基于單片機(jī)制作的起重量限制器課程設(shè)計報告

1、.黑龍江科技學(xué)院課程設(shè)計報告項 目 名 稱：基于單片機(jī)制作的起重量限制器 所 屬 課 程： 智能儀器設(shè)計 設(shè) 計 日 期： 班 級 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)教師 成 績 電氣與信息工程學(xué)院課程設(shè)計報告說明一、寫報告前，請認(rèn)真閱讀課程設(shè)計報告說明。二、打印裝訂要求1、一律用A4紙，雙面打印，并左側(cè)裝訂，一式1份，并同時上交電子版（電子版上傳郵箱123244441）。課程設(shè)計報告說明頁也打印。2、課程設(shè)計概述部分占一頁；課程設(shè)計內(nèi)容長度根據(jù)實際需要填寫；結(jié)論和指導(dǎo)教師評語及成績單獨占一頁。保證打印格式工整。三、報告內(nèi)容要求1、課程設(shè)計目的結(jié)合實際自己寫，不要雷同2、課程設(shè)計要求按下發(fā)的設(shè)計題目寫3、課

2、程設(shè)計原理簡要說明所完成課程設(shè)計項目所涉及的理論知識4、課程設(shè)計內(nèi)容 這是課程設(shè)計報告極其重要的內(nèi)容。概括整個課程設(shè)計過程。（最好在上述內(nèi)容基礎(chǔ)上畫出相應(yīng)的流程圖、設(shè)計思路和設(shè)計方法，再配以相應(yīng)的文字進(jìn)行說明。）一、課程設(shè)計概述1、課程設(shè)計目的用所學(xué)知識結(jié)合實際基于單片機(jī)制作起重量限制器，核心處理器是C8051F340單片機(jī)，傳感器采用拉力傳感器。系統(tǒng)只需要外界220V電源，實現(xiàn)了最大量程20T和運行、密碼、檢測、零點、標(biāo)定、額重、超載的設(shè)定、報警及控制等功能。2、課程設(shè)計要求1) 按鍵：功能之間的切換、數(shù)碼管間切換、調(diào)節(jié)增加、調(diào)節(jié)減小。2) 數(shù)碼管：4位數(shù)碼管所有數(shù)據(jù)都保留小數(shù)點后一位。 3

3、) 量程：安全量程是最大量程的90%，預(yù)警量程是最大量程的100%，超載量程是最大量程的105%；最大量程20T。 4) 功能：運行、密碼、檢測、零點、標(biāo)定、額重、超載。5) 界面：（1）運行界面：正常運行。（2）輸入密碼。（3）進(jìn)行AD采樣。（4）顯示所測重量。（5）判斷是否有預(yù)警 /超重6) 燈：運行、預(yù)警、繼電器的控制。7) 喇叭：報警頻率不一樣。3、課程設(shè)計原理（1）單片機(jī)的管腳與對應(yīng)外部電路的連接，利用單片機(jī)處理輸入輸出數(shù)據(jù)。（2）拉力傳感器的使用，通過處理電路將信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的信號。（3）數(shù)碼管位選驅(qū)動使用的是4個PNP型8550三極管進(jìn)行控制；驅(qū)動數(shù)碼段選的是ULN28

4、03芯片（4）調(diào)解部分是通過按鍵進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)。（5）顯示部分使用的是0.4寸四位共陰數(shù)碼管型號為SR420501。（6）程序的設(shè)計，理清控制先后順序和邏輯，利用C51語言進(jìn)行設(shè)計，繪制流程圖。（7）電源的轉(zhuǎn)換，首先是利用變壓器將220V的交流電變壓成6V的交流電，然后通過橋式整流送到LM7805進(jìn)行變壓成5V。因為CPU供電是3.3V，所以在此必須做一個5V變成3.3V的電源。（8）功率驅(qū)動環(huán)節(jié)采用繼電器驅(qū)動。二、課程設(shè)計內(nèi)容一、硬件設(shè)計1，原理設(shè)計1.1系統(tǒng)基本原理圖1-1 起重量限制器系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)組成如圖1-1所示，整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。儀表通電后，在稱重過程中由貨物重量經(jīng)荷

