門式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計機械工程及其自動化專業(yè)

1、= 摘 要本設計為良好完成門式起重機關于安全監(jiān)控的基礎操縱功能，從主控芯片入手，采用AT89S52單片機。為使系統(tǒng)設計更為高效，將分步驟進行到底，以模塊化設計法，階段性的分板塊做好計劃。將系統(tǒng)的硬件分為主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、人機交互處理三大組成部分。以AT89C52、復位電路及晶振電路為代表的主控系統(tǒng)部分；高精度電阻應變式傳感器、信號的前級處理和A/D轉換組成的數(shù)據(jù)采集部分，其中包括橋式測量電路、放大電路和數(shù)模轉換電路；人機交互界面部分包含鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示，主要使用4*4 矩陣鍵盤、數(shù)碼管顯示模塊；通過單片機C語言對軟件實行編程，以完成該設計的所有控制功能。【關鍵詞】: AT89C51；壓力

2、傳感器；數(shù)碼管；矩陣鍵盤一、緒論1.1選題背景及意義相對其他起重設備而言，門式起重機具有結構簡單、使用方便、作業(yè)范圍大、適應面廣及安全可靠性高的優(yōu)點，因此其被廣泛應用于港口運輸業(yè)和造船業(yè)中。但是于現(xiàn)實情況下，大部分門式起重機在現(xiàn)場作業(yè)中都處于超負荷運轉狀態(tài)，因超載和誤操作因素產(chǎn)生的事故屢屢發(fā)生。由于持續(xù)進步的自動化測量技術，人們對于功能、精確性、智能化、性能與價格比等的要求，過去已有的門式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)已不再滿足。為此，設計一款具有功能完善、高智能化水平與性價比的門式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要，近年來逐漸成為了國內(nèi)外各大公司討論的熱門話題。1.2研究內(nèi)容本次設計主要的研究內(nèi)容是實現(xiàn)門式起重

3、機安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分設計。整個門式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對于被吊物體重量的測量、顯示和重量超重報警。具體來說，該系統(tǒng)以采用單片機為總控制中心，首先經(jīng)由采集數(shù)據(jù)電路對被吊物體稱重，數(shù)據(jù)處理經(jīng)單片機主控電路完成、然后通過人機交互電路的矩陣鍵盤實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入以及數(shù)碼管顯示電路進行稱量信息顯示。如若被吊物體超過提前預設的總重量，門式起重機的操作人員聽到蜂鳴器發(fā)出的蜂鳴聲就知道需要減輕被吊物體重量，以防止意外情況的發(fā)生。1.3研究意義在碼頭、港口以及船舶等生產(chǎn)制造裝備過程中，近些年來起重機使用越加頻繁。然而較高的風險因素也隱藏在其運行狀態(tài)中，安全事故偶有發(fā)生，對于人員安全及經(jīng)濟益損抱有很大風險。由

4、此，管理者最為關注的問題之一則是起重設備在運行中的安全問題。為從源頭遏制事故的發(fā)生次數(shù)，經(jīng)技術層次對起重機安全智能監(jiān)控進行更新升級。要想明晰事故發(fā)生原因首先要掌握起重機操作過程情況，追根溯源，時刻監(jiān)控其運行狀態(tài)。對于故障問題的發(fā)生能于第一時間進行反饋與提示，對問題進行適時診斷，因此關于起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究在實際應用層面具有重要意義。1.4本文結構安排本文主要的工作安排：第1章， 簡單論述議題的研究背景，表明研究的現(xiàn)實意義。并進一步闡述本次畢業(yè)設計所需研究的主要內(nèi)容，指出整個門式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對于被吊物體重量的測量、顯示和重量超重報警。最后對論文的結構框架進行確定。 第2章， 通

