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中 國 礦 業(yè) 大 學(xué)
本科生畢業(yè)設(shè)計
姓 名：魏海強(qiáng) 學(xué) 號： 14030342
學(xué) 院：應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
專 業(yè)：機(jī)械工程及其自動化專業(yè)
設(shè)計題目：汽車式起重機(jī)力矩限制器的研制
專 題：
指導(dǎo)教師： 馬 馳 職 稱： 講師
2007 年 6 月 徐州
中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專業(yè)年級 機(jī)自03-7班
學(xué)生姓名 魏海強(qiáng)
任務(wù)下達(dá)日期：2007年 3 月 15 日
畢業(yè)設(shè)計日期： 2007年 3 月 15 日至 2007 年 6 月 15 日
畢業(yè)設(shè)計題目： 汽車式起重機(jī)力矩限制器的研制
畢業(yè)設(shè)計專題題目：
畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：
1. 調(diào)研、查閱相關(guān)的資料及文獻(xiàn)
2. 在調(diào)研、查閱相關(guān)的資料及文獻(xiàn)基礎(chǔ)上提出可行性系統(tǒng)設(shè)計
3. 傳感器選型以及具體的安裝
4. 硬件系統(tǒng)設(shè)計
5. 軟件電路設(shè)計
6. 制作實物電路，模擬力矩限制器工作狀況
院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字：
中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評閱書
指導(dǎo)教師評語（①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；②獨(dú)立解決實際問題的能力；③研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）：
成 績： 指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱書
評閱教師評語（①選題的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實際問題的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）：
成 績： 評閱教師簽字：
年 月 日
中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱書
評閱教師評語（①選題的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實際問題的能力；③工作量的大?。虎苋〉玫闹饕晒皠?chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）：
成 績： 評閱教師簽字：
年 月 日
中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計答辯及綜合成績
答 辯 情 況
提 出 問 題
回 答 問 題
正 確
基本
正確
有一般性錯誤
有原則性錯誤
沒有
回答
答辯委員會評語及建議成績：
答辯委員會主任簽字：
年 月 日
學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績：
學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人：
年 月 日
中國礦業(yè)大學(xué)2007屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第60頁
摘 要
起重機(jī)是一種蘊(yùn)含多種危險因素的設(shè)備，操作不當(dāng)或超載，容易引起翻車、折臂等無法挽回的后果，因此對于16噸以上的起重機(jī)要求安裝一種保護(hù)設(shè)備，一般稱為力矩限制器。
起重機(jī)力矩限制器是裝備在起重機(jī)上的重要超載保護(hù)裝置，它為起重機(jī)的安全工作提供了保障。本文在參考現(xiàn)有力矩限制器的基礎(chǔ)上，充分利用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等一些技術(shù)成果，來實現(xiàn)起重機(jī)的超載力矩限制，努力確保不會出現(xiàn)因超載而造成意外事故。本系統(tǒng)具有精度高，通用性好，抗干擾能力強(qiáng)，功能多，比較低的建設(shè)成本以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能強(qiáng)等優(yōu)點。
本文所述的起重機(jī)力矩限制器的主控單元是以單片機(jī)AT89C52為核心部件，A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809，對從各傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，然后送至AT89C52進(jìn)行數(shù)據(jù)的、判斷，做出各種控制動作；顯示、輸入單元選用了MAX7219芯片作為顯示和輸入控制；復(fù)位監(jiān)測芯片采用X5045來實現(xiàn)開門狗定時器、電源監(jiān)測等。
關(guān)鍵詞：力矩限制器；超載保護(hù)；AT89C52；單片機(jī)；汽車起重機(jī)
Abstract
Crane moment limiter that is equipped on the crane is an important overload protective device .It provides safeguard for the safety work of crane .This paper is based on the efficient experience learnt through the comparison and analysis of the present domestic and foreign moment limiter .In this paper ,the anther proposes the idea of separating the main control unit of system and the display unit ,which can enhance generation and function ,greatly reduce building and maintenance costs ,increase the precision of control and boost up expansibility of system.
MCU AT89S52 is used as a core component in the main control unit of system .It samples signals from the sensors, calculates, judges and executes the corresponding control action. In the display unit, the author chooses AT89S52 an the controller. Liquid Crystal Display, which can provide both interaction between people and machines and a large amount of information, is applied, so that parameters of the working conditions of crane can be displayed one is supported by the communication protocol that is developed by the author.
