毕业设计(论文)-基于单片机的起重机负载限制器的设计.doc
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1、 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III页基于单片机的起重机负载限制器的设计摘 要本设计简要的介绍了起重机负载限制器的基本构成,该系统由压力传感器,A/D转换器,解码器芯片,单片机等几部分组成,并且对起重机负载限制器的软件部分及硬件部分进行了设计。论文中对光电报警保护电路、显示电路、无线数据发送电路、无线数据接收电路及数据采集电路进行了设计。起重机负载限制器主要是用于对工矿企业和施工现场的起重机进行超载限制,用以对起重机起到保护作用,它根据所吊重物的额定的重量做限制设定,在本设计中,当吊起的重物达到限定值的90%或者超过了限定值时,系统的报警电路就会工作,给操作人员以一定的提醒,这样有效地保证
2、了起重机的安全运行。而且本负载限制器的设计避免了传统的有线数据传输所带来的不便利性,并且本系统功能多、操作简单、扩展性强。关键词:单片机;起重机;负载限制器;无线数据传输Design of crane load limiter based on MCUABSTRACTThis paper briefly introduced the crane load limit device basic composition, it mainly consists of pressure sensor, A/D converter, decoder chip, singlechip more parts
3、 of crane load limit, and the software is part and hardware is simply introduced. Paper photoelectricity alarming protective circuit, display circuit, wireless data sending circuit, wireless data receiving circuit and data acquisition circuit made some simple introduction .Crane load limit device is
4、 mainly used in mining enterprises and construction site of the crane for overload restrictions for crane to protect. It according to the weight of the hanging heavy do limit set rated, When lift weights reach the allowable value or more than 90 percent of limited value, system alarm circuit will wo
5、rk, to guarantee the power crane safe operation. And this load is design avoids the limits of traditional cable data transmission brings convenience, and this system not function is much, the operation is simple, extensible.Keywords: single chip;crane ;load limiter ;wireless data communication目 录1 绪
6、论11.1 起重机在工业生产中的重要性11.2 现状及国内外发展趋势11.3 起重机负载限制器的原理及意义22 系统的硬件设计42.1 系统设计原理42.2 数据采集电路的设计62.2.1 数据采集系统介绍62.2.2 数据采集电路的组成72.3发送与接收电路的设计152.3.1 发送与接收电路中所需芯片的介绍152.3.2 发送与接收电路图172.4显示与报警电路的设计182.5系统报警阈值的设置203 系统软件设计223.1 主程序流程图223.1.1 初始化程序233.1.2 发送与接收程序243.1.3 显示子程序263.1.4 中断服务子程序INT0273.1.5 延时子程序DS1,
7、 DS2 ,DS328总 结30致 谢31参考文献32 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 33 页 1 绪论1.1 起重机在工业生产中的重要性起重机属于起重机械的一种,是一种作循环、间歇运动的机械。一个工作循环包括:取物装置从取物地把物品提起,然后水平移动到指定地点降下物品,接着进行反向运动,使取物装置返回原位,以便进行下一次循环。随着生产规模的扩大,自动化程度的提高,起重机在现代化生产过程中的应用越来越广,作用也越来越大。所以起重机在工业生产中极其重要,它工作的正常与否严重影响工业生产的安全性,同时,起重机的使用为工业生产带来了效益。起重机是现代工业企业中实现生产过程机械化、自动化、减轻繁重体
8、力劳动、提高劳动生产率的重要工具和设备。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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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。数据采集数据发送数据接收显示报警保护单片机1#单片机2#(a) (b)图2.1 限制器设计框图 压力传感器无线发送无线接收单片机22显 示报警保护单片机1数据采集图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
16、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
17、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(embedded microcontroller)。国际上常把单片机称为微控制器(MCU,Micro Controller Unit),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。 单片机复位电路时钟电路串行通信设备A/D转换电源键盘输入显
18、示输出开关量I/OD/A转换图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MCS51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
19、片机的品种很多,但是在我国使用最多的还是Intel公司的MCS51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CMOS 8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
20、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
21、。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。 被测物理量 传感器 预处理 ADC 输入接口 MCU电平转换接口 PC键 盘显示器图2.4 数据采集系统一般框图被测量被测量被测量信号 调理信号 调理信号 调理开关电路S/HA/DMCU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
22、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1.5mV2.0V进行预放、滤波和放大得到05V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1.5 mV2.0V,激励电压12VDC,负载电阻为
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