起重機(jī)超載限制器的設(shè)計(jì)

1、起重機(jī)超載限制器的設(shè)計(jì)一概述本篇文章簡要地講述了起重機(jī)限制器的基本構(gòu)成，并對其基本軟硬件進(jìn)行了簡單的介紹。起重機(jī)限制器主要用于對工礦企業(yè)和施工現(xiàn)場的起重機(jī)，行車進(jìn)行超載限制。當(dāng)它進(jìn)行工作時(shí)，若起重機(jī)承受重物在額定值的90%以內(nèi)，則該限制器能顯示重物的實(shí)際重量，若重物的重量超過額定值的90%但在105%以內(nèi)，該限制器顯示重物的實(shí)際重量的同時(shí)發(fā)出聲光預(yù)警信號(hào)，若重物的重量達(dá)到或超過額定值的105%，該限制器將發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)自動(dòng)切斷起重機(jī)電源。該限制器還能自動(dòng)記錄超載的次數(shù)，供有關(guān)部門檢查。二系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)上述的工作原理和技術(shù)要求，可知該系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集的對象

2、是一路壓力（拉力），故選用壓力（拉力）傳感器進(jìn)行物理量的測量，控制對象是斷電及報(bào)警裝置，故選用繼電器及聲響電路進(jìn)行斷電和報(bào)警。1硬件設(shè)計(jì)硬件電路如下圖所示，模擬信號(hào)放大部分選用運(yùn)算放大器OP07，A/D轉(zhuǎn)換器選用MC14433，系統(tǒng)主機(jī)選用8031單片機(jī)，擴(kuò)充一片程序存儲(chǔ)器2716，地址及數(shù)據(jù)鎖存器選用74LS373，4線-7線譯碼器選用4511，驅(qū)動(dòng)器選用MC1413，基準(zhǔn)電壓源選用MC1403，數(shù)碼顯示部分選用BS212共陰數(shù)碼管，音響部分選用一片KD9561。由電路圖可知，硬件系統(tǒng)上電工作后，由壓力（拉力）傳感器來的微弱電信號(hào)（約20uV）經(jīng)OP07送到MC14433進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，MC

3、14433送出的4位8421BCD碼及4位選通信號(hào)一起送到8031單片機(jī)的P1口，8031根據(jù)P1口來的信號(hào)進(jìn)行處理判別后送到4511和MC1413譯碼驅(qū)動(dòng)顯示。若采集到的物重達(dá)到或超過額定值的90%，則由P3.0送出低電平驅(qū)動(dòng)聲光預(yù)警電路。105%，超載計(jì)數(shù)單元加1，由P3.1送出低電平，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路，并由繼電器切斷起重機(jī)電源。硬件部分還設(shè)計(jì)了一個(gè)掉電保護(hù)電路，當(dāng)8031系統(tǒng)的電源出現(xiàn)意外情況突然下降或消失時(shí)，可由掉電保護(hù)電路保護(hù)8031內(nèi)存單元中的內(nèi)容。（1）運(yùn)算放大器OP07OP07是高精度，低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路,用于微弱信號(hào)的放大,如果使用雙電源.能達(dá)到最好的效果。下面介紹

4、一下它的引腳圖資料。性能：1) 低的輸入噪聲電壓幅度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz)2) 極低的輸入失調(diào)電壓10 V3) 極低的輸入失調(diào)電壓溫漂0.2 V/ 4) 具有長期的穩(wěn)定性0.2 V/M5) 低的輸入偏置電流± 1nA6) 高的共模抑制比126dB7) 寬的共模輸入電壓范圍±14V8) 寬的電源電壓范圍± 3V ± 22V（2）A/D轉(zhuǎn)換器MC14433雙積分型由于兩次積分時(shí)間比較長，所以轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對周期變化的干擾信號(hào)積分為零，抗干擾性能也較好。 常用的有3½位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433（精度相

