起重机超载限制器的设计.docx
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起重机超载限制器的设计
起重机超载限制器的设计
一．概述
本篇文章简要地讲述了起重机限制器的基本构成，并对其基本软硬件进行了简单的介绍。
起重机限制器主要用于对工矿企业和施工现场的起重机，行车进行超载限制。
当它进行工作时，若起重机承受重物在额定值的90%以内，则该限制器能显示重物的实际重量，若重物的重量超过额定值的90%但在105%以内，该限制器显示重物的实际重量的同时发出声光预警信号，若重物的重量达到或超过额定值的105%，该限制器将发出声光报警信号，同时自动切断起重机电源。
该限制器还能自动记录超载的次数，供有关部门检查。
二．系统设计
根据上述的工作原理和技术要求，可知该系统实际上是一个典型的数据采集与控制系统，数据采集的对象是一路压力（拉力），故选用压力（拉力）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和报警。
1．硬件设计
硬件电路如下图所示，模拟信号放大部分选用运算放大器OP07，A/D转换器选用MC14433，系统主机选用8031单片机，扩充一片程序存储器2716，地址及数据锁存器选用74LS373，4线-7线译码器选用4511，驱动器选用MC1413，基准电压源选用MC1403，数码显示部分选用BS212共阴数码管，音响部分选用一片KD9561。
由电路图可知，硬件系统上电工作后，由压力（拉力）传感器来的微弱电信号（约20uV）经OP07送到MC14433进行A/D转换，MC14433送出的4位8421BCD码及4位选通信号一起送到8031单片机的P1口，8031根据P1口来的信号进行处理判别后送到4511和MC1413译码驱动显示。
若采集到的物重达到或超过额定值的90%，则由P3.0送出低电平驱动声光预警电路。
105%，超载计数单元加1，由P3.1送出低电平，驱动声光报警电路，并由继电器切断起重机电源。
硬件部分还设计了一个掉电保护电路，当8031系统的电源出现意外情况突然下降或消失时，可由掉电保护电路保护8031内存单元中的内容。
（1）运算放大器OP07
OP07是高精度，低失调电压的精密运放集成电路,用于微弱信号的放大,如果使用双电源.能达到最好的效果。
下面介绍一下它的引脚图资料。
性能：
1）低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P（0.1Hz～10Hz）
2）极低的输入失调电压—10μV
3）极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃
4）具有长期的稳定性—0.2μV/MΩ
5）低的输入偏置电流—±1nA
6）高的共模抑制比—126dB
7）宽的共模输入电压范围—±14V
8）宽的电源电压范围—±3V～±22V
（2）A/D转换器MC14433
双积分型由于两次积分时间比较长，所以转换速度慢，但精度可以做得比较高；对周期变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也较好。
常用的有3½位双积分A/D转换器MC14433（精度相当于11位二进制数）和4½位双积分A/D转换器ICL7135（精度相当于14位二进制数）。
1.MC14433A/D转换器简介
MC14433是3½位双积分型A/D转换器，优点：
精度高、抗干扰性能好等，缺点：
转换速度慢，约1~10次/秒。
与国内产品5G14433完全相同，可互换。
被转换电压量程为199.9mV或1.999V。
转换完的数据以BCD码的形式分四次送出。
1）MC14433的引脚功能说明
各引脚的功能如下：
1）电源及共地端
VDD：
主工作电源+5V。
VEE：
模拟部分的负电源端，接-5V。
VAG：
模拟地端。
VSS：
数字地端。
VR：
基准电压输入端。
2）外接电阻及电容端
R1：
积分电阻输入端，转换电压Vx=2V时，R1=470Ω；Vx=200mV时，R1=27kΩ。
C1：
积分电容输入端，一般取0.1F。
R1/C1：
R1与C1的公共端。
CLKI、CLKO：
外接振荡器时钟调节电阻RC，RC一般取470Ω左右。
3）转换启动/结束信号端
EOC：
转换结束信号输出端，正脉冲有效。
DU：
启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换结束后，自动启动新的转换。
4）过量程信号输出端
OR*：
