智能仪器仪表 起重量限制器VIP

1 起重量限制器 摘要 起重机超载限制器 Crane Overload Limiter 是一种重要的起重机超载保护装置 该装置具有声 光报警 立即报警 切断起重机起升电机电路和显示起吊重物重量等功能 可避免起重设备因过负荷超载 造成的设备和人身事故 因此它对冶金 机械 矿山 铁路 码头 仓库等行业现代化安全生产 具有极 其重要的意义 该产品在设计上采用了先进的计算机技术 有自动校核检查和零点自动跟踪能力 具有 功能强 结构紧凑 操作校准方便 工作稳定 安装维修方便等优点 关键字 起重量限制器 起重机械 超载保护 Crane Over Load Limiter Abstract Crane over load limiter is a kind of important crane overload protector The device with sound and light alarm immediately report to the people cut off the crane lifting motor circuit and display lifting heavy weight and other functions which can avoid lifting equipment with load caused by overload of the equipment or personal accident So it is of significance to metallurgy machine mine railway port warehouse and other modern safety production The products adopts advanced computer technology in the design with ability of automatic check check and zero automatic tracking meanwhile it has some advantages such as strong compact structure convenient operation calibration stable easy installation and maintenance etc Key words Loading capacity Limiter Hoisting machinery Overload protection 2 前言 仪器仪表 instrumentation 仪器仪表是用以检出 测量 观察 计算各种物理量 物质成分 物性参数等的器具或设备 真空检漏仪 压力表 测长仪 显微镜 乘法器等 均属于仪器仪表 广义来说 仪器仪表也可具有自动控制 报警 信号传递和数据处理等 功能 例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表 和电动调节仪表 以及集散型 仪表控制系统也皆属于仪器仪表 1 智能仪器仪表简介 智能仪器是把一个维新计算机系统嵌入到数字式电子测量仪器中而构成的独立式仪器 嵌入的计算机系统可以是芯片级 如单片机 数字信号处理等 模板级如 PC 4 也可以 是系统级 如微型计算机系统 可编程单芯片系统等 智能仪器在结构上自成一体 有的仪器内部还带有专用的微型计算机系统和通用接口 总线接口 能独立完成测试 智能仪器由于引入了计算机 功能强大 性能优异 使用灵 活 方便 是现阶段高档电子仪器的主体 如离子污染测试仪 上 PIN 机 双盘研磨机 剥离强度测试仪 拉脱强度测试仪等都采用智能技术的现代化精密检测仪器 又比如纳米 智能机器人 随着新技术 新工艺和嵌入式系统技术的不断进步 智能仪器还在不断发展 不断推 陈出新 不断提高智能水平 2 起重量限制器简介 起重量限制器 1 主要装备在汽车吊 轮胎吊和履带吊等大型起重机上 通过系统内的 传感器对起重机的关键工作参数进行实时检测 经过分析计算和数据处理得到结果并结合 起重机的当前工况进行判断 当实际载荷接近起重机的非安全工作范围时 系统预报警 超过非安全工作范围时 系统报警并自动进行安全保护控制 禁止起重机向危险方向动作 起重量限制器包涵传感器 CUP 显示 调节 电源 继电器 声光报警 首先通过传 感器把模拟信号送到 CPU 中 经过 CPU 对模拟信号进行转换成数字信号 然后对转换之后 的数字信号进行处理送去显示 案件调解部分能够对一些参数进行调节和设置 通过转换 之后的数据与设定的数据进行比较 做出相应的响应 例如 继电器动作 声光预警 声 光报警 拉力传感器基于这样一个原理 弹性体 弹性元件 敏感梁 在外力作用下产生弹性变形 使粘贴在他表面的电阻应变片 转换元件 也随同产生变形 电阻应变片变形后 它的阻 值将发生变化 增大或减小 再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号 电压或 电流 从而完成了将外力变换为电信号的过程 把转化后的电信号传给 MCU 内部 AD 从而 进行数模转换 把模拟信号转换成数字信号 从而对数字信号进行处理 3 系统硬件设计 3 1 系统方框图 系统主要由主机部分 报警制动保护 状态信息存储 控制盒及显示部分等组成 图 3 3 1 为系统组成框图 压力传感器 A D 转 换 器 89C51 报警制动保护 键盘参数输入 LED 数码显示 状态信息存储 图 3 1 系统组成框图 3 2 系统硬件设计概述 A D 转换器选用 ADC0809 系统主机选用 89C51 单片机 数码显示部分选用 BS212 共阳 数码管 音响部分选用一片 KD9561 硬件系统上电工作后 来自压力 拉力 传感器的微弱电信号 约 20 V 经滤波电 路后送到 ADC0809 进行 A D 转换 ADC0809 送出的 8 位信号一起送到 89C51 单片机的 P1 口 89C51 根据 P0 口来的信号进行处理判别后送 LED 显示 若采集到的物重达到或超过额定值 的 90 则由 P2 5 送出低电平驱动声光预警电路 