5、重傳感器的信號轉(zhuǎn)換，輸出相應(yīng)的毫伏電壓，這個微弱信號通過運算放大器放大和標(biāo)度變換轉(zhuǎn)送A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器采用了V/F型積分轉(zhuǎn)換器，它將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的以脈沖序列方式的頻率輸出。單片機(jī)C8051F340嚴(yán)格控制每一次采樣時間，保持每一次計數(shù)的閘門時間間隔的一致性。單片機(jī)通過應(yīng)用程序,把當(dāng)次的采樣頻率f進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換形成顯示器可使用的串行代碼數(shù)據(jù)。在測量荷重期間，系統(tǒng)可隨時接受人機(jī)對話請求。人機(jī)對話僅通過鍵盤接受校正值。 校正有兩個內(nèi)容，其一，“零點校正”，按“設(shè)置”鍵，將空負(fù)荷下的采樣值記錄下來存入EEPROM型號為24LC02B；其二，“斜率校正”，將標(biāo)準(zhǔn)重量（砝碼）作為

6、秤重對象放入托盤，按“校正”鍵，單片機(jī)將采樣值記錄下來并通過計算將新的斜率存入EEPROM型號為24LC02B。1.2拉力傳感器的基本原理拉力傳感器又叫電阻應(yīng)變片，其工作原理：金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：R=L/S式中： 金屬導(dǎo)體的電阻率（·cm2/m）      S導(dǎo)體的截面積（cm2）      L導(dǎo)體的長度（m）  以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時

7、，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變壓力。2，具體模塊設(shè)計2.1CPUCPU選擇使用Silicon Laboratories公司的C8051F340單片機(jī)，Silabs 公司的C8051F340 作為核心控制器,在搭配該公司的CP2200 以太網(wǎng)控制芯片可完成工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)。結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。C8051F340 單片機(jī)主要特性 ： (1)MC

8、U 為美國Silabs 公司C8051F340,64KB FLASH、(4096+256)B RAM、最高48MIPS 執(zhí)行速度; (2)2 路10 位AD 輸入,AIN1 到AIN2 輸入信號量程0到+24.4V;圖2-1 CPU2.2拉力傳感器圖2-2 傳感器內(nèi)部電路拉力傳感器又叫電阻應(yīng)變式傳感器，隸屬于稱重傳感器系列，是一種將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置，它使用兩個拉力傳遞部分傳力，在其結(jié)構(gòu)中含有力敏器件和兩個拉力傳遞部分，在力敏器件中含有壓電片、壓電片墊片，后者含有基板部分和邊緣傳力部分。彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件

9、）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。拉力傳感器的優(yōu)點是精度高，測量范圍廣,壽命長,結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。它的缺點是對于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號較弱，但可采取一定的補償措施。因此它廣泛應(yīng)用于自動測試和控制技術(shù)中。根據(jù)產(chǎn)品的外形還有安裝、原理的因素，我選擇CLF-L5拉力傳感器。用途與特點：典型板環(huán)式結(jié)構(gòu)，精度高、動態(tài)效應(yīng)好，安裝方便,抗偏載能力強(qiáng)。經(jīng)過良好的防潮密封處理,適應(yīng)各種起重吊裝的惡劣工作環(huán)境。&

10、#160; 參數(shù)指標(biāo)額定載荷：250t ; 綜合精度：0.050.1 ; 靈敏度：2.0 mV/V；蠕變：±0.05±0.1F·S/30min ; 零點輸出：±1F·S； 零點溫度影響：±0.05±0.1F·S/10； 輸出溫度影響：±0.05±0.1F·S/10；工作溫度：-20-65；輸入阻抗：370±5；輸出阻抗：350±3；絕緣電阻5000M；安全過載：150F·S；供橋電壓：建議10VDC；材質(zhì)：合金鋼。2.3顯示部分顯示部分使用的是0.4寸四位

11、共陰數(shù)碼管型號為SR420501。數(shù)碼管選用四位共陰數(shù)碼管，位選由三極管控制，段選使用ULN2803達(dá)林頓管控制，這樣可以增加數(shù)碼管的亮度。對于ULN2803的使用很簡單，就是一個反相器，所以在使用的時候只要理解好反相器的使用。電阻是限流的作用。顯示部分電路如圖2-3所示：圖2-3 顯示部分2.4驅(qū)動部分2.4.1數(shù)碼管顯示段選驅(qū)動驅(qū)動數(shù)碼段選的是ULN2803芯片，結(jié)構(gòu)如圖2-4-1所示。高電壓大電流達(dá)林頓晶體管ULN2803，采用AP=DIP18,AFW=SOL18封裝方式。八路NPN達(dá)林頓連接晶體管陣系列特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路和較高的電流/電壓要求之間的接口，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)，工業(yè)

