起重机超载限制器的设计

1、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

2、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，MC

3、14433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OP07OP07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

4、一下它的引脚图资料。性能：1) 低的输入噪声电压幅度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz)2) 极低的输入失调电压10 V3) 极低的输入失调电压温漂0.2 V/ 4) 具有长期的稳定性0.2 V/M5) 低的输入偏置电流± 1nA6) 高的共模抑制比126dB7) 宽的共模输入电压范围±14V8) 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

5、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110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：

6、积分电阻输入端，转换电压Vx=2V时，R1=470；Vx=200mV时，R1=27k。C1：积分电容输入端，一般取0.1mF。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470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DS4DS1：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

7、期。如图所示6）BCD码输出端Q0Q3：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Q0Q3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11-2 DS1选通时Q3Q0表示的结果Q3 Q2 Q1 Q0表 示 结 果1 × × 00 × × 0× 1 × 0× 0 × 00 × × 11 × × 1 千位数为0千位数为1结果

8、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：        &

9、#160;    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，

10、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。           D A、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。          CD451

11、1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。8421 BCD 码对应的显示见下图          ：(4)地址及数据锁存器74LS37374LS373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：EG功能00直通Qi = Di01保持（Qi保持不变）1X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8031A

12、LE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1Q8Q与输入端1D8D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

13、：MOV SP, #60H ;初始化 MOV PSW, #00H CLR A ;清21H,22H单元ANL 21H, AANL 22H, AMOV R0, #0AH ;全0闪烁十次LOOP： MOV A, #F0H ;全0显示 MOVX R1, A ;送P0口显示 LCALL DS1 ;调用延时子程序 MOV A, #00H ;显示全暗 MOVX R1, A LCALL DS1 DJNZ R0, 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

14、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:MOV A, P1 ;输入转换结果 JNB ACC.4, IN1 ;是千位选通否IN2:JNB ACC.3, IN3 ;千位为1否CLR A ;千位为0MOV 31H, ASJMP IN4IN3:MOV 31H, #10H ;千位为1送入31H高四位IN4:MOV A, P1JNB ACC.5, IN4 ;是百位选通位否ANL A, #0FH ;提取百位值ORL A, 31H ;与千位值合并MOV 31H, A ;存入31H单元IN5: MOV A, P1JNB

15、ACC.6,IN6 ; 是十位选通位否SWAP A ;高低四位交换ANL A, #0F0H ; 提取十位值MOV 32H, AIN6:MOV A, P1 JNB ACC.7, IN6 ; 是个位选通位否 ANL A, #0FH ; 提取个位值 ORL A, 32H ; 与十位值合并MOV 32H, A ;存入32H单元RET ;子程序返回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

16、据流程图编程如下：MOV 27H, 31H ;千，百位送27HMOV 28H, 32H ;十，个位送28HMOV A, 27HANL A, #0F0H ;提取千位值SWAP AMOV 11H, A ;存入11HMOV A, 27HANL A, #0FH ;提取百位值MOV 12H, A ;存12H单元MOV A, 28HANL A, #0F0H ;提取十位值SWAP AMOV 13H, A ;存入13HMOV A, 28HANL A, #0FH ;提取个位值MOV 14H, A ;存14H单元MOV R0, #0FFH ;设显示次数LOOP1：MOV A, 11H ORL A, #10H ;

17、组合千位值和选通位 MOVX R1, A ;输出到显示器 LCALL DS2 ;延时MOV A, 12H ORL A, #20H ; 组合百位值和选通位 MOVX R1, A ;输出到显示器 LCALL DS2 ;延时MOV A, 13H ORL A, #40H ; 组合个位值和选通位 MOVX R1, A ;输出到显示器 LCALL DS2 ;延时MOV A, 14H ORL A, #80H ; 组合十位值和选通位 MOVX R1, A ;输出到显示器 LCALL DS2 ;延时 DJNZ R0, 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