5、過闡述本次畢業(yè)設計中的門式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能指標，針對性提出設計方案，并做進一步分析與探討，最后針對于該系統(tǒng)中需要用到的核心電子元器件進行選型。第3章，闡述硬件的整體設計過程，同時詳細說明電路的工作原理；第4章，對文章進行總結與反思，同時展望未來。二、系統(tǒng)設計方案2.1系統(tǒng)設計目標分析 本次需要實現(xiàn)一個關于門式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計，具體實現(xiàn)要求如下：1.、能夠?qū)崿F(xiàn)對于不大于20噸的物體進行稱重。2、整個系統(tǒng)采用先進的微控制器來進行控制，需要具有較高的自動化性能。3、具備通過適當?shù)娘@示部件來顯示被吊物體重量功能。4、可以利用按鍵完成對于被吊物體重量的設定。5、一旦被吊物體超過所預設的被

6、吊重量，系統(tǒng)就會通過報警部件來發(fā)出報警提示。2.2系統(tǒng)總體框架 通過對設計目標分析，確定本設計系統(tǒng)的系統(tǒng)整體框架。邏輯線路為首先通過應變片式傳感器進行測量，對模擬信號放大與模數(shù)轉換，再進入單片機處理，最后一步則是經(jīng)數(shù)碼管顯示模塊進行顯示。一旦被吊物體超過按鍵模塊所設置的總量，整個系統(tǒng)就會通過啟動蜂鳴器來進行報警提示，從而使得門式起重機處于一個安全的狀態(tài)。整個系統(tǒng)由五個部分組成，分別為STC89C52控制單元、重量采集單元、按鍵設置單元、液晶顯示單元、蜂鳴器報警單元。整體結構路徑圖如2-1：圖2-1系統(tǒng)結構圖系統(tǒng)各功能模塊說明：(1)單片機主控單元：該單元用于整個系統(tǒng)的自動化控制，該單片機芯片具

7、有性能可靠、性價比較高的特點，通過該芯片可實現(xiàn)對于整個門式其中安全監(jiān)控系統(tǒng)的自動化控制。(2)按鍵設置單元：用于對被吊物體的重量進行設置。(3)稱重采集單元。用于采集當前被吊物體的實際重量，并轉換成數(shù)字電壓信號輸出給單片機，由單片機進行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。(4)信息顯示單元：用于顯示被吊物體的總量信息。（5）報警單元，用于實現(xiàn)超重被調(diào)物體的報警2.3主要元器件選型論證2.3.1主控芯片選型論證關于本設計的要求是必須采用主控制器選用單片機的系統(tǒng)設計，一方面易于使計算機與測量控制兩者的技術相結合；另一方面則是便于更新迭代，通過變換軟件的程序就可以形成升級化地“智能化測量控制系統(tǒng)”。系統(tǒng)沒有進一步設置更

8、高層次的規(guī)范，同時通過思索，在本設計中程序模塊占比較大。因此，以總體方案設計分析為主旨，選用帶EPROM 的單片機設計一個相對簡易的系統(tǒng)。該應用程序可不需存儲在外部擴展器上，因其程序不大，可直接存儲在片內(nèi)，同時也達到簡化電路的目的。(5)報警單元：用于實現(xiàn)對于被吊超重物體的報警提示。雖然INTEL公司的8051和8751都適用，本設計還是選用ATMENL出產(chǎn)的AT89SXX系列單片機。AT89SXX 系列與MCS-51 相比較，AT89SXX有其特有優(yōu)勢：首先，程序的寫入更為便捷，因其片內(nèi)存儲器使用閃速存儲器；其次，芯片尺寸更小，這將引致硬件電路的體積更小。另外，MCPU是8K×8R

9、OM、256×8RAM、2 個16 位的定時計數(shù)器及4 個的8 位I/O 接口。其不僅具有相對較低的價格，還有穩(wěn)定的性能，該些裝置在一定程度上能夠較好的達到本儀器的測量和控制要求。最終這些，我們選擇了日常使用的單片機AT89S52來達到系統(tǒng)設計的功能要求。AT89S52具有的8KB 程序存儲器對于實現(xiàn)我們的需要是可行的。2.3.2傳感器選型論證傳感器器的選擇大體應滿足四方面要求，其一是測量范圍，其二是測量精，其三是信號出的接口形式，其四是傳感器自身的價格。一般來說，稱重傳感器的實行可采用壓電式振動傳感器和壓電式加速傳感器。目前常用的稱重傳感器通常選擇壓電、應變、壓阻式。從三種傳感器參