5、當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù)）和4½位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135（精度相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)）。1. MC14433A/D轉(zhuǎn)換器簡介MC14433是3½位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點(diǎn)：精度高、抗干擾性能好等，缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢，約110次/秒。與國內(nèi)產(chǎn)品5G14433完全相同，可互換。被轉(zhuǎn)換電壓量程為199.9mV或1.999V。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)以BCD碼的形式分四次送出。1）MC14433的引腳功能說明各引腳的功能如下：1）電源及共地端VDD：主工作電源+5V。VEE：模擬部分的負(fù)電源端，接-5V。VAG：模擬地端。VSS： 數(shù)字地端。VR： 基準(zhǔn)電壓輸入端。2）外接電阻及電容端R1：

6、積分電阻輸入端，轉(zhuǎn)換電壓Vx=2V時(shí)，R1=470；Vx=200mV時(shí)，R1=27k。C1：積分電容輸入端，一般取0.1mF。R1/C1：R1與C1的公共端。CLKI、CLKO：外接振蕩器時(shí)鐘調(diào)節(jié)電阻RC，RC一般 取470左右。3）轉(zhuǎn)換啟動(dòng)/結(jié)束信號(hào)端EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，正脈沖有效。DU：啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換，若DU與EOC相連，每當(dāng)A/D轉(zhuǎn) 換結(jié)束后，自動(dòng)啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換。4）過量程信號(hào)輸出端 OR*：當(dāng)|Vx|VR，輸出低電平。5）位選通控制端DS4DS1：分別為個(gè)、十、百、千位輸出的選通脈沖，DS1對應(yīng)千位，DS4對應(yīng)個(gè)位。每個(gè)選通脈沖寬度為18個(gè)時(shí)鐘周期，兩個(gè)相應(yīng)脈沖之間間隔為2個(gè)時(shí)鐘周

7、期。如圖所示6）BCD碼輸出端Q0Q3：BCD碼數(shù)據(jù)輸出線。Q3為最高位，Q0為最低位。當(dāng)DS2、DS3和DS4選通期間，輸出三位完整的BCD碼數(shù)，但在DS1（千位）選通期間，輸出端Q0Q3除了表示個(gè)位0或1外，還表示被轉(zhuǎn)換電壓的正負(fù)極性（Q2=1為正）、欠量程還是過量程，具體含義如表所示。表11-2 DS1選通時(shí)Q3Q0表示的結(jié)果Q3 Q2 Q1 Q0表 示 結(jié) 果1 × × 00 × × 0× 1 × 0× 0 × 00 × × 11 × × 1 千位數(shù)為0千位數(shù)為1結(jié)果

8、為正結(jié)果為負(fù)輸入過量程輸入欠量程由表11-2可知：1）在Q0=“0”的條件下，Q3=0表示千位（1/2位） 為1， “Q3=1”表示千位為0。2）Q2表示極性， “1”為正極性， “0”為負(fù)極性。3）Q0=“1”表示過量程或欠量程,Q3=0 表示過量程，Q3=1表示欠量程。（3）譯碼器4511 4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)LED顯示器。其功能介紹如下：        &

9、#160;    BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。            LT：3腳是測試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。             LE：鎖定控制端，

10、當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。 LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。           D A、DB、DC、DD、為8421BCD碼輸入端。             a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。          CD451

11、1的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。8421 BCD 碼對應(yīng)的顯示見下圖          ：(4)地址及數(shù)據(jù)鎖存器74LS37374LS373是單片機(jī)種常用的芯片。它是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，起引腳圖與結(jié)構(gòu)原理圖如下：EG功能00直通Qi = Di01保持（Qi保持不變）1X輸出高阻<74LS373功能表><74LS373引腳圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖電路連接圖>       G輸入端，與8031A

