基于無(wú)線傳輸?shù)钠鹬貦C(jī)稱重與過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)畢業(yè)論文_第1頁(yè)
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1、城建大學(xué)本科畢業(yè)論文基于無(wú)線傳輸?shù)钠鹬貦C(jī)稱重與過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)The crane load and overload protection systembased on wireless transmission學(xué)生:吳安新學(xué)生學(xué)號(hào):09700105專業(yè)名稱:電子與信息工程指導(dǎo)教師:刁寅午計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院2013 年 月 日45 / 51獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特別加以引用標(biāo)注之處外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果,沒(méi)有偽造數(shù)據(jù)的行為。畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)作者簽名:簽字日期:年月日畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用授權(quán)

2、書(shū)本畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用論文的規(guī)定。同意學(xué)校保留并向有關(guān)管理部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)城市建設(shè)學(xué)院可以將本論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本論文。(的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)作者簽名:指導(dǎo)教師簽名:簽字日期:年月日簽字日期:年月日摘要本設(shè)計(jì)主要介紹了起重機(jī)自動(dòng)稱重與過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)的基本構(gòu)成與功能實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)組成分為上下位機(jī),上位機(jī)組成電路包括LCD彩屏顯示,無(wú)線傳輸,電源電路;下位機(jī)組成電路包括拉力傳感器,三軸加速度傳感器,無(wú)線傳輸,電源電路,16

3、02液晶顯示。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)起重機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的拉力、三軸加速度、負(fù)載重量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示、超限報(bào)警和保護(hù)等功能。本系統(tǒng)由拉力傳感器測(cè)量拉力值并由三軸加速度傳感器修正加速度,上位機(jī)將拉力與加速度經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算,得出負(fù)載實(shí)際重量,最終實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的動(dòng)態(tài)稱重功能。同時(shí)還可以進(jìn)行重量的累計(jì),從累計(jì)重量中我們可知道起重機(jī)一段時(shí)間的總工作量。設(shè)計(jì)通過(guò)聲光報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超重報(bào)警,以保證操作安全。本設(shè)計(jì)采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸避免了傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸所帶來(lái)的不便利性,并且功能多、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng),可廣泛應(yīng)用于各種起重機(jī)控制場(chǎng)合。關(guān)鍵詞:盛群?jiǎn)纹瑱C(jī);傳感器;加速度修正;無(wú)線傳輸;ABSTRACTThis designint

4、roduces thebasic configuration and functions of the craneautomatic weighingandoverload protection system.The design ofthe systemis divided intohost and slave computer, and the slave machineperipheral circuits, includingforce sensor,three-axis acceleration sensor, wireless transmission module and1602

5、LCD. Host computerperipheral circuits, includingLCDcolor display,wireless transmission module. The system is mainly used to complete the functions such as the real-time monitoring and display of the tension, the three-dimensional acceleration and the load weight. Besides, it can give an alarm and pr

6、otect the instrument when the load exceeds the limitation.The system measures the tension values by the pulling sensor and triaxial accelerometer corrected acceleration. The host computer can draw the actual weight of the load by calculating the tension and acceleration and ultimately achieve the dy

7、namic weighing function. System achieve overweight alarm by a sound and light alarm system.It also can cumulate weight and we can know the total workload for some time. The system can bothautomatic weighingand effectivelyguaranteethe safe operation ofthe crane.This designavoids the unconvenience of

8、thetraditional wireddata transferand there are lots of features such as multi-function,easy operation,scalability,and so on.It can be widelyused in variouscranecontrolling applications.Key words:Holtek MCU; sensor;accelerometercorrection;wireless transmission目錄第 一 章 緒論11.1 起重機(jī)動(dòng)態(tài)稱重的意義11.2 本設(shè)計(jì)功能、特色1第

9、二 章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)32.1 方案選擇32.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇32.1.2 微處理器選擇32.1.3 上位機(jī)顯示器選擇42.1.4 下位機(jī)顯示器選擇42.1.5 無(wú)線收發(fā)芯片選擇42.1.6 加速度傳感器選擇52.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)52.2.1 整體設(shè)計(jì)52.2.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)62.2.3 下位機(jī)設(shè)計(jì)7第 三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)93.1 系統(tǒng)微處理器介紹93.2 拉力傳感器信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)103.3 三軸加速度傳感器電路設(shè)計(jì)113.3.1 ADXL345 三軸加速度傳感器介紹113.3.2 與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)123.4 無(wú)線收發(fā)電路設(shè)計(jì)123.4.1 CC1100無(wú)線收發(fā)芯片介紹123.4.2 具

10、體電路設(shè)計(jì)133.5 Uart 串口通信電路設(shè)計(jì)143.5.1 MAX232 芯片介紹143.5.2 具體電路設(shè)計(jì)153.6 LCD1602 液晶顯示電路設(shè)計(jì)153.7 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)163.8 電源電路設(shè)計(jì)173.8.1 輸出 5V 電源電路設(shè)計(jì)173.8.2 輸出 3.5V 電源電路設(shè)計(jì)183.8.3 輸出 -5V 電源電路設(shè)計(jì)193.9 復(fù)位電路設(shè)計(jì)19第 四 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)204.1 程序設(shè)計(jì)流程圖204.2 算法介紹224.2.1 加權(quán)平均濾波算法234.2.2 拋物線插值算法24第 五 章 未來(lái)開(kāi)發(fā)前景26結(jié) 論27致 29參考文獻(xiàn)30附 錄 131附 錄 234第 一 章 緒

11、論1.1起重機(jī)動(dòng)態(tài)稱重的意義起重機(jī)屬于起重機(jī)械的一種,是作來(lái)回循環(huán)與間歇運(yùn)動(dòng)的機(jī)械,在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中起重機(jī)擔(dān)任著重要的角色。如冶金、礦山、化工等工礦企業(yè)以與港口碼頭、交通運(yùn)輸、物資貯運(yùn)等部門(mén),廣泛使用各種起重機(jī)械進(jìn)行起重、運(yùn)輸、裝卸和安裝作業(yè)。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中,有很多場(chǎng)合需要在正常作業(yè)的同時(shí)測(cè)量出所需物料的質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱重的功能。動(dòng)態(tài)稱重是指被稱物體處于吊運(yùn)狀態(tài)時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的稱重。在日常生活中經(jīng)常遇到的是靜態(tài)稱重,然而在實(shí)際生產(chǎn)中,例如流水線生產(chǎn)、食品加工、醫(yī)藥生產(chǎn)、生產(chǎn)計(jì)量、交通運(yùn)輸?shù)却蠖嗌媾c的是動(dòng)態(tài)稱重。動(dòng)態(tài)稱重可以縮短作業(yè)時(shí)間、改善操作條件、提高生產(chǎn)效率和加強(qiáng)企業(yè)管理,從而推進(jìn)