10、數(shù)來看，壓電式和壓阻式靈敏度高的同時，其頻響范圍也較大，稱重測量頻響范圍較小。綜合考慮，本設計中選擇應變式傳感器對稱重系統(tǒng)的測量10。2.3.3顯示部件選型論證數(shù)碼管作為半導體發(fā)光零件，發(fā)光二極管是其基本構成單元。按照段數(shù)，數(shù)碼管可分為七段數(shù)碼管與八段數(shù)碼管。八段比之七段數(shù)碼的區(qū)別則是多一個發(fā)光二極管單元（表現(xiàn)形式則是多一個小數(shù)點）；按照8的顯示次數(shù)，數(shù)碼管可以分為1位、2位、4位等。按照發(fā)光二極管的連接方式，可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。其中將全部發(fā)光的二極管陽極連接到一起組成的公共陽極(COM)的數(shù)碼管即是共陽數(shù)碼管。其在使用時應該將公共極COM接到+5V，在某字段二極管的陰極處于低電

11、平狀態(tài)時，相應字段就被點亮。2行 16 個字符可以于LCD1602顯示，并且其具有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0-D7和三個控制端口（RS、R/W、 EN ），工作時電壓為 5V，且能對字符對比度進行調(diào)節(jié)和背光。字符關于讀寫、屏幕及光標的操作都需要經(jīng)過指令編程完成，其有穩(wěn)定的代碼，字符發(fā)生存儲器在LCD1602液晶模塊內(nèi)部已儲存了各異的 160 個點陣字符圖形?？紤]到本次畢業(yè)設計需要顯示信息有限，主要為輸入時的單價和最后的總價，同時LCD1602使用方便、比較便宜、與單片機連接時編程非常簡單。因此，綜合各影響因素，最后系統(tǒng)的顯示頁面挑選LCD1602。三、硬件電路設計3.1 主控電路設計ST89C51

12、由12大模塊組成，該些組成模塊主要經(jīng)過地址與數(shù)據(jù)總線連接。P0P3口通用的是四個輸入輸出引腳，一個特殊功能寄存器（內(nèi)存存儲了中斷、串口、定時器等特殊功能單元的操作地址）。在STC89C52中，不僅包括2個定時和計時器，還可以經(jīng)由編程操縱達到能夠進行8位或16位的計數(shù)功能。串口用實現(xiàn)于系統(tǒng)外模塊的數(shù)據(jù)通信，遵循RS232通信協(xié)議7。B寄存器用于完成乘除法計算，配合運算器件使用。具體引腳見下圖3-1所示：圖3-1 STC89C51單片機內(nèi)部結構圖在上圖中，其中，VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：八位雙向I/O口，P0口能用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，可被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。 P1口：P1口是

13、八位雙向I/O口，有上拉電阻，P1口管腳寫入“1”后，被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入。當它被外部下拉為低電平時，將輸出電流。 P3口：P3口為雙向I/O口，特性是8個帶內(nèi)部上拉電阻，當它寫入“1”時，內(nèi)部上拉為高電平，用作輸入。輸入時，因外部下拉為低電平，P3口將會輸出電流。同時，其還可作為具有某些特別作用的端口。 RST：復位輸出。當振蕩器復位部件之后后，該腳需要保持兩個機器周期的高電平。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入端，以及內(nèi)部工作時鐘電路的輸入端。 XTAL2：反向振蕩器的輸出Error! Reference source not found.。單片機的最小系統(tǒng)由四部分組成，分別是系