当|Vx|＜VR，输出低电平。
5）位选通控制端
DS4~DS1：
分别为个、十、百、千位输出的选通脉冲，DS1对应千位，DS4对应个位。
每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。
如图所示
6）BCD码输出端
Q0～Q3：
BCD码数据输出线。
Q3为最高位，Q0为最低位。
当DS2、DS3和DS4选通期间，输出三位完整的BCD码数，但在DS1（千位）选通期间，输出端Q0～Q3除了表示个位0或1外，还表示被转换电压的正负极性（Q2=1为正）、欠量程还是过量程，具体含义如表所示。
表11-2DS1选通时Q3～Q0表示的结果
Q3Q2Q1Q0
表示结果
1××0
0××0
×1×0
×0×0
0××1
1××1
千位数为0
千位数为1
结果为正
结果为负
输入过量程
输入欠量程
由表11-2可知：
1）在Q0=“0”的条件下，Q3=0表示千位（1/2位）为1，“Q3=1”表示千位为0。
2）Q2表示极性，“1”为正极性，“0”为负极性。
3）Q0=“1”表示过量程或欠量程,Q3=0表示过量程，Q3=1表示欠量程。
（3）译码器4511
4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点如下：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
其功能介绍如下：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
DA、DB、DC、DD、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：
为译码输出端，输出为高电平1有效。
CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
8421BCD码对应的显示见下图 ：
（4）地址及数据锁存器74LS373
74LS373是单片机种常用的芯片。
它是带三态缓冲输出的8D触发器，起引脚图与结构原理图如下：
E
G
功 能
0
0
直通Qi=Di
0
1
保持（Qi保持不变）
1
X
输出高阻
<74LS373功能表>
<74LS373引脚图内部结构原理图电路连接图>
G——输入端，与8031ALE连高电平：
畅通无阻。
低电平：
关门锁存。
图中OE——使能端，接地。
当G=“1”时，74LS373输出端1Q—8Q与输入端1D—8D相同；
当G为下降沿时，将输入数据锁存。
2.软件设计
在任务的总体设计思想和硬件确定之后，就可以开始设计程序，根据前面介绍的工作原理和技术指标，软件设计应完成的任务为：
（1）初始化程序
初始化程序主要用来确定堆栈，程序状态字，对存储单元清零，让数码管闪烁显示全零10次。
流程图如下所示：
初始化程序流程图
根据流程图，编程如下：
START：
MOVSP,#60H;初始化
MOVPSW,#00H
CLRA;清21H,22H单元
ANL21H,A
ANL22H,A
MOVR0,#0AH;全0闪烁十次
LOOP：
MOVA,#F0H;全0显示
MOVX@R1,A;送P0口显示
LCALLDS1;调用延时子程序
MOVA,#00H;显示全暗
MOVX@R1,A
LCALLDS1
DJNZR0,LOOP;闪烁完十次否
….
….
（2）数据采集子程序
起重机在实际工作前，超载限制器应先检测出起重机挂钩，承重绳等物体的重量，这里把它们称为自重。
当起重机实际起吊重物时，检测到的重量成为毛重，而物体的实际重量等于毛重减去自重。
程序中数据存储单元为31H（千位和百位），32H（十位和个位）数据采集子程序流程图如下：
编程如下：
IN1:
MOVA,P1;输入转换结果
JNBACC.4,IN1;是千位选通否
IN2:
JNBACC.3,IN3;千位为1否
CLRA;千位为0
MOV31H,A
SJMPIN4
IN3:
MOV31H,#10H;千位为1送入31H高四位
IN4:
MOVA,P1
JNBACC.5,IN4;是百位选通位否
ANLA,#0FH;提取百位值
ORLA,31H;与千位值合并
MOV31H,A;存入31H单元
IN5:
MOVA,P1
JNBACC.6,IN6;是十位选通位否
SWAPA;高低四位交换
ANLA,#0F0H;提取十位值
MOV32H,A
IN6:
MOVA,P1
JNBACC.7,IN6;是个位选通位否
ANLA,#0FH;提取个位值
ORLA,32H;与十位值合并
MOV32H,A;存入32H单元
RET;子程序返回
数据采集子程序流程图
