（机械电子工程专业论文）起重机智能超载限制器的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第j 页 摘要 电子技术在称重方面的应用，促进了称重技术向自动化、集成化、功能多样化和智 能化方向发展。起初应用于起重机械( 如桥式、门式等) 的超载限制器大多是机械式的， 因其体积大，结构较复杂，故现已被电子式的取代。人们对测量、控制精度及准确性要 求越来越高的同时，在系统的性能及可靠性方面也提出了更高的要求。因此，在保证现 有限制器功能的前提下，提高系统的集成性及可靠性，成为提高产品品质的关键。 现有的超载限制器都是采用屏蔽电缆线将称重传感器采集的信号传输到后一级，然 后再进行处理( 如放大、a d 转换、单片机控制等) ，这样会引起信号的衰减，降低整个 系统的灵敏度；再者，在工业现场，由于环境因素和工作性质的影响，屏蔽电缆线易受 到损坏，严重的情况下会失去传输信号的能力，又因屏蔽电缆线的安装特点，不宜去检 测( 或判断) 故障源所在，这就给检测与维护带来了困难。本设计超载限制器采用短距 离无线传输模块n r f 2 4 l 0 1 来替代屏蔽电缆线，克服了采用屏蔽电缆线易引起的问题。 本文首先阐明了论文的研究背景和意义，然后分析了国内外超载限制器的研究现状，概 述了本论文的主要研究内容和工作。 论文针对提出的需求，设计了超载限制器的主、副钩称重传感器部分，分析了传感 器的安装方案，保证了所采集信号的准确性，也为信号的后级处理奠定了基础。在第2 章提出了两种设计方案，在确定方案的前提下，分别设计了超载限制器的发送端和接收 端硬件电路，总体上采用模块化的设计思想。在发送端将称重传感器模块、放大电路模 块、a d 转换模块、单片机( a t 8 9 s 5 2 ) 及外围电路模块、无线模块n r f 2 4 l 0 1 、电源模块 等模块集成为一体( 谓之功能集成传感器) 。详细分析了各模块的设计；接收端也同样采 用了a t 8 9 s 5 2 作为核心控制芯片，分析设计了继电器控制模块、电源模块、无线模块 n r f 2 4 l 0 1 、声光报警模块，在扩展8 2 5 5 a 的基础上设计了数码管显示模块。根据模块 化的设计思想编译了软件系统的相应软件。 无线通信系统的一个关键问题是防止同频段的其它设备的干扰，本设计基于 n r f 2 4 l 0 1 的可选工作频道及很短的频道切换时间，采用跳频展频技术( f h s s f r e q u e n c y - h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 来解决由b l u c t o o t h 、w i f i 、z i g b o e 等2 4 g 频段设 备引入的无线传输干扰问题。 关键字：超载限制器；a t 8 9 s 5 2 ；n r f 2 4 l 0 1 ；短距离无线传输；控制系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yp r o m o t e st h a tw e i g h i n gt e c h n o l o g yi sb e c o m i n g m o r ea n dm o r ea u t o m a t i c ，i n t e g r a t e d ，d i v e r s i f i e da n di n t e l l e c t i v e t h eo v e r l o a dl i m i t e ri si n i t i a l l y u s e di nh o i s t i n gm a c h i n e r y ( s u c ha sb r i d g e - t y p ea n dg a t e - t y p e ) ，w h i c hi sm e c h a n i c a la n dh a s b i gv o l u m ea n dc o m p l e xs t r u c t u r e ，s ou n t i ln o wt h eo v e r l o a dl i m i t e rh a sb e e nr e p l a c e db yt h e e l e c t r o n i ct y p e w er e q u i r eh i g hp r e c i s i o na n d a c c u r a c ya b o u tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，b e s i d e s w ea l s or e q u i r eh i 曲p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t ya b o u ts y s t e m f i r s t l yw em u s te r l s u r et h e f u n c t i o no fo v e r l o a dl i m i t e r , t h e ni no r d e rt oi m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t yw eh a v