12、了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和管理的現(xiàn)代化。在過(guò)去,大宗的煤、礦粉、糧食、化肥等散堆物料,在我國(guó)乃至世界許多國(guó)家的港口、鐵路與公路貨運(yùn)中仍廣泛采用“目測(cè)法”(即“吃水線法”)和“過(guò)磅法”大概估計(jì)所吊物料重量。這種裝卸方式不僅增加作業(yè)流程,嚴(yán)重影響運(yùn)輸與生產(chǎn)效率,同時(shí)耗費(fèi)大量能源,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。如今隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展,起重機(jī)的動(dòng)態(tài)稱重功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于港口、鐵路、礦山等領(lǐng)域,它使得裝載機(jī)在裝運(yùn)貨物時(shí)能按計(jì)劃裝卸,省時(shí)、省力,防止超載、超運(yùn),減輕設(shè)備磨損,降低運(yùn)輸成本,提高工作效率等。在工礦產(chǎn)業(yè)中,如煤炭、石油開(kāi)采等,需要起重機(jī)能夠自動(dòng)測(cè)量開(kāi)采礦物的重量;在車(chē)站庫(kù)或港碼頭,需要起重

13、機(jī)來(lái)完成大型貨物、集裝箱、船只在裝載過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)稱重的工作;在水泥生產(chǎn)或者鋼鐵冶煉中,起重機(jī)需要對(duì)水泥或鋼鐵實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱重;在農(nóng)和林場(chǎng)方面,稻草與木材同樣需要起重機(jī)動(dòng)態(tài)稱重。在化工原料或食品包裝中,需要起重機(jī)實(shí)現(xiàn)定量定重裝載??梢?jiàn)本設(shè)計(jì)的起重機(jī)動(dòng)態(tài)稱重控制器與我們的生產(chǎn)、生活息息相關(guān),具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 本設(shè)計(jì)功能、特色起重機(jī)械在生產(chǎn)工作過(guò)程中,起吊重物時(shí)要承受各種載荷,例如靜態(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷、交替變換載荷、瞬間沖擊載荷以與無(wú)規(guī)律振動(dòng)載荷等。各承載部件和結(jié)構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)對(duì)力和形變,如果應(yīng)對(duì)力和形變超過(guò)機(jī)械構(gòu)件的最大限度時(shí),就會(huì)使構(gòu)件喪失功能甚至導(dǎo)致構(gòu)件破壞,從而造成機(jī)械自身的損

14、壞危險(xiǎn),甚至可能對(duì)工作人員造成嚴(yán)重的人身傷害。本設(shè)計(jì)作品利用盛群?jiǎn)纹瑱C(jī)作為主控芯片,設(shè)計(jì)一套基于無(wú)線傳輸?shù)钠鹬貦C(jī)自動(dòng)稱重與過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)大致的工作過(guò)程是單片機(jī)通過(guò)對(duì)拉力、三維加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集,并將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給起重機(jī)操作室的上位機(jī)中。上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理,利用拉力減去加速度產(chǎn)生的力,得到精準(zhǔn)的負(fù)載重量。在上位機(jī)中,可顯示下位機(jī)采集的拉力值、XYZ三軸加速度值和上位機(jī)用算法計(jì)算出的瞬時(shí)重量、平均重量、累計(jì)重量、塔吊最大負(fù)荷等數(shù)據(jù),當(dāng)起吊物重量超過(guò)起重機(jī)的最大負(fù)荷時(shí),上位機(jī)的實(shí)時(shí)報(bào)警功能與時(shí)提醒操作人員應(yīng)預(yù)防突發(fā)的安全隱患。設(shè)計(jì)中使用了三軸加速度傳感器測(cè)量運(yùn)動(dòng)中負(fù)載的三維加速度值,提

15、高加速度測(cè)量的精確度。下位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)顯示各種傳感器測(cè)量得到的結(jié)果,并與時(shí)傳遞給駕駛員,讓其能夠了解所稱物體的所有信息。同時(shí)系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)過(guò)載報(bào)警,能與時(shí)提醒操作人員停止作業(yè)并察看問(wèn)題所在,保證駕駛員的人身安全以與塔吊設(shè)施的安全。該系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)在于上下位機(jī)間的聯(lián)系采用無(wú)線傳輸,這樣就能夠使系統(tǒng)滿足在大型塔吊與龍門(mén)吊中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臈l件,并且能減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗,提高傳輸能力,此外,本作品在傳感器的設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了節(jié)能低功耗,不需要電源供電,只由其本身自帶的鋰電池進(jìn)行供電的情況下,也能夠長(zhǎng)時(shí)間正常工作;另外,下位機(jī)還帶有開(kāi)機(jī)校驗(yàn),智能配置參數(shù),以保證測(cè)量物體的重量更加準(zhǔn)確!現(xiàn)在市場(chǎng)上的起

16、重機(jī)很少有能直接顯示所稱物體的質(zhì)量的,所以導(dǎo)致駕駛員不知道起吊物是否超過(guò)了起重機(jī)的承受能力,就盲目的操作,就會(huì)造成一些起重機(jī)事故,甚至危與駕駛員的人身安全,本作品就解決了這個(gè)問(wèn)題,所以本作品具有相當(dāng)高的使用價(jià)值與市場(chǎng)價(jià)值第 二 章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 方案選擇2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇方案一:選擇將系統(tǒng)所有的功能模塊集合在統(tǒng)一的系統(tǒng)板中,僅由一個(gè)微處理器處理。這樣做雖然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單了,但微處理器工作量太大,而且起重機(jī)在稱重時(shí)包括傳感器與顯示,而傳感器必須置于起重機(jī)掛鉤處,顯示則需放與操作室里,二者是分開(kāi)工作的,統(tǒng)一的系統(tǒng)板顯然不可行。因此本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不采用此方案設(shè)計(jì)。方案二:選擇將系統(tǒng)分為上下

17、位機(jī)兩部分,下位機(jī)安裝于起重機(jī)掛鉤處,上位機(jī)安裝于操作室。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)拉力傳感器測(cè)量以與三軸加速度修正,上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與顯示,系統(tǒng)工作靈活,每個(gè)微處理器工作量也小很多,且二者間互不干澀,還解決了統(tǒng)一系統(tǒng)中測(cè)量與顯示安裝位置的矛盾。故本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用上下位機(jī)設(shè)計(jì)。方案三:選擇無(wú)線傳輸聯(lián)系上下位機(jī)。由于起重機(jī)要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量,如果用有線數(shù)據(jù)傳輸,對(duì)起重機(jī)的運(yùn)作將帶來(lái)極大的不便,而無(wú)線傳輸恰恰解決了這個(gè)問(wèn)題,起重機(jī)可以自由操作,不受有線的束縛,也不影響數(shù)據(jù)傳輸,因此本設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。2.1.2 微處理器選擇方案一:選取盛群HT66fu50作為主控芯片,該芯片是一種低功耗