18、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：LCALL DS3 ;延时0.5SOUT2：LCALL IN1 ;调用采集子程序 MOV 23H, 31H MOV 24H, 32H ;将毛重值(1)送23H,24H单元LCALL DS3 ;延时0.5SAAA： LCALL IN1 ;调用采集子程序 MOV

19、 25H, 31H MOV 26H, 32H ;将毛重值(2)送25H,26H单元 MOV A, 25H ;将毛重值(2)的千百位送A CJNE A, 23H,BBB ;毛重(2)和毛重(1)比较 AJMP CCC ;相等则转入下面程序BBB：MOV 23H, 25H ;不相等，毛重(2)值送23H,24H单元 MOV 24H, 26H SJMP AAA ;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

20、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：CLR C ;清进位标志MOV A, 21H CJNE A, 90%H, SUB1 ;是否超过90%,高2位比较MOV A, 22H ;CJNE A, 90%L, SUB1 ;低2位比较SUB0：CLR P3.0 ;预警 SJMP SUB2 SUB1：JINC SUB0 ;超过额定值90%否 SJMP ADD1SUB2：CLR C MOV

21、A, 21H ;是否超过105% CJNE A, 105%H,SUB6 ;高2位比较 MOV A, 22H CJNE A, 105%L,SUB6 ;低2位比较SUB3：MOV A, 20H ; 超载，计数单元加1 INC A MOV 20H, ASUB4 ：CLR P3.1 ; 报警，断电 LCALL ADD2 ；调用显示子程序3 SJMP SUB4 ;循环显示SUB5：JNC SUB3 SJMP ADD1 ;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：MOV A, 21H ;显示子程序 ANL A, #0F0H ; 取千

22、位 SWAP A MOV 15H, A MOV A, 21H ;取百位 ANL A, #0FH MOV 16H A MOV A, 22H ; 取十位 ANL A, #0F0H SWAP A MOV 17H, A MOV A, 22H ;取个位 ANL A, #0FH MOV 18H A MOV A, 15H ;显示千位 ORL A, #10H MOVX R1, A LCALL DS2 MOV A, 16H ;显示百位 ORL A, #20H MOVX R1, A LCALL DS2 MOV A, 17H ;显示十位 ORL A, #40H MOVX R1, A LCALL DS2 MOV A,

23、 18H ;显示个位 ORL A, #80H MOVX R1, A LCALL DS2 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：MOV A, 20H ;取超载计数单元内容 MOV B, 64H ;设除数为100 DIV AB除以100取商得百位数除以100取商得百位数除以10取商得十位数取余得个位数组合百，十，个位数显示 超载计数单元值显示程序STEP流程图MOV 19H, A ;取商为百位数M

24、OV A, B ;取余数继续除MOV B, #0AH; 设除数为10 DIV AB MOV 1AH, A ;取商为十位数MOV 1BH, B ;取余数为个位数MOV R7, #0FFH ;置循环次数SS：MOV A, 19H ORL A, #20H ;组合百位显示码MOVX R1, A ;输出到显示器LCALL DS2 ;延时 MOV A, 1AH ORL A, #40H ;组合十位显示码MOVX R1, A ;输出到显示器LCALL DS2 ;延时MOV A, 1BH ORL A, #80H ;组合个位显示码MOVX R1, A ;输出到显示器LCALL DS2 ;延时DJNZ R7, SS

25、 ;循环显示次数到否AJMP HH ;跳转执行（）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“”。注：PD=1时激活掉电工作方式。程序和程序流程图如下：INT0：PUSH ACC ;保护现场PUSH PSWMOV 87H, #02H ; 置PCON的PD=1 CLR P3.7 ;置P3.7输出0 POP PSW ;恢复现场POP ACC RETI ;中断返回入口保护现场置PCON的PD=1 置P3.7输出0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：PUSH ACC ;保护现场PUSH PSW MOV PSW, #08H ;重置工作寄存器区JB P3.5, rel ;对P3.5判断是否对超载计数器清0MOV 20H, #00H ;超载计数器清0rel： MOV