et oi m p r o v e t h ei n t e g r a t i o na n dt h er e l i a b i l i t yo f s y s t e m t h es i g n a lc o l l e c t e db yl o a dc e l li st r a n s m i t t e dt ot h en e x tl e v e lu s i n gs h i e l d e dc a b l e ，a n d t h e nt h es i g n a lc a nb ef u r t h e rp r o c e s s e d ( s u c ha se a l a r g e r n e n t , a dc o n v e r s i o na n dc o n t r o l l e ro f s i i l 哲e - c h i p ) b u ti nt h i sw a y , t h es i g n a lw i l lb ea t t e n u a t e da n dt h es e n s i t i v i t yo ft h ew h o l e s y s t e mw i l lb er e d u c e d i nt h ei n d u s t r i a lf i e l d ，t h es h i e l d e dc a b l ew h i c hi sd a m a g e dd u et o e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n dn a t u r eo fw o r kw i l ll o s et h ea b i l i t yt ot r a n s m i ts i g n a l s b e c a u s et h e i n s t a l l a t i o no fs h i e l d e dc a b l em a k e st h a ti t sd i f f i c u l tt od e t e c tt h es o b i c eo ft r o u b l e , i ti sh a r dt o i n s p e c ta n dm a i n t a i nt h es y s t e m t h i sd e s i g nr e p l a c e st h es h i e l d e dc a b l eb ys h o r t - r a n g e w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l en r f 2 4 l 0 1w h i c hc a no v e r c o m et h ep r o b l e m sc a u s e db yt h e s h i e l d e dc a b l e t h i s p a p e ri l l u s t r a t e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h e d e s i g n , a n a l y z e st h ed o m e s t i ca n do v e r s e a ss t a t u so fo v e r l o a dl i m i t e ra n ds u n n n a r i z e st h em a i n c o n t e n t so f t h es t u d ya n dw o r k s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t ，t h em a i na n da u x i l i a r yh 0 0 ko fo v e r l o a dl i m i t e ra r e d e s i g n e d ，t h ei n s t a l l a t i o no fs e n s o ri sa n a l y z e d ，s ot h ea c c u r a c yo ft h ec o l l e c t e ds i g n a l sc a nb e e n s u r e da n dt h es i g n a l sc a nb ep r o c e s s e di nt h en e x tl e v e l i nc h a p t e r2 , t w od e s i g ns c h e m e sa r e p r e s e n t e d a r e rd e t e r m i n i n gt h ep r o g r a m ，t h es e n d i n ga n dr e c e i v i n gh a r d w a r e so f t h eo v e r l o a d l i m i t e ra r ed e s i g n e d ，t h eh a r d w a r e sa r es e p a r a t e di n t os e v e r a lm o d u l e s i ns e n d i n ge n do ft h e l