18、的Flash單片機(jī)。它具有高性能精簡(jiǎn)指令集,置IIC、SPI數(shù)據(jù)總線以與Uart串行全雙工通信接口,35個(gè)通用/口運(yùn)用靈活,貼片封裝,體積極小。此外,HT66fu50設(shè)計(jì)和配置了五種震蕩模式,有部RC振蕩器HIRC、部32kHz RC 振蕩器LIRC、外部晶體振蕩器HXT、外部32.768kHz 晶體振蕩器LXT、外部 RC 振蕩器ERC、并且還可以通過(guò)軟件設(shè)置空閑模式與掉電模式。HT66fu50在空閑模式下,CPU工作暫停,但是定時(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM、串行和外部中斷系統(tǒng)仍可繼續(xù)保持正常的作狀態(tài)。HT66fu50在掉電模式下,振蕩器將停止工作并且單片機(jī)將RAM中的數(shù)據(jù)保存,停止片其它所有功能直到

19、硬件復(fù)位為止。HT66fu50功能強(qiáng)大操作靈活非常適用于做應(yīng)用控制系統(tǒng)的微處理器,所以本設(shè)計(jì)采用該芯片作為上下位機(jī)的微處理器。2.1.3 上位機(jī)顯示器選擇方案一:選取 LCD1602 液晶顯示屏。1602雖然具有顯示字母效果,但沒(méi)有漢字字庫(kù)并且屏幕太小,容顯示非常有限,只能顯示兩行,不能顯示過(guò)多信息,不滿足上位機(jī)容顯示要求,故上位機(jī)顯示不能采用此方案設(shè)計(jì)。方案二:選取點(diǎn)陣型 LCD (128*64) 液晶顯示屏。雖然 12864 顯示器模塊自帶字庫(kù)和簡(jiǎn)單圖庫(kù),可顯示漢字以與簡(jiǎn)單圖形,但占用資源又較多,顯示色彩也單一。上位機(jī)顯示要求色彩多樣、清晰,因此不滿足顯示要求,故上位機(jī)顯示也不采用此方案設(shè)

20、計(jì)。方案三:選取迪文 DUGS 彩屏顯示器。該顯示器是大屏幕顯示,屏寬達(dá)到640*480,支持4 線 Uart串口連接,占用資源極少。色彩豐富可圖文并茂顯示,還可以動(dòng)態(tài)顯示曲線、柱形圖、進(jìn)度條等。支持人機(jī)操作界面,具有觸摸感應(yīng)操作,功能極為強(qiáng)大,操作也簡(jiǎn)單。因此上位機(jī)采用迪文 DUGS 彩屏顯示器實(shí)現(xiàn)顯示功能。 2.1.4 下位機(jī)顯示器選擇方案一:選取數(shù)碼管與74 LS 164 構(gòu)成顯示模塊。數(shù)碼管顯示結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便,調(diào)試便捷,并且串行顯示占用I / O少;但只能顯示數(shù)字,不能顯示字母和漢字,且顯示容較少,而下位機(jī)顯示容較多,有字母也有漢字,故下位機(jī)顯示設(shè)計(jì)不采用數(shù)碼管顯示。方案二:選取點(diǎn)

21、陣型 LCD (128*64) 液晶顯示屏。12846顯示器能同時(shí)顯示漢字、字母與數(shù)字。雖然功能強(qiáng)大,但占用資源較多,編程也相對(duì)復(fù)雜,成本較高,而下位機(jī)顯示較簡(jiǎn)單,不需要太復(fù)雜的顯示,因此此方案對(duì)于下位機(jī)顯示有些大材小用了,故下位機(jī)也不采用此方案作為顯示設(shè)計(jì)。 方案三:選取 LCD 1602 液晶顯示屏。1602液晶顯示器同樣具有顯示字母與數(shù)字功能,可滿足下位機(jī)簡(jiǎn)單顯示要求,又支持串行數(shù)據(jù)輸入,占用I / O資源少,并且功耗低,控制靈活,操作簡(jiǎn)易,成本低廉,故下位機(jī)顯示設(shè)計(jì)采用 LCD 1602 液晶屏。2.1.5 無(wú)線收發(fā)芯片選擇方案一:選取 nRF2401 無(wú)線芯片構(gòu)成無(wú)線模塊。該芯片工作

22、于2.4GHz2.5GHz的ISM頻段,它包括一個(gè)完全集成的晶體振蕩器,頻率合成器,功率放大器和調(diào)制解調(diào)器。但傳輸距離過(guò)于短,在開(kāi)闊地僅30 到50 米,無(wú)法滿足起重機(jī)上下位機(jī)間的距離要求,因此無(wú)線模塊設(shè)計(jì)不采用此方案。方案二:選取 CC1100 無(wú)線芯片構(gòu)成無(wú)線模塊。CC1100是一款專門(mén)為滿足無(wú)線收發(fā)應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)的特高頻無(wú)線收發(fā)器。該芯片超低功耗,封裝體積極小僅有小指甲蓋的三分之一,而且使用簡(jiǎn)單、操作靈活,便于使用者開(kāi)發(fā)使用。同時(shí)芯片可設(shè)置多種工作頻率波段,用戶可根據(jù)設(shè)計(jì)需要將頻段設(shè)置在315MHz、433MHz、868MHz以與915MHz。這些工作工作頻段可滿足工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)以與其

23、他短距離設(shè)備的頻段要求。還擁有四線 SPI 兼容接口,所需外圍器件少。傳輸距離也相對(duì)較遠(yuǎn),在開(kāi)闊地區(qū)的傳輸距離可達(dá)300至500米,能滿足本設(shè)計(jì)中上下位機(jī)通信距離要求。故上下位機(jī)采用 CC1100 芯片作為無(wú)線收發(fā)模塊的核心芯片。2.1.6 加速度傳感器選擇方案一:選取 ADXL203 加速度傳感器。該芯片可提供經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的電壓輸出,滿量程工作時(shí)加速度測(cè)量圍為±1.7 g??梢詼y(cè)量靜態(tài)加速度,例如重力加速度的測(cè)量,但該加速度計(jì)為單軸/雙軸加速度計(jì),測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度時(shí),只限直線方向的加速度。對(duì)于本設(shè)計(jì)中測(cè)量動(dòng)態(tài)三維加速度的精度要求不夠,因此加速度測(cè)量不采用此傳感器。方案二:選取ADXL

24、345 加速度傳感器。ADXL345是一款超低功耗的三軸加速度傳感器,即可以測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的立體三維加速度值。該傳感器貼片封裝,外形小巧,重量輕薄。不僅如此,該傳感器還具有SPI和I2C數(shù)據(jù)總線輸出功能,可方便實(shí)現(xiàn)與主控芯片之間的連接通信。該傳感器的測(cè)量量程可變并且分辨率高。ADXL345 不僅具有一般加速度傳感器的靜態(tài)加速度測(cè)量功能,如可在傾斜敏應(yīng)用中測(cè)靜態(tài)力加度,而且還具有一些特殊的動(dòng)偵測(cè)功能,能測(cè)量出某軸向的度值,并且與用戶自定義的度門(mén)限值相比較,判斷是否超門(mén)限值。這樣就可敏的偵測(cè)出物體是否處于跌落、上升或者水平移動(dòng)等不同的動(dòng)狀態(tài)。更要的是該傳器可在動(dòng)甚至振動(dòng)境中測(cè)動(dòng)加度值,因此該傳器非