12、用和消費類產(chǎn)品中的燈、繼電器、打印錘或其它類似負(fù)載中。所有器件具有集電極開路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容，而ULN2804 最適于6至15伏高電平CMOS或PMOS。電路連接如圖2-3右下角所示。參數(shù)指標(biāo)封裝類型:AP=DIP16,AFW=SOL16； 輸出擊穿電壓: 50(V)； 輸出電流: 500(mA)； 輸入電阻 :2.7k()； 推薦輸入電壓:5(V)； 溫度范圍:-40+85。圖2-4-1 ULN28032.4.1數(shù)碼管顯示位選驅(qū)動位選使用的是4個PNP型8550三極管進(jìn)行控制，它是一種低電壓,大電流,小信號的PNP型硅三極管。電路連

13、接如圖2-3左上角所示。參數(shù)指標(biāo)類型:開關(guān)型；極性:PNP； 材料:硅；最大集電極電流(A):0.5 A；直流電增益:10 to 60；功耗:625 mW； 最大集電極發(fā)射電壓（VCEO）:25；頻率:150MHz。2.5按鍵調(diào)節(jié)部分按鍵調(diào)節(jié)部分是通過3個按鍵進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)，選用的是四角按鍵因為四腳比較穩(wěn)定。通過按鍵按下給單片機(jī)一個低電平，只要單片機(jī)接收到了一個低電平的信號單片機(jī)就會做出相應(yīng)的動作。 機(jī)械式按鍵再按下或釋放時，由于機(jī)械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時間的觸點機(jī)械抖動，然后其觸點才穩(wěn)定下來。其抖動過程如圖2-5-1所示，抖動時間的長短與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為510 ms。圖2

14、-5-1 鍵操作和鍵抖動在觸點抖動期間檢測按鍵的通與斷狀態(tài)，可能導(dǎo)致判斷出錯，即按鍵一次按下或釋放被錯誤地認(rèn)為是多次操作，這種情況是不允許出現(xiàn)的。為了克服按鍵觸點機(jī)械抖動所致的檢測誤判，必須采取去抖動措施。這一點可從硬件、軟件兩方面予以考慮。在鍵數(shù)較少時，可采用硬件去抖，而當(dāng)鍵數(shù)較多時，采用軟件去抖。1.硬件消抖：圖2-5-2硬件消抖電路在硬件上可采用在鍵輸出端加R-S觸發(fā)器(雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器)或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成去抖動電路。圖2-5-2是一種由R-S觸發(fā)器構(gòu)成的去抖動電路，當(dāng)觸發(fā)器一旦翻轉(zhuǎn)，觸點抖動不會對其產(chǎn)生任何影響。軟件上采取的措施是：在檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10 ms左右（具體時間應(yīng)視

15、所使用的按鍵進(jìn)行調(diào)整）的延時程序后，再確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，若仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)該鍵處于閉合狀態(tài)。同理，在檢測到該鍵釋放后，也應(yīng)采用相同的步驟進(jìn)行確認(rèn)，從而可消除抖動的影響。2.編制鍵盤程序：鍵盤控制程序具備以下功能：（1）檢測有無按鍵按下，并采取硬件或軟件措施，消除鍵盤按鍵機(jī)械觸點抖動的影響。（2）有可靠的邏輯處理辦法。每次只處理一個按鍵，其間對任何按鍵的操作對系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，且無論一次按鍵時間有多長，系統(tǒng)僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。（3）準(zhǔn)確輸出按鍵值（或鍵號），以滿足跳轉(zhuǎn)指令要求。2.6電源部分圖2-6電源模塊電源首先是利用變壓器將220V的交流電變壓成6V的交流電，然

16、后通過橋式整流送到LM7805進(jìn)行變壓成5V。因為CPU供電是3.3V，所以在此必須做一個5V變成3.3V的電源。2.6.1 UA7805穩(wěn)壓芯片圖2-6-1 UA7805穩(wěn)壓芯片使用電路UA7805是常見的三端穩(wěn)壓集成電路。三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。連接電路如圖2-6-1所示。2.6.2 AMS1117-3.3芯片AMS1117系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計用于提供1A輸出電流且工作壓差可低至1V。在最大輸出電流時，AMS1117器件的壓差保證最大不超過1.3V，并隨負(fù)載電流的減小而逐漸降低. AMS1117的片上微調(diào)把基準(zhǔn)電