o a dc e l l ，t h ea m p l i f y i n gc i r c u i tm o d u l e ，t h ea dc o n v e r t e dm o d u l e ，t h es i n g l e c h i p ( a t 8 9 s 5 2 ) a n dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i tm o d u l ea r ei n t e g r a t e di n t o o n e ( t h a ti s f u n c t i o n a li n t e g r a t e d s e n s o r ) i nt h er e c e i v i n ge n d ，a t 8 9 s 5 2i sa l s ou s e da sac o l ec o n t r o lc h i p t h er e l a yc o n t r o l m o d u l e ，t h ep o w e rm o d u l e ，t h ew i r e l e s sm o d u l en r f 2 4 l 0 1a n dt h ea c o u s t o o p t i ca l a r mm o d u l e a r ed e s i g n e dt o o b a s e do i lt h ee x p a n s i o no f8 2 5 5 a ，t h en i x i et u b ed i s p l a ym o d u l ei s d e s i g n e d t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ei sc o m p i l e da c c o r d i n gt ot h em o d u l a r i z e dd e s i g n t h e k e y t ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni st op r e v e n tt h ei n t e r f e r e n c eo fo t h e rd e v i c e so ft h e s 锄eb a n d t h i sd e s i g nu s e sn r f 2 4 l 0 1 ，s ot h ew o r kc h a n n e li so p t i o n a la n dt h es w i t c h i n gt i m e o fd 姗n e li sv e r ys h o r t f r e q u e n c y - h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m c a nr e s o l v et h ew i r e l e s s i i l t 晌e n c ci n t r o d u c e db yo t h e rf r e q u e n c y2 4 ge q u i p m e n t ss u c ha sab l u e t o o t h ，w i - f i ，z i g b e e , e t c k e y w o r d s ：o v e r l o a dl i m i t e r ；a t 9 8 s 5 2 ；n r f 2 4 l 0 1 ；s h o r t - r a n g ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n ；c o n t r o l s y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文的研究背景及意义 第1 章绪论 起重机械按国家规定属于八大类特种设备之一。它广泛地应用于各种物料的起重、 运输、装卸、安装等作业中，是现代工业生产所不可缺少的机械设备。起重机通常具有 比较庞大的结构和比较复杂的机构，在作业的过程中往往是几个不同的方向同时运动。 它的工作特点是被吊物体体积大，重量重，经常处于恶劣的环境( 如高温、多尘等) ，工 作范围大，并且司机处于高空作业，视力容易疲劳，人为产生不良影响因素大( 如估计 不足、判断失误等) ，极易造成超负荷吊装，引起起重机钢结构大梁下挠，出现钢丝绳被 拉断的情况，导致吊物坠落、起重机的部件严重损坏、起重机使用寿命缩短的设备事故， 更严重的会造成人身伤害事故。但是与其余几种特种设备( 如锅炉、压力容器、压力管 道等) 相比，起重机的危险性综合程度不算大，然而其事故率近几年来一直居高不下， 其原因是多方面的，主要包括标准滞后、设计前瞻性不足、制造工艺水平落后、安装质 量控制不严、使用管理不到位、相应的保护装置使用不到位等。为了减少起重机的超载 所引起的破坏，延长起重机的使用寿命，避免与防止起重机的险兆事故，制定新的起重 机械安全管理规程、加大科研投入，提高研发能力、解决整机可靠性的问题、加强监督 管理、研制新的安全保护装置等己成为解决起重机发展与缩小同欧美工程起重机强国的 着手点。 为了使起重机械在进行作业的同时完成对被吊物料的称重，以及起到保护起重设备 和人员安全的目的，人们随之产生了在起重机械上装配称重装置的想法和愿望。