（3）自重值显示子程序
系统开机工作后，首先调用数据采集子程序，获得自重值，然后分别将他们送到27H和28H单元。
自重显示程序是从27H和28H单元中提取千，百，十，个位值，再配上选通位后从数据总线输出。
下面是程序流程图和对应的程序：
根据流程图编程如下：
MOV27H,31H;千，百位送27H
MOV28H,32H;十，个位送28H
MOVA,27H
ANLA,#0F0H;提取千位值
SWAPA
MOV11H,A;存入11H
MOVA,27H
ANLA,#0FH;提取百位值
MOV12H,A;存12H单元
MOVA,28H
ANLA,#0F0H;提取十位值
SWAPA
MOV13H,A;存入13H
MOVA,28H
ANLA,#0FH;提取个位值
MOV14H,A;存14H单元
MOVR0,#0FFH;设显示次数
LOOP1：
MOVA,11H
ORLA,#10H;组合千位值和选通位
MOVX@R1,A;输出到显示器
LCALLDS2;延时
MOVA,12H
ORLA,#20H;组合百位值和选通位
MOVX@R1,A;输出到显示器
LCALLDS2;延时
MOVA,13H
ORLA,#40H;组合个位值和选通位
MOVX@R1,A;输出到显示器
LCALLDS2;延时
MOVA,14H
ORLA,#80H;组合十位值和选通位
MOVX@R1,A;输出到显示器
LCALLDS2;延时
DJNZR0,LOOP;显示次数到否
自重值显示子程序流程图
（4）采集毛重程序
由于起重机或吊车在吊起重物时存在着一定的加速度，这就会影响到传感器测得的信号的准确性。
因此在这里当程序执行完自重测量和显示后，延时约0.5S后再进行毛重测量。
同时采用两次采样，采样间隔约0.5S。
如果相隔0.5S的两次采样值相等，则表明测量值准确；否则，放弃第一次采样值，并再进行一次采样并比较，直到两次采样的值相等为止。
下面是流程图和程序：
采集毛重程序流程图
OUT1：
LCALLDS3;延时0.5S
OUT2：
LCALLIN1;调用采集子程序
MOV23H,31H
MOV24H,32H;将毛重值
（1）送23H,24H单元
LCALLDS3;延时0.5S
AAA：
LCALLIN1;调用采集子程序
MOV25H,31H
MOV26H,32H;将毛重值
（2）送25H,26H单元
MOVA,25H;将毛重值
（2）的千百位送A
CJNEA,23H,BBB;毛重
（2）和毛重
（1）比较
AJMPCCC;相等则转入下面程序
BBB：
MOV23H,25H;不相等，毛重
（2）值送23H,24H单元
MOV24H,26H
SJMPAAA;重新采样
CCC：
…..
…..
（5）判断是否预警或报警程序
在执行该程序之前，在中断服务程序中已将毛重值减去自重值，并将物体实际重量的千位和百位存于21H单元，十位和个位存于22H单元。
该程序首先判断物体重量是否达到或超过额定值的90%，如果达到或超过这一限定值，预警黄灯亮，并使音响电路发出鸣叫。
其次判断物体重量是否达到或超过额定值105%，如果超过这一限值，报警红灯亮，并使音响电路发出报警声，数码管显示当前的重量不再变化，超载计数单元加1。
下图为程序流程图：
判断是否预警或报警程序流程图
根据流程图编程如下：
CLRC;清进位标志
MOVA,21H
CJNEA,90%H,SUB1;是否超过90%,高2位比较
MOVA,22H;
CJNEA,90%L,SUB1;低2位比较
SUB0：
CLRP3.0;预警
SJMPSUB2
SUB1：
JINCSUB0;超过额定值90%否
SJMPADD1
SUB2：
CLRC
MOVA,21H;是否超过105%
CJNEA,105%H,SUB6;高2位比较
MOVA,22H
CJNEA,105%L,SUB6;低2位比较
SUB3：
MOVA,20H;超载，计数单元加1
INCA
MOV20H,A
SUB4：
CLRP3.1;报警，断电
LCALLADD2；调用显示子程序3
SJMPSUB4;循环显示
SUB5：
JNCSUB3
SJMPADD1;未超载，向下执行显示程序
（6）显示子程序
显示子程序类似于自重显示程序部分，流程图略。
程序如下：
ADD2：
MOVA,21H;显示子程序
ANLA,#0F0H; 取千位
SWAPA
MOV15H,A
MOVA,21H;取百位
ANLA,#0FH
MOV16HA
MOVA,22H;取十位
ANLA,#0F0H
SWAPA
MOV17H,A
MOVA,22H;取个位
ANLA,#0FH
MOV18HA
MOVA,15H;显示千位
ORLA,#10H