17、壓調(diào)整到1.5%的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。AMS1117器件引腳上兼容其他三端SCSI穩(wěn)壓器，提供適用貼片安裝的SOT-223，8引腳SOIC，和TO-252(DPAK)塑料封裝。 參數(shù)指標(biāo) 輸出電流 (A) 1A；輸出電壓 (V) Adj,1.5, 1.8, 2.5；三端口可調(diào)節(jié)或固定輸出電壓(V)1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V ，5.0V；輸出電流 (A) 1A； 工作壓差低至1V；線荷載調(diào)節(jié)：0.2% Max；負(fù)載調(diào)節(jié)：0.4% Max；可選SOT-223,TO-252和SO-8封裝 。2.7繼電器單片

18、機(jī)是一個弱電器件,一般情況下它們大都工作在5V甚至更低.驅(qū)動電流在mA級以下.而要把它用于一些大功率場合,繼電器驅(qū)動就是一個典型的、簡單的功率驅(qū)動環(huán)節(jié).在這里,繼電器驅(qū)動含有兩個意思:一是對繼電器進(jìn)行驅(qū)動,因為繼電器本身對于單片機(jī)來說就是一個功率器件;還有就是繼電器去驅(qū)動其他負(fù)載,比如繼電器可以驅(qū)動中間繼電器,可以直接驅(qū)動接觸器,所以,繼電器驅(qū)動就是單片機(jī)與其他大功率負(fù)載接口，很重要?？刂齐娐啡鐖D2-7-1所示。繼電器工作原理: 線圈部分得電后，產(chǎn)生磁場。在磁場力的作用下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)著觸點，克服彈簧力動作。失電時，磁場力消失，在彈簧力作用下，觸點回到原來的位置。根據(jù)線圈在不得電時，觸點是否斷開

19、，分為常開（N0)和常閉（NC)兩種情況。圖2-7-1繼電器控制電路2.8聲光報警 聲光報警包括發(fā)光二級管閃亮和蜂鳴器發(fā)出聲響。電路如圖2-8-1所示。圖2-8-1聲光報警電路二、軟件設(shè)計單片機(jī)控制電路采用C8051F340，主要實現(xiàn)對起重量的檢測、報警、鍵盤設(shè)定最大重量、顯示重量及最大重量報警。顯著特點是用軟件簡便實現(xiàn)某些硬件功圖3-1-1主控程序流程圖能。本系統(tǒng)使用單片機(jī)51C語言編程。通過分析本系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)程序可以劃分為以下幾個模塊: 數(shù)據(jù)采集、鍵盤控制、報警和顯示等子函數(shù)。本系統(tǒng)的程序巧妙地利用通過轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，做出相應(yīng)的響應(yīng)。主控程序的流程圖如圖3-1-

20、1所示。三、系統(tǒng)測試分析1、測試方法（1）讓電路正常工作，把拉力傳感器放在適當(dāng)?shù)奈恢?，將已知起重量控制在最大量程?0%（安全量程）內(nèi)起重n次，看是否有聲光報警以及繼電器控制狀態(tài)，判斷是否正確，并對數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。（2）讓電路正常工作，把拉力傳感器放在適當(dāng)?shù)奈恢茫瑢⒁阎鹬亓靠刂圃谧畲罅砍痰?0%-100%（預(yù)警量程）起重n次，看是否有聲光報警以及繼電器控制狀態(tài)，判斷時候正確，并對數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。（3）讓電路正常工作，把拉力傳感器放在適當(dāng)?shù)奈恢?，將已知起重量控制在最大量程?00%-105%（超載量程）起重n次，看是否有聲光報警以及繼電器控制狀態(tài)，判斷時候正確，并對數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。（5）讓電路正常工作，把拉力傳感器放在適當(dāng)?shù)奈恢茫瑢⒁阎鹬亓靠刂圃谧畲罅砍痰?05%（超載量程）以上起重n次，看是否有聲光報警以及繼電器控制狀態(tài)，判斷時候正確，并對數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。（6）改變設(shè)定值，重復(fù)以上測試