起重机 械应用称重技术的历史已有2 0 0 余年。位于慕尼黑市的巴伐利亚州计量局里，保存有一 只1 7 8 0 年左右的称量悬挂负荷的壁式弹簧秤；在汉堡还有一台1 7 6 0 年的固定起重臂式 旋臂起重机，它上面装有一台1 8 5 8 年制造的十进制秤。在1 9 世纪上半叶，吊车( 起重 机) 秤就以“瑞典船舶秤 的名称而闻名于世了。1 9 3 2 年，带吊索的吊车秤的误差已经 能够达到任一负荷的0 2 以内，从而得到了型式批准。 起重机称重技术发展到现在，产生了专门应用于起重机称重的装置起重机超载 限制器。超载限制器按控制方式主要可分为机械式和电子式两种，按功能可分为自动停 止型、报警型和综合型几种。电子式的超载限制器因其体积小、结构简单、自动化程度 高而在起重机领域中得到了很大的发展，它从保护装置方面考虑，降低或解决了起重机 的安全事故。从1 9 8 6 年第一台起重量限制器的问世，到2 0 0 6 年底创造约2 亿元人民币 的销售产值，国家标准立法的事实也均证明了超载限制器自身及其在起重机械中的重要 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 性。所以，研究起重机超载限制器有丰厚的经济效益和广泛而深远的社会效益。 1 2 国内外研究现状 在科技高度发展的今天，传统、简单的作机械物理运动的机械设备已经远远不能满 足工业现场的要求，现在先进的机械设备必然是集机械、电子、计算机、控制等于一体 的复杂设备。机械设备这一总的发展趋势也促进了起重机械机械化、自动化、集成化、 智能化以及信息化的发展。现代称重技术的应用已使各种起重机械在已有的作业基础上 有了更进一步的发展。 1 2 1 国内产品现状 我国在工程机械安全保护装置方面的研究主要是从上世纪八十年代开始的。在产品 方面主要是自主研发和引进国外技术。 由北京起重运输机械研究所研制开发的q d x 型起重机多功能安全保护装置为起重 机的安全运行提供了较理想的安全保障，已通过鉴定并申请了专利。该装置利用设置在 起重机各工作机构上的传感器所采集的信号，由控制器内部的单片机进行数据采集、运 算、判断和处理，具有起重量超载和欠载保护、力矩超载保护、防止起重机互相碰撞、 露天起重机风速检测及保护、下降超速保护、起升高度指示及限位等多种功能。除此之 外，该装置还有报警、显示、参数修改、起吊载荷累计、工作次数累计等功能。适用于 5 - 5 0 0 t 各类起重机械、闸门启闭设备和类似的工程机械。 无锡市明业自动化系统有限公司的q c x b 型起重量限制器采用单片机技术，有自动 校核和自动检查、零点自动跟踪、抗干扰能力强、模块化设计、l e d 数字显示、三种报 警方式( 预先报警、延时报警、立即报警) 等功能和特点。 杭州丹尼斯机械有限公司引进德国技术，专为各类电动式起重设备而设计的安全保 护装置孙仰0 0 1 可以对各类电动式起重设备的工作状况进行综合监控和保护，摒弃了 传统的称重检测方式，采用高精度测量传输模块对起重设备及其工作电机的各项工作参 数信息进行综合采集，然后经过高性能微处理器对所采集的信息进行一系列的运算和分 析，并根据运算分析的结果对起重设备的工作状况作出综合评估和相应的处理。它不但 能对起重设备的起重量超载进行有效的监控和保护，还能对起重机电机电源错相、缺相、 过流、过压、欠压、堵转、短路、三相不平衡等常规参数进行有效的监控和保护。因此 对保证人身和设备安全起到了积极的作用。 此外，液晶显示技术在超载限制器显示方面也得到了应用，已出现了用汉字提示， 表格化的超载限制器。总的来说，国内产品的最主要问题是可靠性问题，在保证可靠性 的前提下，不断完善超载限制器的系统功能和性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 2 国外产品现状 国外在工程机械的保护装置方面的研究起步较早，而且很早就已经将产品应用于工 程机械现场。近年来，国外工程机械有一种发展趋势：主机制造企业逐步向组装企业方 向发展，配套件逐步由供应商来提供。不管保护装置是由主机制造企业或是供应商提供， 都代表了工程机械安全保护装置和配套件的国际先进水平。 许多先进的技术在一些大型企业的起重机上得n t 应用，如一些德国的起重机上采 用激光装置来测量起吊物的重心位置，依靠超声波传感器引导取物装置抓取货物，采用 磁场变换器或激光来对起吊重物进行高精度定位。 模糊控制器( 如模糊p i d 控制器等) 在起重机械上得n t 大量应用，将人的主观的 模糊量( 有经验的操作人员的操作经验) 通过模糊集合来数字化，然后将得到的数字量 和防摇摆实际操作的数据输入系统，启动工作的控制指令，就可以利用微处理器来实现 像熟练操作人员一样的自如操作，取得更高的效率和安全性。 起重机上安装的近场感应系统有效地避免了起重机之间的相互碰撞。利用无线遥控 系统时，起重机的起吊量能够在远程发射机上显示。另外j 起重机上装配的微机自诊断 监控系统能够对起重机的钢丝绳状况、减速器油温和油位、车轮轴承温度、起重机载荷、 应力和振动情况、制动器摩擦衬片的寿命及温度状况等进行常规的检查与维护。 