25、常適應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備的動(dòng)加速度測(cè)。故下位機(jī)的加速度測(cè)量電路設(shè)計(jì)采用 ADXL 345傳感器作為測(cè)量設(shè)備。2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2.1 整體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的起重機(jī)自動(dòng)稱重與過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)由上下位機(jī)組成。下位機(jī)主要用于拉力傳感器與加速度傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、采集、處理與數(shù)據(jù)顯示并將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)無(wú)線接收下位機(jī)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)做必要的處理,然后經(jīng)彩屏顯示出來(lái),同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)起重機(jī)實(shí)時(shí)預(yù)警功能。該系統(tǒng)的工作原理是:首先由起重機(jī)掛鉤處的拉力傳感器檢測(cè)起重機(jī)吊起負(fù)載時(shí)的拉力信號(hào),通過(guò)硬件電路處理將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓值,再將電壓值經(jīng)過(guò)放大電路放大,達(dá)到 A / D 轉(zhuǎn)換器所需要的電壓值,然后由單片機(jī)控

26、制啟動(dòng) A / D 轉(zhuǎn)換器,將其抽樣、量化、編碼,所得到的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)中;同時(shí)三軸加速度傳感器測(cè)得負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)的三維加速度值,同樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)中;然后將這些數(shù)據(jù)送于1602顯示;最后控制啟動(dòng)無(wú)線發(fā)射編碼芯片,將采集的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送出去。上位機(jī)控制解碼器將信號(hào)接收,通過(guò)一定計(jì)算,得到負(fù)載瞬時(shí)重量,穩(wěn)定重量,多次測(cè)重后的累計(jì)重量以與重力等數(shù)值,并將這些數(shù)據(jù)彩屏顯示出來(lái),并將穩(wěn)定重量與起重機(jī)的帶負(fù)載額定值比較,實(shí)現(xiàn)超載報(bào)警保護(hù)。通過(guò)整體思路的設(shè)計(jì),本設(shè)計(jì)以HT66fu50單片機(jī)作為主控芯片,單片機(jī)通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理并且結(jié)合相應(yīng)的外圍擴(kuò)展電路就可實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的子功能模塊。簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)系統(tǒng)

27、框圖如圖2-1:圖2-1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖2.2.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)上位機(jī)系統(tǒng)主要有幾個(gè)功能模塊組成,包括電源轉(zhuǎn)換電路、無(wú)線發(fā)射與接收電路、彩屏串口控制電路、聲光報(bào)警電路、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器電路。上位機(jī)工作原理:上位機(jī)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊接收下位機(jī)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)信息,通過(guò)計(jì)算公式算出瞬時(shí)重量、穩(wěn)定重量、多次稱重的累計(jì)重量以與重力,并將這些數(shù)據(jù)由彩屏顯示出來(lái)。顯示屏與單片機(jī)通過(guò)Uart串行通信口連接。在運(yùn)行狀態(tài)下,穩(wěn)定重量與設(shè)置好的最大稱重重量相比較,如果未超重,則正常顯示;如果超出最大稱重質(zhì)量,則會(huì)在顯示屏上顯示鮮明的紅色報(bào)警界面,并發(fā)出報(bào)警聲以與伴隨LED閃光,提醒駕駛員起重機(jī)超重,有安全隱患,需立即處理以

28、保證起重機(jī)與操作人員的安全。在實(shí)際的產(chǎn)應(yīng)用中,起機(jī)在起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)一定的量沖信號(hào),該信號(hào)可能會(huì)成起重機(jī)發(fā)生謊報(bào)警現(xiàn)象,因此在軟件設(shè)計(jì)中需要設(shè)置超重滯報(bào)警程序即設(shè)置上下閾值,而非單一的門(mén)限報(bào)警值。設(shè)置報(bào)警閾值電壓為設(shè)置最大電壓值加減0.5Kg。當(dāng)平均重量大于報(bào)警上限閾值電壓時(shí),才能提示聲光報(bào)警;當(dāng)平均重量低于下限閾值電壓時(shí)才停止報(bào)警。報(bào)警電路就是讓相關(guān)負(fù)責(zé)人與早發(fā)現(xiàn)非正常運(yùn)行時(shí)所出現(xiàn)的問(wèn)題,便于相關(guān)人員與時(shí)采取應(yīng)急措施,消除隱患可能帶來(lái)的安全事故。本設(shè)計(jì)運(yùn)行的同時(shí),隨著起重物重量的加大,當(dāng)重量值大于重量預(yù)警值時(shí),控制器就會(huì)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管與蜂鳴器進(jìn)行閃光蜂鳴報(bào)警,由于人們對(duì)聲光報(bào)警產(chǎn)生的信號(hào)更為敏感,

29、便可采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,避免起重機(jī)事故的發(fā)生。上位機(jī)設(shè)計(jì)框圖如圖2-2所示:圖2-2上位機(jī)設(shè)計(jì)框圖2.2.3 下位機(jī)設(shè)計(jì)下位機(jī)系統(tǒng)主要有幾個(gè)功能模塊組成,包括電源轉(zhuǎn)換電路、無(wú)線發(fā)射與接受電路、三軸加速度傳感器電路、拉力傳感器電路、放大電路以與 LCD 1602 液晶顯示電路。下位機(jī)工作原理:首先在起重機(jī)的掛鉤上安裝一對(duì)由應(yīng)變片構(gòu)成拉力傳感器,當(dāng)起重機(jī)吊起重物的時(shí)候,由于拉力作用使兩側(cè)應(yīng)變片發(fā)生不同程度的彎曲,拉長(zhǎng)等形變,傳感器的形變量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變?yōu)殡妷旱淖兓?。由于外在的變化因素是?yīng)變片的形變,是非電量的變化,所以通過(guò)傳感器將外在拉力的變化不失真地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓的變化,但是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的模擬電壓很小

30、,只有幾百甚至幾十毫伏,要想該電壓變化能夠體現(xiàn)出所要表達(dá)的物理量變化也即拉力變化,必須經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器電路將微小變化信號(hào)放大,把較小的輸入信號(hào)放大到約05V之間的電壓,以便能夠滿足單片機(jī)芯片正常的工作電壓圍也即 A / D 轉(zhuǎn)換器所需要的電壓。單片機(jī)能夠處理的只能是數(shù)字信號(hào)而非模擬信號(hào),所以在將信號(hào)輸入單片機(jī)之前還應(yīng)該把放大的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),再由單片機(jī)處理。因此主控芯片通過(guò)電壓的大小變化可以體現(xiàn)傳感器所受的拉力大小變化。另外通過(guò)三軸加速器傳感器,可以測(cè)得XYZ三軸加速度值,下位機(jī)把這些信息由1602液晶顯示出來(lái),同時(shí)將所有數(shù)據(jù)由無(wú)線發(fā)射電路傳輸給上位機(jī)。下位機(jī)設(shè)計(jì)