MOVX@R1,A
LCALLDS2
MOVA,16H;显示百位
ORLA,#20H
MOVX@R1,A
LCALLDS2
MOVA,17H;显示十位
ORLA,#40H
MOVX@R1,A
LCALLDS2
MOVA,18H;显示个位
ORLA,#80H
MOVX@R1,A
LCALLDS2
RET;返回主程序
（7）超载计数单元值显示程序STEP
主程序中通过访问P3.4口是否为“0”进入STEP中，该程序首先将十六进制转换成十进制数，在进行组合显示。
采用循环显示一段时间后返回主程序。
程序流程图如下：
根据流程图编程如下：
STEP：
MOVA,20H;取超载计数单元内容
MOVB,64H;设除数为100
DIVAB
除以100取商得百位数
超载计数单元值显示程序STEP流程图
MOV19H,A;取商为百位数
MOVA,B;取余数继续除
MOVB,#0AH;设除数为10
DIVAB
MOV1AH,A;取商为十位数
MOV1BH,B;取余数为个位数
MOVR7,#0FFH;置循环次数
SS：
MOVA,19H
ORLA,#20H;组合百位显示码
MOVX@R1,A;输出到显示器
LCALLDS2;延时
MOVA,1AH
ORLA,#40H;组合十位显示码
MOVX@R1,A;输出到显示器
LCALLDS2;延时
MOVA,1BH
ORLA,#80H;组合个位显示码
MOVX@R1,A;输出到显示器
LCALLDS2;延时
DJNZR7,SS;循环显示次数到否
AJMPHH;跳转执行
（８）中断服务子程序INT0
本中断服务子程序用来实现掉电保护。
由INT0发出中断请求，中断服务程序接着用P3.7向定时器555的下触发端送出一个低电平，并置PCON（电源控制寄存器）的PD位（掉电方式位）为“１”。
注：
PD=1时激活掉电工作方式。
程序和程序流程图如下：
INT0：
PUSHACC;保护现场
PUSHPSW
MOV87H,#02H;置PCON的PD=1
CLRP3.7;置P3.7输出0
POPPSW;恢复现场
POPACC
RETI;中断返回
中断服务子程序INT0流程图
（9）中断服务程序INT1
中断服务程序INT1通过用十六进制减法及十进制调整程序实现十进制数相减，来获得物体的实际重量。
由于传感器，放大器及A/D转换器存在一定的误差，当程序中出现自重减自重得负值时，采取让显示器显示全0的办法来处理。
中断服务程序INT1的流程图和程序如下：
程序如下：
INT1：
PUSHACC;保护现场
PUSHPSW
MOVPSW,#08H;重置工作寄存器区
JBP3.5,rel;对P3.5判断是否对超载计数器清0
MOV20H,#00H;超载计数器清0
rel：
MOVR3,#06H;设置十进制调整值
MOVR4,#60H;
CLRC
MOVA,24H
MOVR0,28H
SUBBA,R0;对十位，个位做减法
JNCDAA1;需十进制调整否
CLRC
JNBAC,DAA0;需十进制调整否
SUBBA,R3;对结果进行十进制调整
中断服务程序INT1流程图
DAA0:
SUBBA,R4
SETBC;恢复C为“1”
MOV22H,A;相减结果（十，个位）送22单元
SJMPDAA3
DAA1:
JNBAC,DAA2;需十进制调整否
SUBBA,R3;进行十进制调整
DAA2:
MOV22H,A
DAA3:
MOVA,23H
MOVR0,27H
SUBBA,R0;对千，百位做减法
JCADD0;判断结果为负否
JNBAC,DAA4;需十进制调整否
CLRAC
SUBBA,R3;进行十进制调整
DAA4:
MOV21H,A;相减结果（千,百位）送21H单元
DDD:
POPPSW;恢复现场
POPACC
RETI;中断返回
ADD0:
CLRA;结果为负，则清0
ANL15H,A
ANL16H,A
ANL17H,A
ANL18H,A
ANL21H,A
ANL22H,A
SJMPDDD
以上程序中，自重值存储在27H,28H单元；毛重值存储在23H,24H单元，物体实重值存储在21H,22H单元。
（10）延时子程序DS1,DS2,DS3
DS1：
MOVR1,#0FFH
DEC1：
MOVR2,#0FFH
DJNZR2,$
DJNZR1,DEC1
RET
DS2：
MOVR1,#04H
DEC2：
MOVR2,#0FFH
DJNZR2,$
DJNZR1,DEC2
RET
DS3：
MOVR3,#04H
DEC3：
LCALLDS1
DJNZR3,DEC3
RET
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