1 3 论文的主要研究内容及结构 本课题的主要研究内容是按照工业现场的需要，应用数学和力学知识及相关理论建 立、分析、设计传感器部分的模型与模块，将传统的起重机超载限制器中的传感器、放 大电路、a d 转换电路等信号采集与处理模块与a t 8 9 s 5 2 单片机及外围电路、无线模块 集成为一体，通过无线数据传输模块n r f 2 4 l 0 1 来进行数据的发送，在接收端通过 n r f 2 4 l 0 1 将接收的数据传送给单片机，单片机再将接收到的数据用于显示与控制。同 时，利用单片机来实现相应的辅助功能。论文的具体结构如下： 第1 章：绪论。提出了本论文的研究背景和意义，综述了国内外起重机称重的研究 和应用现状，阐明了论文的主要研究内容和结构。 第2 章：总体方案拟定。从工业现场及实际情况出发，分析了超载限制器的技术指 标、应实现的功能及控制系统的方案设计。 第3 章：称重传感器设计。论文首先分析了传感器的性能指标，基于此指标，结合 本论文的设计要求，运用数学、力学和相关原理设计、分析了电阻应变式压力传感器。 然后对传感器的安装方案进行了分析。 第4 章：控制系统硬件电路设计。本设计的硬件电路分两大部分：发送端硬件和接 收端硬件。在发送端，采用的是数字信号发送方式，方法是将传感器采集的原始信号进 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 行放大、a d 转换，然后再发送，所有的模块集成为一体。此部分的单片机并不做显示 方面的任务，除了驱动a d 转换芯片外，还控制无线数据传输模块n r f 2 4 l 0 1 发送数据， 并接收应答信号；在接收端，数字信号通过单片机控制的n r f 2 4 l 0 1 来接收，完毕后发 送应答信号，n r f 2 4 l 0 1 接收的数据传送给单片机。单片机显示称量物体的重量，如果 物体的重量超过了设定值，则进行相应的报警及利用继电器来切断起升回路电路。此外， 为了保证各模块能正常工作，进行了相应的电源模块的设计。 第5 章：控制系统软件设计。与硬件电路的设计类似，软件设计也分两大部分：发 送端软件和接收端软件。其中，发送端软件包括：a d 转换程序、辅助功能程序、发送 接收程序、n r f 2 4 l 0 1 跳频抗干扰程序、主程序等；接收端软件包括：接收发送程序、 i o 接口扩展程序、辅助功能程序、键盘驱动程序、继电器控制程序、n r f 2 4 l 0 1 跳频抗 干扰程序等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章总体方案拟定 为了称量起重机吊钩起吊的重物，为操作人员进行作业提供参考数据，以避免在生 产过程中造成不必要的安全事故。根据工业作业现场的特点与要求，研制了起重机超载 限制器控制系统，给出了一套完整的总体设计方案。 2 1 控制系统的技术指标 1 称重量：主钩：0 - - - - 2 0 t ；副钩：0 5 t ； 2 系统精度：士5 ( f s ) ； 3 防护等级：传感器i p 6 5 ，显示仪表口4 2 ； 4 报警功能：声光报警，切断起升回路电源； 5 超载限制器的报警方式： 预报警： 9 0 额定载荷。黄色l e d 闪烁，蜂鸣器发出间断报警声； 延时报警：1 0 5 额定载荷。红色l e d 直亮，蜂鸣器发出连续报警声， 2 s 之后如为真正的超载，立即切断起升回路电源； 立即报警： 1 1 0 额定载荷。红色l e d 一直亮，蜂鸣器发出连续报警声， 立即切断起升回路电源： 6 超载限制器的工作温度：2 5 + 6 0 ；相对湿度：4 5 - 9 5 ； 7 电源电压：a c 3 8 0 v 2 2 0 、，士1 0 ； 8 继电器触点容量：主钩和副钩分别为2 5 0 v 1 0 a 和2 5 0 v 6 a ，耐压为1 5 0 0 v a c ： 9 显示方式：4 位7 段数码管显示。 2 2 控制系统的功能要求 超载限制器在使用过程中，需要对重量进行显示和控制，并且保证信号的传输通道 屏蔽电缆线的畅通。现有的超载限制器的信号传输通道一屏蔽电缆线易发生损坏或连 接不良等问题，且模拟信号在传输过程中也会产生信号衰减、外界信号干扰等情况。为 了解决这些问题，参照国类外同类产品的设计经验，并结合相应的研究及技术成果，确 定具有主、副钩的超载限制器控制系统功能如下： 1 非电量到电量的转换 当有不大于称重传感器过载能力的重物作用于传感器时，传感器能够精确地将重物 的重量转换为与之成比例的电压信号，然后传给后续的信号处理电路进行处理。由于需 要对主、副钩分别称重，就必须要有两个称重传感器来分别将主、副钩起吊重物的重量 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 转换为对应的电压信号。 2 模拟信号数字化 由传感器获得的信号是模拟量，因模拟信号在传输过程中的特点( 有衰减、抗干扰 性差等) ，将传感器及信号处理电路集成于一体。此时，从功能集成传感器中输出的信号 即是数字信号，再对此数字信号进行相应的处理。 3 数据的无线发送与接收 无线数据传输模块用来发送接收数字信号。在发送端，模块只须对获得的数字信号 进行发送，并且接收来自接收端的应答信号；在接收端，模块接收发送端发送的数字信 号，并发送应答信号。 4 声光报警及控制 超载限制器将称重的重量用数码管显示出来。当称重的重量达到或超过设置的值时， 超载限制器采用不同的声光报警来表示不同的预警级别；当达到相应预警级别时，继电 器动作，切断与之对应的起升回路的电源，以此来停止起重机的工作。 