若采集到的物重达到或超过额定值的 105 超载技术单元加 1 由 P2 6 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 3 3 各子电路的简介 3 3 1 电源电路 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 14 May 2010Sheet of File E 出出出 protel xuhuiling01 ddbDrawn By Vin 1 GND 2 Vout 3 U1 LM7805 C3 0 1F C7 0 1F C1 2200uF C5 100uF 5V T1 TRANS1 D2 IN4007 D6 IN4007 D5 IN4007 D1 IN4007 图 3 2 电源电路 220V 交流电通过电源变压器变换成交流低压 再经过桥式整流电路整流桥整流和滤波 电容滤波 在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电 压 此直流电压经过 LM7805 的稳压和滤波电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高 稳定度好的直流输出电压 本稳压电源可作为 TTL 电路或单片机电路的电源 3 3 2 传感器电路 半导体的压阻效应 固体受到作用力后 电阻率就要发生变化 这种效应称压阻效应 4 压阻式传感器主要用于测量压力 加速度和载荷等参数 因为半导体材料对温度很敏 感 因此压阻式传感器的温度误差较大 必须要有温度补偿 主要优点是灵敏系数比金属 电阻应变片的灵敏系数大数十倍 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 图 3 3 压阻式压力传感器结构简图 1 低压腔 2 高压腔 3 硅杯 4 引线 5 硅膜片 采用 N 型单晶硅为传感器的弹性元件 工作原理 膜片两边存在压力差时 膜片产生变 形 膜片上各点产生应力 四个电阻在应力作用下 阻值发生变化 电桥失去平衡 输出 相应的电压 电压与膜片两边的压力差成正比 如图 3 4 为压阻式传感器电路图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 14 May 2010Sheet of File E 出出出 protel xuhuiling01 ddbDrawn By C9 6 8uF R5 10K 5V 3 2 1 84 U4A LMV358 R11 120 R12 120 R10 120 R4 RES4 VCC C13 0 01uF R6 100K 出出出出 图 3 4 压阻式传感器 3 3 3 A D 转换电路 A D 转换器芯片 ADC0809 是 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 100 s 左右 图 3 5 为 ADC0809 引脚图 ADC0809 是一种逐次比较式 8 路模拟输入 8 位数字量输出的 A D 转换器 对 ADC0809 主要信号引脚的功能如下 IN7 IN0 模拟量输入通道 ALE 地址锁存允许信号 对应 ALE 跳沿 A B C 地址状态送入地址锁存器中 START 上升沿时 START 转换启动信号复位 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 5 钟信号引脚 通常实用频率为 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 实用中该状态信号即 可作为查询的状态标志 又可作为中断信号使用 图 3 5 ADC0809 引脚图 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 其 典型值为 5V Vref 5V Vref 0V 3 3 4 复位电路及振荡时钟电路 计算机在启动运行时都需要复位 复位使中央处理器 CPU 和系统中的其他器件都处于 一种初始状态 并从这个初始状态开始工作 89C51 单片机有一个复位引脚 RST RST RESET 是复位信号输入端 高电平有效 当单片机运行时 在此引脚加上持续时 间大于 2 个机器周期 24 个时钟振荡周期 的高电平时 就可以完成复位操作 为了可靠 的复位 复位时间都在 10ms 以上 当 RST 引脚为低电平时 单片机退出复位 CPU 从初始 状态开始工作 如图 3 6 所示为上电自动复位电路 在 RST 复位引脚端接一个电容至 5V 和一个电阻至地端 就能实现上电自动复位 在加电瞬间 电容通过电阻充电 就在复位 端引脚上产生一定时间的高电平信号 只要高电平信号时间足够长就可以使 89C51 单片机 有效地复位 6 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 13 May 2010Sheet of File E 出出出 protel xuhuiling ddbDrawn By EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 U7 89C51 Y1 12M C11 56pF C12 56pF R13 1K C10 22uF VCC 图 3 6 复位电路及振荡时钟电路 单片机必须在时钟的驱动下才能工作 89C51 单片机内部有一个时钟振荡电路 只需 外接振荡源 就能产生一定频率的时钟信号送到单片机的各个单元 决定单片机的工作速 度 图 3 6 是内部时钟工作方式的原理图 这种方式是内接振荡源 一般选石英晶体振荡器 此电路在加电后延迟大约 10ms 振荡器起振 在 XTAL2 引脚产生幅度为 3V 左右的正弦波时 钟信号 其振荡频率主要由石英晶振的频率决定 电路中的两个电容有两个作用 一是帮 助振荡器起振 二是对振荡器的频率起微调作用 3 4 人机通道的设计 3 4 1 显示器的设计 发光二极管 LED 显示器是由若干个发光二极管组成的 当发光二极管导通时 相应 的一个点或一个笔画发光 