31、框圖如圖2-3所示:圖2-3下位機(jī)設(shè)計(jì)框圖第 三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)微處理器介紹HT66fu50 是一款盛群公司生產(chǎn)的低電壓,/型Flash單片機(jī),具有位高性能精簡(jiǎn)指令集,其Flash存儲(chǔ)可無(wú)數(shù)次反復(fù)擦寫(xiě),該特性給用戶的開(kāi)發(fā)使用提供了極大的方便。在存儲(chǔ)器方面,它還包含了一個(gè)存儲(chǔ)和一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ),該EEPROM存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)序號(hào)等非易失性數(shù)據(jù);在模擬特性方面,這款單片機(jī)包含一個(gè)多道和雙較器的12位/轉(zhuǎn)換器功能。單片機(jī)部有完的 SPII2C 數(shù)據(jù)總線功能,設(shè)計(jì)者利用該接可方+便的實(shí)現(xiàn)與外圍件之?dāng)?shù)據(jù)信。還帶有多個(gè)定時(shí)+器模塊,使+用靈+活,可實(shí)現(xiàn)定+時(shí)/計(jì)數(shù)功能、P+WM功能

32、與脈+沖產(chǎn)功能。HT66fu50 包含有和五種振蕩器功能模式,用戶可自行擇配置。該片提供多種作模式選擇,用戶根據(jù)需要通過(guò)軟件可實(shí)現(xiàn)不同模式的動(dòng)態(tài)切換以到減少系統(tǒng)功+耗和自優(yōu)化片操作等目的。HT66FU50單片機(jī)擁有35個(gè)多功能/口,功能強(qiáng)大,可過(guò)軟件配置不同的復(fù)用功能,使用靈活。片含 UART 串口通信模塊,它以實(shí)現(xiàn)低成本 機(jī)和外圍設(shè)備之的數(shù)據(jù)連接,還支持單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)之的數(shù)據(jù)通信。圖3-1 HT66fu50芯片引腳圖3.2 拉力傳感器信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)由于人無(wú)法直接讀出或觀測(cè)到某些物理量的大小,如力、加速度等,因此需要通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換條件將這些物理量轉(zhuǎn)化為可直接觀測(cè)的數(shù)據(jù),才可以顯示出要測(cè)得的物理量

33、大小。拉力傳感器的工作原理即通過(guò)拉力傳感器上應(yīng)變片形變量的改變,傳感器的形變量經(jīng)轉(zhuǎn)換變?yōu)殡妷旱淖兓?,再由輸出的電壓就可以有效地轉(zhuǎn)換成所得力的大小了。本設(shè)計(jì)中起重機(jī)掛鉤處就安裝有應(yīng)變片,當(dāng)掛鉤有負(fù)載時(shí),掛鉤就發(fā)生機(jī)械形變,連帶著應(yīng)變片也發(fā)生微小應(yīng)變。應(yīng)變片的微變可使部四個(gè)電阻上的電壓值發(fā)生變化,根據(jù)電壓變化,再經(jīng)處理后就可判斷出拉力的變化了。拉力傳感器起主要作用的其實(shí)就是部的電阻變換器,電阻變換器分為半導(dǎo)體電阻變換器和屬電阻變換。電阻變換器的輸出量為相對(duì)電阻變化量即(電阻變化量)/(總電阻值)。根據(jù)壓阻效應(yīng),/ 且 ,其中 是應(yīng)變力 (/S) , 是壓阻系數(shù), =(4080)10-11m2/N,

34、 是彈性變量,=1.671011N/m2,是相對(duì)形變量,/,所以電阻的相對(duì)變化量為,/要測(cè)量其他物理量,如拉力、壓力、加速度等,首先將應(yīng)變片與相應(yīng)的彈+性元件相連接,如測(cè)拉力時(shí)就將應(yīng)變片貼與物體掛鉤處,彈性元件的形變就可表示出這些所要測(cè)+量的物量,與彈性元件相連的應(yīng)+變片會(huì)將相應(yīng)的變化轉(zhuǎn)換為電變化輸出,電量是單片機(jī)可以感知處理的。但是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的模擬電壓很小,只有幾百甚至幾十毫伏,單片機(jī)無(wú)法檢測(cè)到如此小的信號(hào),因此必須將接受信號(hào)做放大處理。這里介紹的是由運(yùn)算放大器芯片LM324 組成的運(yùn)放電路。把較小的電壓輸入信號(hào)放大,得到約05V 之間的電壓,以便能夠滿足單片機(jī)正常工作電壓圍。具體電路設(shè)計(jì)如圖

35、3-2所示:圖3-2 拉力傳感器放大電路設(shè)計(jì)3.3 三軸加速度傳感器電路設(shè)計(jì)3.3.1 ADXL345 三軸加速度傳感器介紹ADXL345是一種具有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能的三軸加速度傳感器,它具有外觀小,功耗低、測(cè)量量程可變以與分辨率高等優(yōu)點(diǎn),置 SPI 和 I2C 數(shù)據(jù)總線輸出功能,方便與其他器件相連接。該芯片外形小巧輕薄,尺寸只有;它在典型電壓 時(shí)功耗電流約為uA,比模擬輸出的產(chǎn)品ADXL330功耗典型值低了uA;最大量程可達(dá)g,另可選擇g、g、g等不同量程;可采用固定的g/LSB分辨率模式,該分辨率可測(cè)得0的傾角變化。芯片引腳圖如圖3-3所示:圖3-3 ADXL345芯片引腳圖引腳功能描述如表3-

36、1所示:表3-1 引腳功能描述引腳編號(hào)引腳名稱引腳功能描述1VDD數(shù)字接口電源電壓2GND該引腳必須接地3RESVERED保留。該引腳必須連接到VS或保持?jǐn)嚅_(kāi)4GND該引腳必須接地5GND該引腳必須接地6VS電源電壓7/CS片選8INT1中斷1輸出9INT2中斷2輸出10NC部不連接11RESERVED保留。該引腳必須連接地或保持?jǐn)嚅_(kāi)12SDO/ALT ADDRESS串行數(shù)據(jù)輸出(SPI 4線)/備用IIC地址選擇13SDA/SDI/SDIO串行數(shù)據(jù)(IIC)/串行數(shù)據(jù)輸入(SPI 4線)14SCL/SCLK串行通信時(shí)鐘。SCL為IIC時(shí)鐘。SCLK為SPI時(shí)鐘3.3.2 與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