5 辅助功能 具有相应的模块( 硬件或软件) 来实现功能设置、自检、自动调零、总运行时间和 总超载次数、i s p 等功能，使超载限制器的整体功能更加完善。 2 3 控制系统的方案设计 整个控制系统由两大部分组成：发送部分和接收部分。两部分的数据传输采用无线 数据传输模块n r f 2 4 l 0 1 来完成。在此有两种方案：一是放大电路、a d 转换电路、单 片机及外围电路和无线数据传输模块n r f 2 4 l 0 1 都采用两路来分别处理主、副钩传感器 采集的信号；一是除了放大电路使用两路之外，a d 转换芯片、单片机及外围电路和 n r f 2 4 l 0 1 都采用同一电路来处理采集的两路信号。从实际的设计考虑，第一种方案会 增加硬件的成本，相比第一种方案，第二种方案在降低成本的同时，增大了软件开发的 难度。本设计采取第二种方案来构建控制器的硬件系统。 该超载限制器控制系统的总体框图如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ：接收部分 丸到 牺 剖 - 医磊司l 叫竺il 2 3 1 硬件部分设计 图2 一l 超载限制器控制系统总体框图 1 发送部分 为了保证采集信号的准确性，将前面所述的模拟信号数字化中的传感器、放大电路、 a d 转换电路、单片机及外围电路、无线数据传输模块n r f 2 4 l 0 1 集成为一体的方法输 出数字信号。 主钩传感器和副钩传感器将采集到的0 - - 2 0 m v 左右的电压信号经过由o p 0 7 组成的 差动放大电路( 由分立元件组成的仪表放大器电路) ，放大到0 - 2 v ，放大后的信号再经 过逐次逼近a d 转换芯片t l c l 5 4 3 组成的a d 转换电路之后，此时的信号即为数字信 号，将数字信号分别送入单片机中，单片机的作用一是为了存储t l c l 5 4 3a d 转换的数 字信号；一是为了控制t l c l 5 4 3a d 转换芯片和无线模块n r f 2 4 l 0 1 。单片机中存储的 数据通过无线模块n r f 2 4 l 0 1 发送。 2 接收部分 在接收端利用n r f 2 4 l 0 1 来接收发送端的数据，然后再将数据传送给单片机进行相 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 应的显示及控制：如声光报警、切断起升回路的供电电路等。 2 3 2 软件部分设计 单片机常用的编程语言有汇编语言和c 语言，这两种语言有着各自的特点。汇编语 言的特点是目标代码效率高，利于编写对硬件精确控制的程序，其缺点是不利于移植， 不便于理解；c 语言的特点是程序移植性好，便于理解，其程序执行效率相对汇编语言 来说虽然低，但是目标代码效率相对汇编语言只低1 0 2 0 。 自从出现了专门针对5 1 系列单片机的c 编译器之后，c 语言在单片机开发语言的 选择上逐渐成为首选，即通常称谓的c 5 1 。c 5 1 用于编写较复杂的程序；而汇编则用于 对效率要求高的场合，尤其是底层函数的编写。汇编语言适合做实时处理，c 5 1 适合做 接口问题处理。本文的软件开发采用c 5 1 来进行。 目前使用最为广泛的编译器是德国k c i l 公司的k c i lc 5 1 编译器，它被嵌入到了k c i l u v i s i o n 集成开发环境中。u v i s i o n 3i d e 集成项目管理、编译工具、代码编写工具、代码 调试及完全仿真于一体。它提供了简单易用的平台，可以让开发者在开发过程中集中精 力于项目，加快项目开发进度。 软件部分采用模块化的设计思想，各功能模块采用子程序的形式，在主程序中调用 各子程序，完成相应的功能。 在软件部分，采用k c i lu v i s i o n 和p r o t e u si s i s 来仿真相关电路的设计。如果仿真由 分立元件组成的电路，只由p r o t e u si s i s 单独即可完成，但是要仿真由微处理器( 如5 1 系列、p i c 系列、a v r 系列、l p c a r m 7 系列等) 及其外围元件组成的电路，则要同时 使用k c i lu v i s i o n ( 或m p l a b 、i a rf o ra v r 、i a rf o ra r m 等) 和p r o t e u si s i s 联调来 完成，确保在设计实施之初验证设计的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第3 章称重传感器设计 传感器是能够感受规定的被测量，并能将其按照一定的规律转换成可用输出信号的 器件或装置。电阻应变式传感器作为传感技术中的一个重要分支，在称重技术中取得了 广泛的应用。它的一个广阔的应用领域是力的测量，包括拉力或压力以及力空间六分量 中任何一个单独的力或力矩。电阻应变式传感器将感测到的非电量( 力或力矩) 转换为 便于处理的电量，因此它成为整个超载限制器控制系统中关键的组成部分。本章论述电 阻应变式称重传感器的设计过程。 3 1 称重传感器的设计原则 传感器作为信号获取的最关键环节，直接影响着控制系统的精度。