控制不同组合的二极管导通 就能显示出各种字符 3 位数码管显示的主要内容为物体的实际重量 即毛重减自重的值 图 3 7 为七段数 码管引脚图 图 3 7 七段数码管引脚图 如图 3 8 所示 图中的 8 个 LED 分别与上面那个图中的 A DP 各段相对应 通过控制 各个 LED 的亮灭来显示数字 7 图 3 8 三极管的内部结构图 实际的数码管的引脚排列 对于单个数码管 从它的正面看进去 左下角那个脚为 1 脚 以逆时针方向依次为 1 10 脚 左上角那个脚便是 10 脚了 上面两个图中的数字分别 与这 10 个管脚一一对应 注意 3 脚和 8 脚是连通的 这两个都是公共脚 显示电路如图 3 9 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 13 May 2010Sheet of File E 出出出 protel xuhuiling ddbDrawn By a bf c g d e VCC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 LED1 LG3611BH a bf c g d e VCC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 LED2 LG3611BH a bf c g d e VCC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 LED3 LG3611BH Q2 9012 Q3 9012 Q4 9012 5V 5V 5V R8 4 7K R9 4 7K R7 4 7K P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P2 0 P2 1 P2 2 图 3 9 显示电路 3 4 2 键盘的设计 键盘分为独立式和矩阵式 前者的结构简单 用于按键较少的场合 后者的结构相对 复杂些 但占用的资源少 通常用于按键较多的场合 本系统的键盘采用两个独立式按键 如图 3 10 a 数值调整代表模拟起重吊物的重量 可实现超载报警 b 按键开关采用上拉电阻保证在按键断开时 各 I O 口有确定的高电平 每个按键带一个阻容吸收电路以吸收按键按下时的电流冲击和硬件上消除一定的抖动 其 特点是每个按键单独占用一根 I O 口线 每一个按键的电路是独立的 占用一条数据线 当其中任意一个按键按下时 它所对应的数据线的电平就变成低电平 读入单片机就是逻 辑 0 表示键闭合 若无键闭合 则所有的数据线的电平都是高电平 2 8 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 5V 5 1k 8 图 3 10 独立键盘结构 按键在按下或释放时 由于弹性作用的影响 通常伴随有一定时间的触点抖动 如图 3 11 所示的电压波形 抖动时间一般在 5 10ms 稳定 前沿抖动 后沿抖动 图 3 11 按键抖动信号波形 软件上采取的措施是在检测到有按键按下时 执行一个 10ms 左右的延时程序 再确认 该键电平是否仍保持闭合状态电平 若仍保持闭合状态电平 则确认该键处于闭合状态 同理 在检测到该键释放后 也应采用相同的步骤进行确认 从而消除抖动的影响 硬件去抖的方法主要有利用 R S 触发器和滤波电路 如图 3 12 所示是一种由 R S 触发 器构成的去抖动电路 当触发器翻转时 触点抖动不会对其产生任何影响 在键数较少时 可采用硬件去抖 而当键数较多时 采用软件去抖 本文选硬件去抖 图 3 12 按键去抖动电路 3 4 3 报警电路的设计 报警电路的作用在于当起重机的起重重量达到额定值的 90 105 以内黄灯显示 当 超过额定值的 105 则报警 并且红灯显示 报警电路芯片选用是 KD9561 是一款专门用于 声光控制系统的芯片 图 3 13 为 KD9561 的内部结构图 5 1k 5 1k 74LS00 74LS00 5V 9 图 3 13 KD9561 的 内部结构 图 图 3 1 3 图 3 13 KD9561 的内部结构图 报警电路如图 3 14 所示 模拟声光报警最常用的方法是采用模拟声音集成电路芯片 如 KD 956X 系列 外接的小功率三极管 9013 是为了驱动扬声器 当系统检查到报警信号后 使三极管 9013 导通 便发出报警声音 电路的高电平 KD9561 输 出的音频信号经三极管推 动电动式扬声器 LS1 发出宏亮的报警声 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 14 May 2010Sheet of File E 出出出 protel xuhuiling01 ddbDrawn By D4 出 D3 出 R2 1 5K R1 5K R3 270K Q1 9013 LS1 SPEAKER 5V VSS 2 SEL2 1 OUT 4 VDD 8 OSC1 7 OSC2 6 SEL1 5 NC 3 U3 KD9561 12 U6A 74LS05 P2 5 P2 6 图 3 14 报警电路 10 3 4 4 超载限制器控制盒的设计 超载限制器的控制盒主要包括物重显示 黄灯和红灯显示 喇叭及电源开关 通过显 示屏幕可以直观的看到所测物体的重量 电源开关各用一个键来控制 当超过额定值 90 时 黄灯亮 当超过额定值的 105 时 红灯亮 且喇叭响 提醒操作人员注意 3 4 系统软件设计 4 1 软件设计概述 单片机的程序设计有其自身的特点 首先 单片机的系统程序与应用程序密不可分 系统程序与应用程序必须在一起考虑 其次 在单片机系统中硬件与软件紧密结合 软件 直接操作硬件 硬件设计的优劣直接影响到软件设计的难易和质量 同时 很多时候元件 可以代替硬件的功能 当然 需要付出额外占 CPU 时间的代价 在程序设计时 往往存在着时间和空间的矛盾体 时间优化与空间优化不能同时存在 实际是在采用时间换取空间或者空间唤起时间来提高系统的性能 4 除了自身的特点外 单片机的程序设计同样具有一般软件设计的特点 首先 应具有 一个合理的算法