12、LE連高電平：暢通無阻。低電平：關(guān)門鎖存。圖中OE使能端，接地。       當(dāng)G=“1”時(shí)，74LS373輸出端1Q8Q與輸入端1D8D相同；       當(dāng)G為下降沿時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。2.軟件設(shè)計(jì)在任務(wù)的總體設(shè)計(jì)思想和硬件確定之后，就可以開始設(shè)計(jì)程序，根據(jù)前面介紹的工作原理和技術(shù)指標(biāo)，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)完成的任務(wù)為：(1)初始化程序初始化程序主要用來確定堆棧，程序狀態(tài)字，對存儲(chǔ)單元清零，讓數(shù)碼管閃爍顯示全零10次。流程圖如下所示：初始化程序流程圖根據(jù)流程圖，編程如下：START

13、：MOV SP, #60H ;初始化 MOV PSW, #00H CLR A ;清21H,22H單元ANL 21H, AANL 22H, AMOV R0, #0AH ;全0閃爍十次LOOP： MOV A, #F0H ;全0顯示 MOVX R1, A ;送P0口顯示 LCALL DS1 ;調(diào)用延時(shí)子程序 MOV A, #00H ;顯示全暗 MOVX R1, A LCALL DS1 DJNZ R0, LOOP ;閃爍完十次否 . .（2）數(shù)據(jù)采集子程序 起重機(jī)在實(shí)際工作前，超載限制器應(yīng)先檢測出起重機(jī)掛鉤，承重繩等物體的重量，這里把它們稱為自重。當(dāng)起重機(jī)實(shí)際起吊重物時(shí)，檢測到的重量成為毛重，而物體的

14、實(shí)際重量等于毛重減去自重。程序中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元為31H(千位和百位)，32H（十位和個(gè)位）數(shù)據(jù)采集子程序流程圖如下：編程如下：IN1:MOV A, P1 ;輸入轉(zhuǎn)換結(jié)果 JNB ACC.4, IN1 ;是千位選通否IN2:JNB ACC.3, IN3 ;千位為1否CLR A ;千位為0MOV 31H, ASJMP IN4IN3:MOV 31H, #10H ;千位為1送入31H高四位IN4:MOV A, P1JNB ACC.5, IN4 ;是百位選通位否ANL A, #0FH ;提取百位值ORL A, 31H ;與千位值合并MOV 31H, A ;存入31H單元IN5: MOV A, P1JNB

15、ACC.6,IN6 ; 是十位選通位否SWAP A ;高低四位交換ANL A, #0F0H ; 提取十位值MOV 32H, AIN6:MOV A, P1 JNB ACC.7, IN6 ; 是個(gè)位選通位否 ANL A, #0FH ; 提取個(gè)位值 ORL A, 32H ; 與十位值合并MOV 32H, A ;存入32H單元RET ;子程序返回返回?cái)?shù)據(jù)采集子程序流程圖（3）自重值顯示子程序系統(tǒng)開機(jī)工作后，首先調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序，獲得自重值，然后分別將他們送到 27H和28H單元。自重顯示程序是從27H和28H單元中提取千，百，十，個(gè)位值，再配上選通位后從數(shù)據(jù)總線輸出。下面是程序流程圖和對應(yīng)的程序：根

16、據(jù)流程圖編程如下：MOV 27H, 31H ;千，百位送27HMOV 28H, 32H ;十，個(gè)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單元MOV A, 28HANL A, #0F0H ;提取十位值SWAP AMOV 13H, A ;存入13HMOV A, 28HANL A, #0FH ;提取個(gè)位值MOV 14H, A ;存14H單元MOV R0, #0FFH ;設(shè)顯示次數(shù)LOOP1：MOV A, 11H ORL A, #10H ;

17、組合千位值和選通位 MOVX R1, A ;輸出到顯示器 LCALL DS2 ;延時(shí)MOV A, 12H ORL A, #20H ; 組合百位值和選通位 MOVX R1, A ;輸出到顯示器 LCALL DS2 ;延時(shí)MOV A, 13H ORL A, #40H ; 組合個(gè)位值和選通位 MOVX R1, A ;輸出到顯示器 LCALL DS2 ;延時(shí)MOV A, 14H ORL A, #80H ; 組合十位值和選通位 MOVX R1, A ;輸出到顯示器 LCALL DS2 ;延時(shí) DJNZ R0, LOOP ;顯示次數(shù)到否自重值顯示子程序流程圖（4）采集毛重程序 由于起重機(jī)或吊車在吊起重物時(shí)