因此对于其设计， 必须遵循相关原则才能设计出符合系统要求的传感器： 1 采用符合要求的弹性体材料，设计合理的形状、相应的尺寸； 2 应力应变部位( 贴应变片的部位) 应与被测力保持严格的对应关系，且具有较高 的应力应变水平； 3 改善应力应变部位的应力集中现象； 4 具有低的成本，符合传感器的性能参数( 阀值、漂移、过载能力、稳定性、重复 性、可靠性等) 及工作要求。 3 2 称重传感器设计的理论依据 传感器的基本功能是将被测量转换为电量，在其输出输入转换过程中应该按照一定 的规律进行。在设计传感器时，必须遵循相应的理论依据，确定输出输入之间的关系及 其特性，便于进行设计、制造、维修及应用。 3 2 1 传感器的静态特性 传感器的特性分为静态特性和动态特性。静态特性是指被测物理量不随时间变化或 变化很缓慢时，输出输入之间的关系。动态特性是指被测物理量随时间变化迅速时，输 出输入之间的关系。通常用来描述静态特性的指标有灵敏度、非线性度、迟滞( 回程误 差) 等。由于本系统的被测物理量波动较小，所以在这里只介绍传感器的静态特性。 1 灵敏度 a 灵敏度指输出量的变化值与输入量的变化值之比，e p 灵敏度e s =。_ l a y 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 灵敏度所描述的是曲线的斜率，如为线性系统，则灵敏度是一定值( 即直线的斜 率) ，其斜率越大，灵敏度也就越高；若为非线性系统，则灵敏度气是一变量( 即曲线 的斜率) ，输入量不同，其灵敏度也不同。常用拟合直线的斜率来表示非线性系统的平均 灵敏度。灵敏度与系统的稳定性是相反的关系。 2 非线性度 非线性度是指传感器的标定曲线偏离拟合直线的最大程度。 曲线 直线 图3 _ l 非线性 如图3 1 所示，输出满量程为a ，标定曲线偏离拟合直线的最大值为b ，则 非线性度勺= 号1 。 曲线 直线 图3 2 迟滞 3 迟滞( 回程误差) 对于作满量程变化的同一输入量，正、反行程输出量不一致的现象称为迟滞。如图 3 - 2 所示。 迟滞表示正、反行程中最大偏差与满量程输出a 的百分比，即 迟滞误差巴：垒竖1 0 0 4 重复性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 重复性误差指输出最大不重合误差( 对应于一组正、反行程中的最大值a m a x ) 与 满量程输出a 的比值( 如图3 1 所示) ，即 重复性误差巳= t , m a x 1 0 0 图3 3 重复性误差 5 传感器的总静态特性误差 总静态特性误差e 的计算公式如下： p = 污习丽 曲线 直线 式中，e ，一非线性误差； 乞迟滞误差； t 一重复性误差； 略一灵敏度误差； 6 准确度 准确度指测量值与真值之间的接近程度( 或符合程度) ，常用相对误差表示。 准确度：塑堡紫1 0 0 具值 此外，传感器静态响应特性的其它指标还有稳定度和漂移、可靠性、分辨率和阀值 鸯莹 专宁o 3 2 2 金属材料的电阻应变效应 当金属丝受到外力作用发生轴向或径向变形时，其电阻值会发生相应的变化，这种 效应称为电阻应变效应。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图3 4 金属导停文瑶1 甲庙圈爹致父化 如图3 4 所示，金属导体长为1 ，截面面积为a ，电阻率为p ，其电阻为： 肚户j(3-1) 在轴向力f 的作用下，被拉伸( 或压缩) 时，其1 、a 和p 均发生变化，如图3 叫 所示，因而金属丝的电阻也随之发生变化。对式( 3 一1 ) 两边取对数后再作微分，可得 塑：d p + _ d 一_ d a ( 3 _ 2 ) 一= 十 l j 二， r p z 么 式中：百d r 一电阻的相对变化； 譬：占一导体的纵向应变； 而学：2 生：2 。：_ 2 胪 以， ，一导体的半径； 横向应变； 。 一泊松比。 将筹= 一2 膨代入式( 3 _ 2 ) 可得： 警= ( 1 + 2 咖+ d p ( 3 - - 3 ) 又金属材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化关系式为：塑：c 丝 t z p7 式中：c 为常数，由材料和加工方式决定； 可d v = 丝l + 等_ ( 1 却) 占 代入式( 3 _ 3 ) ，并考虑到实际上丝r ，故可得 百d r = ( 1 + 2 ) + c ( 1 2 比) 1 占= 如占 ( 3 _ 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 式中，疋l _ ( 1 + 2 ) + c ( 1 2 ) 金属材料的应变灵敏度系数( 简称灵敏度系数) 。 式( 3 4 ) 阐明了金属材料的电阻应变效应：金属材料电阻的相对变化与其线应变成 正比。 3 2 3 局部刚度差原理 局部刚度差原理是针对传感器弹性体而言的，其包含两方面的意义：第一，变形主 要产生在弹性体的被检测部位，而非检测部位的变形相对于其来说极其微小，这样就在 二者之间产生了极大的刚度差，从而使变形集中在被检测部位，在外加正向载荷的情况 下，弹性体被检测部位产生的应变值最大，而弹性体的总位移是微小的；第二，建立与 各个力路被测正向载荷相对应的应变场，同时，在理想位置上，应变场主应变的方向是 唯一确定的。 