14、統(tǒng)供電電源、晶振電路、復位電路和單片機。下面對組成最小系統(tǒng)的的各部分電路功能進行說明：最小系統(tǒng)的工作電源在4.55.5V的直流電壓范圍內(nèi)工作，本設計選擇工作電壓為直流5V，原理圖設計中用VCC進行表示。Y1（無源晶振）和兩個電容貼片組成晶振電路，晶振電路中的兩個30PF負載電容，一端接單片機的（18和19引腳）另一端接地。它直接決定晶振的諧振頻率和輸出幅度。要想產(chǎn)生時鐘頻率以供單片機工作，需要將晶振電路與單片機內(nèi)部電路相結合。晶振電路提供能夠?qū)嵭腥恐噶畹膯纹瑱C需要的頻率。Rst電阻（1K）和C6（16V10uf）電容組成了復位電路。其功用是在系統(tǒng)接電的一剎那，在單片機的RST引腳上（9腳），

15、添上一個或兩個以上機器周期的高電平信號，讓系統(tǒng)變成復位狀態(tài)。單片機正常運行程序的前提條件是復位操作完成后。單片機最小系統(tǒng)電路見3-2圖所示：圖3-2 STC89C51單片機最小系統(tǒng)3.2液晶顯示電路設計LCD1602最大顯示字符為32，正常運行電壓為5V。液晶對外接口共16個，中間含有數(shù)據(jù)線8個（714腳），用于數(shù)據(jù)接收。3個跟控制線（46腳）控制液晶的工作狀態(tài)。其中4腳為高電平，也是數(shù)據(jù)與命令寄存器的選通腳，操作方式是采用數(shù)據(jù)寄存器，該引腳為0選擇命令寄存器進行操作。5腳是能夠?qū)ψx與寫進行切換的是為讀寫切引腳。當5腳位于高電平狀態(tài)，進行讀操作。相反如果5腳為低電平進行數(shù)據(jù)寫操作8。6腳為使能

16、引腳，當該引腳為高電平時，液晶被使能。只有在使能狀態(tài)下，液晶才能進行正常的讀寫和顯示操作。1（負極）腳和2（正極）腳為液晶電源引腳。1516腳為液晶背景控制引腳。具體引腳示意圖見下圖所示：圖3.3 液晶引腳示意圖本次設計中，單片機與液晶并行而連（如圖3-3），通過P32-P34，即RS，R/W和E三個控制位，P1.0P1.7是8位數(shù)據(jù)線。當單片機對液晶進行操作時，首先在P3.4口施加高電平，使液晶使能，隨后選擇P3.2和P3.3引腳進行控制，完成讀寫數(shù)據(jù)或是讀寫命令操作。最后通過P1.0P1.7口發(fā)送需要操作的數(shù)據(jù)9。圖3-3 液晶顯示接口電路 3.3稱量模塊電路設計本設計稱量模塊分為橋式測量

17、電路、放大電路和A/D轉換電路三個部分，物體重量的衡量用橋式測量電路，經(jīng)應變片將重量信息轉化應變片的電阻變化從而變?yōu)殡妷毫康淖兓?，因該時電壓為毫伏級，故此需要接入放大電路將其放大到伏級，又因單片機不接受除數(shù)字電壓外的電壓，即0V或者+5V電壓，因此需使用A/D轉換電路采樣和編碼，最終將數(shù)字電壓變?yōu)槟鼙粏纹瑱C所采用，且上傳給單片機，下面詳細介紹各部分的電路。橋式測量電路經(jīng)常被用于衡量重量，（見圖3-4），即采用的是電阻應變傳感器半橋式測量電路。彈性梁上貼著其兩只應變片與電阻貼，重力的改變引致測量電阻的變化，最終致使彈性隨之發(fā)生改變。同時橋式測量電路的輸出電壓的變化會受電阻改變的影響。即通過重力的

18、改變就可得知輸出電壓的變化。電橋的輸出電壓式子如下： （式3-1） 稱量模塊電路如圖3-4所示。圖3-4 傳感器采集電路的輸入電壓為+12V和-12V，電阻R2、R3、R4、R5組成了一個電橋，R2、R5為應變片，負責將重量信號轉化為電阻值得變化。對運算放大器設置的標準嚴格，最重要因素是壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級。通過考慮應用專用的儀器放大器，即INA128。作為低功率消耗與高精確度的通用儀表放大器，它們通用的3運放設計和體積小巧使其應用范圍廣泛反饋電流輸入電路即便于高增益條件下(G=100時200kHz)也可供應較寬的帶寬。單個外部電阻可實現(xiàn)從1至10000的任一增益選擇，且INA12