18、存在著一定的加速度，這就會(huì)影響到傳感器測得的信號(hào)的準(zhǔn)確性。因此在這里當(dāng)程序執(zhí)行完自重測量和顯示后，延時(shí)約0.5S后再進(jìn)行毛重測量。同時(shí)采用兩次采樣，采樣間隔約0.5S。如果相隔0.5S的兩次采樣值相等，則表明測量值準(zhǔn)確；否則，放棄第一次采樣值，并再進(jìn)行一次采樣并比較，直到兩次采樣的值相等為止。下面是流程圖和程序：采集毛重程序流程圖OUT1：LCALL DS3 ;延時(shí)0.5SOUT2：LCALL IN1 ;調(diào)用采集子程序 MOV 23H, 31H MOV 24H, 32H ;將毛重值(1)送23H,24H單元LCALL DS3 ;延時(shí)0.5SAAA： LCALL IN1 ;調(diào)用采集子程序 MOV

19、 25H, 31H MOV 26H, 32H ;將毛重值(2)送25H,26H單元 MOV A, 25H ;將毛重值(2)的千百位送A CJNE A, 23H,BBB ;毛重(2)和毛重(1)比較 AJMP CCC ;相等則轉(zhuǎn)入下面程序BBB：MOV 23H, 25H ;不相等，毛重(2)值送23H,24H單元 MOV 24H, 26H SJMP AAA ;重新采樣CCC：.（5）判斷是否預(yù)警或報(bào)警程序在執(zhí)行該程序之前，在中斷服務(wù)程序中已將毛重值減去自重值，并將物體實(shí)際重量的千位和百位存于21H單元，十位和個(gè)位存于22H單元。該程序首先判斷物體重量是否達(dá)到或超過額定值的90%，如果達(dá)到或超過這

20、一限定值，預(yù)警黃燈亮，并使音響電路發(fā)出鳴叫。其次判斷物體重量是否達(dá)到或超過額定值105%，如果超過這一限值，報(bào)警紅燈亮，并使音響電路發(fā)出報(bào)警聲，數(shù)碼管顯示當(dāng)前的重量不再變化，超載計(jì)數(shù)單元加1。下圖為程序流程圖：判斷是否預(yù)警或報(bào)警程序流程圖根據(jù)流程圖編程如下：CLR C ;清進(jìn)位標(biāo)志MOV A, 21H CJNE A, 90%H, SUB1 ;是否超過90%,高2位比較MOV A, 22H ;CJNE A, 90%L, SUB1 ;低2位比較SUB0：CLR P3.0 ;預(yù)警 SJMP SUB2 SUB1：JINC SUB0 ;超過額定值90%否 SJMP ADD1SUB2：CLR C MOV

21、A, 21H ;是否超過105% CJNE A, 105%H,SUB6 ;高2位比較 MOV A, 22H CJNE A, 105%L,SUB6 ;低2位比較SUB3：MOV A, 20H ; 超載，計(jì)數(shù)單元加1 INC A MOV 20H, ASUB4 ：CLR P3.1 ; 報(bào)警，斷電 LCALL ADD2 ；調(diào)用顯示子程序3 SJMP SUB4 ;循環(huán)顯示SUB5：JNC SUB3 SJMP ADD1 ;未超載，向下執(zhí)行顯示程序（6）顯示子程序 顯示子程序類似于自重顯示程序部分，流程圖略。程序如下：ADD2：MOV A, 21H ;顯示子程序 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 ;取個(gè)位 ANL A, #0FH MOV 18H A MOV A, 15H ;顯示千位 ORL A, #10H MOVX R1, A LCALL DS2 MOV A, 16H ;顯示百位 ORL A, #20H MOVX R1, A LCALL DS2 MOV A, 17H ;顯示十位 ORL A, #40H MOVX R1, A LCALL DS2 MOV A,