3 2 4 差动电桥原理 差动电桥原理是针对影响电桥桥路输出的载荷而言的，其同样包含两方面的意义： 其一，在电桥桥路中，电阻应变计能够对所有力空间六分量中任何一个单独的力或力矩 进行检测，且在桥路输出中，对正向载荷引起的应变值，满足叠加原理；其二，由非正 向载荷引起的附加应变，在正负桥臂上或是自行抵消，或是对称出现，且理论上完全相 等，因此，它们在桥路输出中总是抵消的。 3 3 称重传感器的设计 本部分首先阐述称重传感器的设计要求，选择了弹性元件的材料和应变片的参数及 测量电路。然后对传感器的结构进行了设计，根据设计的结构进行了相应的力学分析， 确定了弹性梁的几何尺寸，并对弹性梁的强度和刚度进行了校核。 3 3 1 设计要求 根据相应的要求对传感器的设计数据进行整理得到如表3 1 所示数据。 表3 一l 传感器设计数据 量主钩：0 灵敏度：非线性：零点输出：滞后误差： 程 2 0 t2 4 - 2 m v v o 0 2 0 o 2 0 0 2 0 副钩：0 - 5 t 重复性误差：激励电压：工作温度范围：输入阻抗：输出阻抗： 0 0 1 1 0 v d c 3 0 + 7 0 3 8 0 5 q3 5 0 3q 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 蠕变：绝缘阻抗：温度补偿范围：温度变化对量程： 5 0 0 0 m q1 0 t 0 4 0 1 的影响 对零点： 0 0 0 2 6 3 3 2 弹性元件材料的选择 本设计采用的弹性元件的材料为4 0 c r n i m o ，其特点：高的强度、韧度，良好的淬 透性，在高温下表现出较好的稳定性，但白点敏感性高，有回火脆性，焊接性差，焊前 需经高温预热，焊后要进行消除应力处理。4 0 c r n i m o 的性能如表3 2 所示： 表3 24 0 c r n i m o 的常规性能 弹性模量e ：弹性模量温度系数： 线膨胀系数： 抗拉强度： 1 0 1 1 p a ( 1 0 。4 o c )( 1 0 巧o c ) x 1 0 7 p a 2 。1 2 3 01 1 41 1 5 延伸率万：硬度：冲击韧性： 弹性极限： h r c ( x1 0 5 n m c m 2 ) 1 0 7 p a 1 23 8 581 0 9 取必要的安全系数得【盯】- 亏1 一尹1 在此取 盯】= 3 6 k g f m m 2 对于塑性材料，许用剪切应力 f 】= ( 0 6 o 8 ) o - 】，取系数为0 7 5 得， p 】- 0 7 5 m = 0 7 5 x 3 6 k g 聊m 2 = 2 7 k g 肌朋2 3 3 3 应变片的选择及测量电路 本设计中选用的应变计为金属箔式电阻应变计，其优点是表面积大，散热性好，相 比电阻丝式的应变计，挠性好，有利于变形的传递，蠕变小，疲劳寿命长等。如下表3 3 列出了主、副传感器应变计的参数。 表3 3 主、副传感器应变计的参数 此外，为了提高灵敏度和引入自补偿，常采用全桥电路来进行测量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 3 4 称重传感器结构设计 本文设计的传感器结构简图如图3 5 所示，它由受力部分、支承部分、弹性应变梁、 中间传力部分和电阻应变计粘贴处等构成。它建立在剪应力与外载荷成正比而与载荷位 置无关的基础上。由静力平衡条件知，当载荷作用点在梁上变化时，作用点左右两侧梁 上的每个截面上的垂直剪力为一相同的常量。但是，剪应力本身用电阻应变计测量不出， 但剪应力可以产生与应变梁中性层成4 5 。方向的互相垂直的两个主应力。因此，可以通 过测量对应的主拉应变和主压应变来实现测量目的。 a a 1 支承部分2 弹性应变梁3 冲间传力部分4 电阻应变计粘贴处 图3 - 5 传感器结构简图 3 3 5 称重传感器力学分析 由于传感器是按局部刚度差原理设计的，中间传力部分和两端支承部分的刚度很大， 受外力作用时，其产生的变形与弹性应变梁的变形相比极其微小，故可以认为这两部分 是刚性的，传感器弹性元件的受力结构简化为图3 6 所示的力学模型。 a a 图3 6 力学模型 d d 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 a a b r b 1乙 一 l f 旺 b 1 f 协 一 l 。 m 8 嫡 一f k b 列2 ) ( c ) 图3 7 受力分析 传感器的弹性梁被四个平底孔分成两个截面更小的工字梁，梁的结构、载荷对称， 取其中一半为研究对象。受力分析如图3 1 所示。 由静力平衡条件知，= 0 。 又根据结构与载荷的对称性知，b r = 等。 此时，结构简化为一集中力等和力偶m b 共同作用的悬臂梁。如图3 1 ( b ) 所示。力 偶m 。为多余约束，梁简化为一次静不定梁。 由于弹性应变梁a 、b 端为刚性连接，所以b 端满足位移( 或变形) 条件岛= 0 。 作距b 端为x 的任意截面，取右部分为研究对象，如图3 7 ( c ) 所示。则弯矩方程 m ( 石) = 肘口一；x 。由莫尔定理，若在b 端加一单位力矩m o = l ，则 如= 壶j m ( 批出= 壶r b 一手功( + - ) 出2 壶产争( 3 。) 式中，弹性梁的截面惯性矩； e _ 一材料的弹性模量。 由巳- o ，即击( 坞卜争=