37、ADXL345 三軸加速度傳感器通過(guò) SPI 總線與單片機(jī)相連接。由于單片機(jī)工作電壓為 5V ,而ADXL345 工作電壓為 3.5V ,二者間的引腳電平不同,需電平轉(zhuǎn)換,因此本設(shè)計(jì)采用 74HC07 將電平大小轉(zhuǎn)化統(tǒng)一,當(dāng)單片機(jī)對(duì) ADXL345 操作時(shí),電平值由 5V 轉(zhuǎn)到 3.5V 。ADXL345 測(cè)得三軸加速度值,單片機(jī)從傳感器中讀取加速度值,再將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送出去。具體接口電路設(shè)計(jì)如圖3-4所示:圖3-4 加速度傳感器與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)3.4 無(wú)線收發(fā)電路設(shè)計(jì)3.4.1 CC1100無(wú)線收發(fā)芯片介紹CC1100是一款專門(mén)為滿足無(wú)線收發(fā)應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)的特高頻無(wú)線收發(fā)器。該芯片超低功耗

38、,封裝體積極小僅有小指甲蓋的三分之一,而且使用簡(jiǎn)單、操作靈活,便于使用者開(kāi)發(fā)使用。同時(shí)芯片可設(shè)置多種工作頻率波段,用戶可根據(jù)設(shè)計(jì)需要將頻段設(shè)置在315MHz、433MHz、868MHz以與915MHz。這些工作工作頻段可滿足工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)以與其他短距離設(shè)備的頻段要求。也可以設(shè)置為其頻率波段,如MHzMHz、MHzMHz和MHzMHz等。該芯片在開(kāi)闊地區(qū)的傳輸距離為300至500米。芯片部集+成了一個(gè)高度可置的調(diào)制解調(diào),能夠支持同的調(diào)+制格式,其數(shù)據(jù)傳+輸率最高可達(dá) kbps。在調(diào)+制解調(diào)上還集+成了前向誤校正選項(xiàng),過(guò)開(kāi)啟該項(xiàng),能使片性能得到提+升。在發(fā)射狀下,可通軟件編程調(diào)節(jié)其發(fā)+射功率,其

39、最大發(fā)射功+率達(dá)到dbm。CC1100 置線SPI(SI,SO,SCLK和CSn)兼+容接,用戶可使用該接進(jìn)行芯片工作模式置以與讀和寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)緩存。接口與接口一樣,是一種同步串行全雙工通信接,其中 SCLK 為 SPI 總線的同+步時(shí)鐘,只有通信二者時(shí)鐘一致時(shí)才可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,而且時(shí)鐘還控制著數(shù)據(jù)讀與寫(xiě)操作,有在時(shí)鐘的上+升沿或下降沿時(shí)數(shù)據(jù)才可被讀出或?qū)懭耄粸閿?shù)據(jù)串+行輸入腳,為數(shù)據(jù)串行輸出腳,是片選信號(hào)端,當(dāng)需要SPI 接口信時(shí), 腳必須給低電平,而當(dāng)不需要 SPI接口信時(shí),就給高電平信號(hào)。芯片引腳如圖3-5所示:圖3-5 CC1100芯片引腳圖3.4.2 具體電路設(shè)計(jì)上位機(jī)與下位機(jī)之間的

40、數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線傳輸,本設(shè)計(jì)中的無(wú)線模塊就是選擇無(wú)線收發(fā)芯片作為核器件。無(wú)線模塊具體設(shè)計(jì)電路如圖3-6所示:圖3-7 無(wú)線收發(fā)電路設(shè)計(jì)發(fā)射與接收時(shí)考慮到 CC1100 的工作電壓為+3.5V,而單片機(jī)工作電壓為+5V二者引腳電壓不同,不可進(jìn)行數(shù)字操作,必須進(jìn)行電平大小變化。本設(shè)計(jì)中采用 HT 7335 芯片實(shí)現(xiàn)+5V與+3.5V間的電平大小變化。當(dāng)單片機(jī)向CC1100發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),信號(hào)經(jīng)HT7335后變?yōu)?3.5V,再傳給CC1100;反之電平就從+3.5V經(jīng)過(guò)HT7335變?yōu)?5V,再傳給單片機(jī)。電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)電路如圖3-7所示:圖3-7 電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)3.5 Uart串口通信電路設(shè)計(jì)3.

41、5.1 MAX232 芯片介紹MAX 232 的功能是實(shí)現(xiàn)串口通信中的電平轉(zhuǎn)換,標(biāo)準(zhǔn)RS 232電平很高,達(dá)正負(fù)15V,常用的 TTL 電平最高+5V,相互連接的話,必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。由于上位機(jī)彩屏串口電壓為+12V,高于單片機(jī)引腳最大電壓+5V,直接與單片機(jī)連接會(huì)燒壞芯片。所以用MAX 232來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 MAX232 芯片采用單+5V電源供電,再加上幾個(gè)外接電容即可完成從 TTL 電平到RS 232 電平的轉(zhuǎn)換。MAX232 部集成兩路輸入輸出通道,其中第一路數(shù)據(jù)通道為13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)。第二路數(shù)據(jù)通道為8腳(R2IN)、

42、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)。TTL / CMOS 數(shù)據(jù)從T1IN 或者T2IN 輸入,轉(zhuǎn)換成RS 232 數(shù)據(jù)從T1 OUT 或者T2 OUT 輸出送到彩屏的RIN端口;彩屏接口的RS 232 數(shù)據(jù)從R1IN或者R2IN輸入到MAX 232,由MAX 232 轉(zhuǎn)換成TTL / CMOS 數(shù)據(jù)后從R1OUT 或者 R2OUT 輸出。單片機(jī)中的 UART 和彩屏串口RS 232 的區(qū)別僅在于二者電平的不同,彩屏串口采用 232 電平,而單片機(jī) UART 串口則采用 TTL 電平,如果不進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,單片機(jī)跟彩屏串口就無(wú)法直接進(jìn)行數(shù)字通信。UART 串口包括RS 48

43、5與 RS 232 以與其他,232 只是 UART 串口的一種,因此二者通信協(xié)議的格式是一樣的,這就意味著只要電平統(tǒng)一了,兩者之間就可以直接進(jìn)行數(shù)字通信。MAX 232 對(duì)二者之間通信的數(shù)據(jù)并不產(chǎn)生影響,僅僅是一個(gè)橋梁作用,其只是負(fù)責(zé)將兩者之間的通信電平轉(zhuǎn)化統(tǒng)一,使兩者之間可以毫無(wú)障礙的順暢通信。芯片引腳如圖3-8所示:圖3-8 MAX232芯片引腳圖3.5.2 具體電路設(shè)計(jì)上位機(jī)使用迪文 D1UGS 彩色液晶顯示屏顯示接收的參數(shù),彩色液晶顯示屏與主控單片機(jī)間通過(guò)串口連接,由Max 232 轉(zhuǎn)換電平,使得單片機(jī)與彩色液晶顯示屏間的工作電平統(tǒng)一,即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)彩色液晶顯示屏的串口通信控制。電