23、 18H ;顯示個(gè)位 ORL A, #80H MOVX R1, A LCALL DS2 RET ;返回主程序（7）超載計(jì)數(shù)單元值顯示程序STEP主程序中通過訪問P3.4口是否為“0”進(jìn)入STEP中，該程序首先將十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，在進(jìn)行組合顯示。采用循環(huán)顯示一段時(shí)間后返回主程序。程序流程圖如下：根據(jù)流程圖編程如下：STEP：MOV A, 20H ;取超載計(jì)數(shù)單元內(nèi)容 MOV B, 64H ;設(shè)除數(shù)為100 DIV AB除以100取商得百位數(shù)除以100取商得百位數(shù)除以10取商得十位數(shù)取余得個(gè)位數(shù)組合百，十，個(gè)位數(shù)顯示 超載計(jì)數(shù)單元值顯示程序STEP流程圖MOV 19H, A ;取商為百位數(shù)M

24、OV A, B ;取余數(shù)繼續(xù)除MOV B, #0AH; 設(shè)除數(shù)為10 DIV AB MOV 1AH, A ;取商為十位數(shù)MOV 1BH, B ;取余數(shù)為個(gè)位數(shù)MOV R7, #0FFH ;置循環(huán)次數(shù)SS：MOV A, 19H ORL A, #20H ;組合百位顯示碼MOVX R1, A ;輸出到顯示器LCALL DS2 ;延時(shí) MOV A, 1AH ORL A, #40H ;組合十位顯示碼MOVX R1, A ;輸出到顯示器LCALL DS2 ;延時(shí)MOV A, 1BH ORL A, #80H ;組合個(gè)位顯示碼MOVX R1, A ;輸出到顯示器LCALL DS2 ;延時(shí)DJNZ R7, SS

25、 ;循環(huán)顯示次數(shù)到否AJMP HH ;跳轉(zhuǎn)執(zhí)行（）中斷服務(wù)子程序INT0本中斷服務(wù)子程序用來實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。由INT0發(fā)出中斷請求，中斷服務(wù)程序接著用P3.7向定時(shí)器555的下觸發(fā)端送出一個(gè)低電平，并置PCON（電源控制寄存器）的PD位(掉電方式位)為“”。注：PD=1時(shí)激活掉電工作方式。程序和程序流程圖如下：INT0：PUSH ACC ;保護(hù)現(xiàn)場PUSH PSWMOV 87H, #02H ; 置PCON的PD=1 CLR P3.7 ;置P3.7輸出0 POP PSW ;恢復(fù)現(xiàn)場POP ACC RETI ;中斷返回入口保護(hù)現(xiàn)場置PCON的PD=1 置P3.7輸出0返回中斷服務(wù)子程序INT0流程圖（9）中斷服務(wù)程序INT1中斷服務(wù)程序INT1通過用十六進(jìn)制減法及十進(jìn)制調(diào)整程序?qū)崿F(xiàn)十進(jìn)制數(shù)相減，來獲得物體的實(shí)際重量。由于傳感器，放大器及A/D轉(zhuǎn)換器存在一定的誤差，當(dāng)程序中出現(xiàn)自重減自重得負(fù)值時(shí)，采取讓顯示器顯示全0的辦法來處理。中斷服務(wù)程序INT1的流程圖和程序如下：程序如下： INT1：PUSH ACC ;保護(hù)現(xiàn)場PUSH PSW MOV PSW, #08H ;重置工作寄存器區(qū)JB P3.5, rel ;對P3.5判斷是否對超載計(jì)數(shù)器清0MOV 20H, #00H ;超載計(jì)數(shù)器清0rel： MOV