19、8/INA129用激光進行修正微調(diào)具有非常低的偏置電壓(50mV)溫度漂移0.5µV/°C和高共模抑制在G=100時120dB。INA128 構成的放大器及濾波電路（圖3-5）。圖3-5 INA128引腳示意圖在上圖中，Ref、V+、V-為三個基準電壓輸入端，通常構成放大電壓的基準范圍，IN+和IN-為電壓輸入端，OUT為電壓輸出端，Rg為可調(diào)電壓端，通常通過外接電阻來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。圖3-6 放大及濾波電路在上圖中，R6、C4、C5的作用是對于輸入的Vin+進行濾波調(diào)理，使得輸入電壓較為平滑，對稱Vin-調(diào)理類似。經(jīng)由對Rg阻值調(diào)整的方式對倍數(shù)進行放大。相對比較薄弱的Vi1

20、和Vi2信號放大后經(jīng)由INA128第6腳輸出。 A/D轉換電路由MAX1241芯片極其外圍電路來構成，MAXIM公司推出的MAX1241，作為單通道12位逐次逼近型串行A/D轉換器，它享有功率的損耗低、精度高、轉換速度快、體積小、接口簡單等優(yōu)點。具體引腳見下圖所示：圖3-7 MAX1241引腳示意圖 其中：VDD：電源輸入+2.7-+5.2VVIN：模擬電壓輸入0-SHDN：節(jié)電方式控制端“0” -節(jié)電方式；“1” -工作REF：參考電壓輸入端1.0V-VDDGND：電源地DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出三態(tài)CS：芯片選通“0” -選通；“1” -禁止SCLK：串行輸出驅(qū)動時鐘輸入頻率范圍：0

21、2.1MHzMAX1241的三根數(shù)據(jù)線，時鐘輸入端、片選控制端和數(shù)據(jù)輸出端分別由AT89C51的P2.5、P2.6和P2.7控制。MAX1241的芯片內(nèi)部不需要進行外部保持電容和采樣/保持電路，只因為其具有采樣/保持電路。MAX1241的控制線SCLK、DOUT可以不需要通過其它變換接口，而可以直接與AT89S52的通用I/O口相連。經(jīng)過前級增大至0VREF 范圍后的模擬電壓，通過AIN引腳輸入，而基準電壓則是直接采用+5V的電源電壓即可。如電路圖2.14：圖3-8 A/D轉換電路3.4按鍵采集電路設計人機對話接口被電子系統(tǒng)設計中所需要，功能是相應的電平信號被輸入的控制命令轉化傳送給單片機。本

22、設計中需要實現(xiàn)對0-9數(shù)字按鍵的輸入和開始、清零結束13個按鍵的輸入。為了便于功能擴展本設計中采用P3口的4*4矩陣按鍵電路，其中P3.0-P3.3控制行掃描、P3.4-P3.7實現(xiàn)列掃描，此電路可以實現(xiàn)對16個輸入按鍵的檢測。按鍵電路見圖3-5所示。 圖3-8 按鍵檢測電路3.5報警電路設計蜂鳴器作為能夠響出與蜂鳴相似的電磁器件，一般經(jīng)常用在計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等中來替代電鈴，或者作為聲頻電流發(fā)生器。聲音提示部分的電路具體見下圖3-9所示：圖3-9 報警電路設計在上圖中，通過P2.3口的連接通斷蜂鳴器，要想三極管Q5導通和蜂鳴器蜂鳴，只有P2.3口能夠產(chǎn)生低電平，反之，蜂鳴器就不發(fā)聲，D9發(fā)光二極管與R36進行相連，當蜂鳴器蜂鳴的時候，發(fā)光二級管會出現(xiàn)閃爍，以此表明，蜂鳴器正在蜂鳴。四