44、路設(shè)計(jì)如圖3-9所示:圖3-9 Max232外圍電路設(shè)計(jì)3.6 LCD1602 液晶顯示電路設(shè)計(jì)下位機(jī)顯示模塊采用1602點(diǎn)陣液晶顯示,同時(shí)支持串行與并行數(shù)據(jù)傳輸??紤]到節(jié)省單片機(jī)I/O口資源,本設(shè)計(jì)選擇了4線串行數(shù)據(jù)傳輸,利用SPI總線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作,有效的利用了單片機(jī)引腳,提高了單片機(jī)引腳利用率。具體電路設(shè)計(jì)如圖3-10所示:圖3-10 LCD液晶顯示電路設(shè)計(jì)3.7 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)聲光報(bào)警是一種最簡(jiǎn)單同時(shí)又是最常用的報(bào)警方式。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,程序易實(shí)現(xiàn),警示效果也相當(dāng)不錯(cuò)。聲光報(bào)警在硬件連接上非常簡(jiǎn)單,通常可利用三極管 9014 驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管以與蜂鳴器就可實(shí)現(xiàn)。該電路中發(fā)光二

45、極管正極與蜂鳴器正極均連接+5V,二極管負(fù)極通過(guò)限流電阻與蜂鳴器負(fù)極相連,再與三極管的集電極相連。三極管的發(fā)射極接地,基極通過(guò)限流電阻與 I/O 口線相連。限流電阻阻值一般可選擇1K左右。設(shè)計(jì)電路如圖3-11所示:圖3-11 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)3.8 電源電路設(shè)計(jì)3.8.1 輸出 5V 電源電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的電源模塊采用 MC 34063 電源芯片作為 5 伏電源輸出電路的控制核心。MC 34063 本身包含了一些單片機(jī)控制電路,這些控制電路是變換器主要功能實(shí)現(xiàn)所必要的。它由幾個(gè)部分組成,包括基準(zhǔn)電壓發(fā)生器(該發(fā)生器具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能)、晶體振蕩器(占空比可調(diào))、比較、RS觸發(fā)器和大電流輸出的

46、開(kāi)關(guān)電路。該件可作為降壓變換器、升壓變換器以與反向的控制核心,只需用少量的外部元件就可構(gòu)成變換器。該片主要應(yīng)用在以單片機(jī)或者微處理為基礎(chǔ)的系統(tǒng)里。本設(shè)計(jì)中的電源電路設(shè)計(jì)就是采用該芯片。MC34063集成電路主要特性有、輸入電壓圍為VV ;、輸出電壓可調(diào)圍為VV ;3、輸出電流可以達(dá)到A ;4、作頻率最高可100kHz;5、低靜態(tài)電流;、可限制短路電流;、可實(shí)現(xiàn)電源的降壓與升壓變換。芯片引腳圖如圖3-12所示:圖3-12 MC34063芯片引腳圖引腳功能介紹如表3-2所示:表3-2引腳功能描述引腳符號(hào)功能1SWC開(kāi)關(guān)管T1集電極引出端2SWE開(kāi)關(guān)管T1發(fā)射極引出端3TCAP定時(shí)電容ct接線端;調(diào)

47、節(jié)ct可使工作頻率在100100kHz圍變化4GND電源地5-VIN電壓比較器反相輸入端6VCC電源端7IPK負(fù)載峰值電流(Ipk)取樣端8DRVC驅(qū)動(dòng)管T2集電極引出端MC34063 的工作原理:首先按電路圖連接好外圍電路,上電后,芯片置振蕩器通過(guò)恒流源對(duì)外接在CT管腳上的定時(shí)電容不斷地充電和放電以產(chǎn)生振蕩信號(hào),充電電流和放電電流的大小都是恒定的,芯片部有一個(gè)1.25V 基準(zhǔn)電壓輸入,只要外部電阻確定就能使輸出電壓恒定,再加上一級(jí)濾波、二級(jí)濾波,使輸出電壓平滑無(wú)毛刺,為系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定的電源。如圖3-13 為降壓式接法,提供5V的輸出電源。電路設(shè)計(jì)如圖3-13所示:圖3-13輸出5V電源電路

48、設(shè)計(jì)3.8.2 輸出 3.5V 電源電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中采用 HT7335 穩(wěn)壓芯片來(lái)產(chǎn)生 3.5伏電壓輸出。HT7335 是盛群公司生產(chǎn)的電壓穩(wěn)壓器芯片,該芯片具有高輸入低功耗優(yōu)點(diǎn),輸出電壓精度為±3 ,精度高;低輸入輸出電壓差典型值為40mV;低靜態(tài)功耗電流為1.2 到2.0uA ,典型值為1.5uA;輸出負(fù)載電流的典型值為250mA ;高輸入耐壓最大承壓為24V ;低溫度系數(shù)為-45 到+85攝氏度;存儲(chǔ)溫度圍為-60 到+120攝氏度。HT7335 可應(yīng)用于電池供電設(shè)備、通訊設(shè)備、音頻視頻設(shè)備等。MC 34063 電源電路產(chǎn)生+5V 電壓,將該電壓接入到 HT 73335 外部電

49、壓輸入端即 Vin 輸入口,經(jīng)芯片部處理后,由Vout 電壓轉(zhuǎn)換輸出口輸出,并通過(guò)外圍電容濾波后得到 +3.5V 電壓,供于系統(tǒng)其他電路使用。具體電路連接如圖3-14所示:圖3-14 3.5V電源電路設(shè)計(jì)3.8.3 輸出 -5V 電源電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)PWM功能產(chǎn)生 -5V 電壓,通過(guò)調(diào)整單片機(jī)部的 PWM 占空比以與周期,再將 PWM0 輸出連接相應(yīng)的外圍電路,使得電路產(chǎn)生-5V 電壓,供于放大器LM324 的負(fù)電壓端使用。電路設(shè)計(jì)如圖3-15所示: 圖3-15 PWM輸出-5V3.9 復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路的功能是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可通過(guò)硬件復(fù)位,使系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)。該電路與單片機(jī)的復(fù)位

50、輸入口相連,通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)位。具體電路設(shè)計(jì)如圖3-16所示:圖3-16 復(fù)位電路設(shè)計(jì)第 四 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 程序設(shè)計(jì)流程圖在總體設(shè)計(jì)思路以與硬件電路焊接調(diào)試完成后,接著就開(kāi)始設(shè)計(jì)編寫(xiě)程序了。根據(jù)上述的總體設(shè)計(jì)要求,以與所需實(shí)現(xiàn)的功能模塊,具體繪出程序流程圖如下。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4 -1所示:圖4-1整體程序設(shè)計(jì)流程圖上位機(jī)程序設(shè)計(jì)包括單片機(jī) I/O 口功能選擇初始化程序,串口初始化程序,彩屏初始化程序,無(wú)線接收程序,彩屏實(shí)時(shí)顯示程序以與聲光報(bào)警程序。根據(jù)各功能模塊間的關(guān)系繪出主程序流程圖如圖4-2所示:圖4-2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖下位機(jī)程序設(shè)計(jì)邏輯復(fù)雜、功能繁多,包括單片機(jī)

