的是RC滤波，放大电路采用LM324运放实现。
图2.9中，LM324运放组成一个同相放大器，同相放大器的放大倍数K=U0/Ui，根据虚短、虚断得：
U+=U—，I+=I—=0，U+=Ui。
因为
（2.5）
所以
（2.6）
根据放大要求，放大倍数K=2.5，系统中选R2=1K，R1=1.5K。
图2.9滤波放大电路
4.ADC0809与AT89C51的接口电路
（1）AT89C51与ADC0809芯片介绍
AT89C51单片机的有下述工作特性：
内含4KB的FLASH存储器，擦写次数1000次；
内含28字节的RAM；
具有32根可编程I/O线；
具有2个16位可编程定时器；
具有6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构；
具有1个全双工的可编程串行通信接口；
具有一个数据指针DPTR；
两种低功耗工作模式，即空闲模式和掉电模式；
具有可编程的3级程序锁定定位；
AT89C51的工作电源电压为5（1±
0.2）V且典型值为5V,最高工作频率为24MHz。
AT89C51引脚排列如图2.10所示，AT89C51的功能框图如图2.11所示。
图2.10AT89C51单片机引脚图
图2.11AT89C51的功能框图
AT89C51的复位电路图如图2.12所示，时钟电路图如图2.13所示。
图2.12AT89C51的复位电路图
图2.13AT89C51的时钟电路图
（2）A/D转换器芯片ADC0809介绍
ADC0809芯片，8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。
ADC0809的内部逻辑结构图如图2.14所示。
图2.14ADC0809内部逻辑结构
在图2.14中8位模拟开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。
地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表2.1为通道选择表。
ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列如图2.15所示，下面对它的管脚简单的做一下介绍。
IN7～IN0：
模拟量输入通道。
ALE：
地址锁存允许信号。
对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
START：
转换启动信号。
START上升沿时，复位ADC0809；
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。
本信号有时简写为ST。
A、B、C:
地址线。
通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。
CLK:
时钟信号。
ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。
通常使用频率为500KHz的时钟信号。
EOC:
转换结束信号。
EOC=0,正在进行转换；
EOC=1,转换结束。
使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。
D7～D0:
数据输出线。
为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连,D0为最低位，D7为最高。
OE:
输出允许信号。
用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=0，输出数据线呈高阻；
OE=1，输出转换得到的数据。
Vcc:
+5V电源。
Vref:
参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。
典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）。
表2.1通道选择表
C
B
A
被选择的通道
IN0
1
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
图2.15ADC0809引脚图
（3）ADC0809与AT89C51的接口电路图
ADC0809与AT89C51的接口电路图如图2.16所示，A／D转换电路采用常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809。
图2.16中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。
例如，当输出地址为7FF8H即可选通通道IN0，实现对压力传感器输出的模拟量进行转换。
图2.16中ADC0809的转换结束状态信号EOC接到89C51的INT1引脚，当A／D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。
在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。
图2.16ADC0809与AT89C51的接口电路图
2.3发送与接收电路的设计
2.3.1发送与接收电路中所需芯片的介绍
无线发送与接收电路包括编解码芯片PT2262/PT2272、发送模块（F05P）和接收模块（J04V）。
PT2262/PT2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/PT2272最多可有12位（A0～A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平），PT2262最多可有6位（D0～D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。
编码芯片PT2262发出的编码信号由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。
当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。
（1）PT2262/PT2272特点
CMOS工艺制造，低功耗，外部元器件少，RC振荡电阻，工作电压范围宽为2.6V到15V，数据最多可达6位，地址码最多可达531441种。
（2）PT2262/PT2272应用范围
车辆防盗系统，家庭防盗系统，遥控玩具，其他电器遥控。
（3）PT2262与PT2272引脚图
PT2262引脚图如图2.17所示，PT2272引脚图如图2.18所示。
（4）管脚说明
A0～A11：
地址管脚,用
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