51、I/O 口功能選擇設(shè)置程序,定時(shí)器、外部中斷、ADC采樣、PWM初始化程序,三軸加速度傳感器初始化程序,無(wú)線發(fā)射程序,以與1602液晶顯示、翻頁(yè)程序等,根據(jù)功能模塊間的聯(lián)系繪制主程序流程圖如圖4-3所示:圖4-3下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖4.2 算法介紹單片機(jī)的主要作用是過(guò)控制外圍器件來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的信和數(shù)據(jù)處理,常適用于實(shí)現(xiàn)控制作用,對(duì)于相對(duì)較復(fù)雜的數(shù)學(xué)算以與算實(shí)現(xiàn),單片機(jī)受制于處理速度可能無(wú)迅速處理。但在某些特定場(chǎng),不可避免地要用到數(shù)學(xué)算以與算。本設(shè)計(jì)中運(yùn)用了平均值濾波算拋物線插值算。下面就對(duì)這兩種算做詳細(xì)介紹。4.2.1 加權(quán)平均濾波算法單片機(jī)在行數(shù)據(jù)采+集時(shí),于外界隨機(jī)+干擾的影,便會(huì)到數(shù)據(jù)隨機(jī)

52、誤。隨機(jī)誤的特是:在一樣的條件下,測(cè)同一物理時(shí),其符號(hào)大小會(huì)出現(xiàn)無(wú)規(guī)的變化導(dǎo)致無(wú)準(zhǔn)確預(yù)測(cè),但是其多次測(cè)的結(jié)果又符一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)+律。為了克服隨+機(jī)干擾成的隨機(jī)誤,在硬件方面可過(guò)濾波技術(shù)濾除干擾信號(hào),而軟件方面就可過(guò)軟件算實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。濾波算往往系統(tǒng)測(cè)控算的一個(gè)重要成部分,具有很的實(shí)時(shí)性。采用數(shù)字濾波算克服隨機(jī)干擾產(chǎn)的隨機(jī)誤具有以下優(yōu):、數(shù)字濾+波只需用一個(gè)計(jì)算程,不需要其的硬件設(shè)備,可節(jié)硬件成本,同時(shí)靈+敏度高,靠性好,存在阻抗配問(wèn)題。尤其數(shù)字濾波以對(duì)頻+率很低的信號(hào)進(jìn)行濾波,這模擬濾波做不到的。、數(shù)字濾+波使用軟件算實(shí)現(xiàn),多輸入道可共用一個(gè)濾波程序,降低系統(tǒng)開(kāi)支。、只要適當(dāng)改變?yōu)V波的濾波程序或

53、算,就能方便的改變其濾+波特性,這對(duì)于濾除低頻干擾隨機(jī)信號(hào)會(huì)有較大的效果。、在單片機(jī)系統(tǒng)中常用濾波算有:限+幅濾波法、中+值濾波法、算術(shù)平+均濾波法、權(quán)平均濾波法、滑+動(dòng)平均濾波法等。算+術(shù)平均濾波算存在平+滑度靈敏度之的矛盾,為了協(xié)調(diào)平滑+度靈敏+度之的關(guān)系,本程序設(shè)計(jì)中的數(shù)字濾波算采用權(quán)平均濾。它的理是先對(duì)連續(xù)次采樣值分別乘上同的權(quán)系數(shù)之后再求累+加,權(quán)系+數(shù)一般先小后大,以突后面若干采樣的效+果,強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化趨+勢(shì)的認(rèn)。每個(gè)權(quán)系數(shù)均為小于的小數(shù),并且滿足總等于的結(jié)束條件。這樣加權(quán)算之后的累加即為有效采樣值。其中權(quán)平均數(shù)字濾+波的數(shù)學(xué)模型是:式中:為個(gè)采樣值的權(quán)平均值;N-i為第次采樣

54、值;為采樣次數(shù);i為第個(gè)采樣值對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù)。權(quán)系數(shù)i體現(xiàn)了各個(gè)采樣值在平均值中所占的例。一般來(lái)說(shuō)采樣次數(shù)越靠后,所取的例就越大,這樣可增新采樣值在平均值中所占的重。權(quán)平均值濾波可突出一部分信號(hào)而抵+制另一部分信號(hào),以提高采樣值變化的靈+敏度。算法具體程序?qū)崿F(xiàn)如下:HISTORYTABLEADC_NUM = adc_val.word;+ADC_NUM;ad_filted_val = 0;j = ADC_NUM;for(i=0;i!=ADC_HISTORY_CNT;+i)ad_filted_val += (WEIGj * HISTORYTABLEi);+j;if(j = ADC_HISTORY_C

55、NT)j = 0;ad_filted_val /= ADC_WEIGHT_SUM;ad_filted_val -= 16;if(ad_filted_val < 0)ad_filted_val = 0;4.2.2 拋物線插值算法拋物線插值又稱為二次插值,它是以一元二次多項(xiàng)式去擬合某一段變化曲線,精度自然就要比線性插值高。如圖4-4所示,已知一條曲線y=f()上的三點(diǎn)(x0,y0)、(x0,y0)、(x0,y0),過(guò)此三點(diǎn)可以作一條拋物線,即一條二次曲線,且是唯一的。圖4-4拋物線插值算法設(shè): g()=已知: g()=由此可得下列方程組:解此方程組可得 g(x) 的系數(shù),但是這樣運(yùn)算非常麻煩

56、。實(shí)際計(jì)算中,我們可以把 g(x) 寫(xiě)成各種同形式的二次多項(xiàng)式,然后運(yùn)用待定系數(shù)法把 g(x) 確定下來(lái)。由于在起重機(jī)的起吊物重量突然發(fā)生變化時(shí),拉力的變化并不是線性或者符合某種特定曲線規(guī)律變化的,可能會(huì)造成A/D采樣值變化無(wú)法預(yù)測(cè),導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差大,不夠準(zhǔn)確。因此需要一個(gè)估值算法,也即上述介紹的拋物線插值算法擬合出拉力的變化曲線,使得采樣值更準(zhǔn)確。具體算法程序?qū)崿F(xiàn)如下:uint getRealVal_StepOne(uint adVal)return Y0 + (Y1-Y0)/(X1-X0) * (adVal - X0);uint getRealVal_StepSecond(uint adVal)uint i;uint L01,L00;if(adVal <= ADCTABLE3)return 0;if(adVal >= ADCTABLEADC_CONFIG_NUM - 1)return WEIGHTTABLEADC_CONFIG_NUM - 1;for(i=4;i!=ADC_CONFIG_NUM;+i)if(adVal < ADCTABLEi)break;X0 = ADCTABLEi-1;Y0 = WEIGHTTABLEi-1;X1 = ADCTABLEi;Y1 = WE

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