The adjusting and running of the system indicates that the whole design is feasible and reliable, and the presumed functions have been conducted successfully.
Keywords: crane; moment limiter; overload protect; date transmission; communication portico
目 錄
1 緒論 ………………………………………………………………………1
1.1 概述……………………………………………………………………1
1.2 力矩限制器技術(shù)概況以及發(fā)展趨勢…………………………………2
1.3 課程的主要工作………………………………………………………3
1.4 解決方案的選擇………………………………………………………4
1.4.1 工業(yè)控制計算機(jī)解決方案………………………………………4
1.4.2 單片機(jī)解決方案…………………………………………………6
1.5 系統(tǒng)可擴(kuò)展行的探討…………………………………………………6
1.5.1 集散式控制系統(tǒng)改進(jìn)……………………………………………7
1.5.2 現(xiàn)場總線…………………………………………………………7
2 總體方案的設(shè)計 …………………………………………………………9
2.1 力距限制器的原理……………………………………………………9
2.2 力矩限制器的工作流程……………………………………………10
2.2.1 軟件流程………………………………………………………10
2.2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)…………………………………………………11
2.3 力矩限制器的數(shù)學(xué)模型……………………………………………12
2.4 力矩限制器的調(diào)試…………………………………………………14
3 系統(tǒng)硬件方案的設(shè)計……………………………………………………16
3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計概述…………………………………………………16
3.2 前向通道的設(shè)計……………………………………………………16
3.2.1 信號的拾取、變送………………………………………………18
3.2.2 信號的變換……………………………………………………21
3.2.3 ADC0809簡介…………………………………………………22
3.3 基本系統(tǒng)的實現(xiàn)與擴(kuò)展……………………………………………26
3.3.1 單片機(jī)系統(tǒng)的組成……………………………………………26
3.3.2 幾類流行微控制器的介紹與最小系統(tǒng)的組成………………27
3.3.3 最小系統(tǒng)的外圍擴(kuò)展…………………………………………28
3.3.4 微控制器系統(tǒng)構(gòu)成的實用考慮-- AT89S52……………………28
3.4 復(fù)位監(jiān)測、看門狗X5045……………………………………………32
3.4.1引腳介紹…………………………………………………………32
3.4.2工作原理…………………………………………………………33
3.4.3 硬件連接………………………………………………………35
3.5 人機(jī)通道設(shè)計………………………………………………………35
3.5.1 顯示……………………………………………………………36
3.5.2 鍵盤……………………………………………………………37
3.5.3 報警……………………………………………………………38
3.6 串行擴(kuò)展技術(shù)得應(yīng)用與探討………………………………………38
3.6.1 串行擴(kuò)展技術(shù)概述……………………………………………38
3.6.2 與SPI總線簡介……………………………………………39
3.7 數(shù)字語音技術(shù)………………………………………………………40
3.7.1 數(shù)字語音技術(shù)概述……………………………………………40
3.7.2 語音合成與語音合成集成電路………………………………40
3.7.3 ISD系列語音產(chǎn)品簡介…………………………………………40
3.7.4 引腳功能………………………………………………………41
3.7.5 ISD1420…………………………………………………………45
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ………………………………………………………48
4.1 軟件設(shè)計概述 ………………………………………………………48
4.2 編程語言的選擇與簡介……………………………………………48
4.3 軟件設(shè)計構(gòu)思及軟件結(jié)構(gòu)…………………………………………49
4.4 主要功能的軟件實現(xiàn)………………………………………………50
5 抗干擾設(shè)計…………………………………………………………53
5.1 硬件抗干擾…………………………………………………………53
5.2 軟件抗干擾…………………………………………………………54
6 結(jié)論與展望……………………………………………………………57
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………58
致謝 ………………………………………………………………………60
附錄 ………………………………………………………………………61
1 緒論
1.1概述
在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，施工的機(jī)械化程度越來越高，汽車起重機(jī)的應(yīng)用越來越廣，起重機(jī)的安全行也越來越受到人們的重視。國際勞動部規(guī)定：16噸以上的起重機(jī)必須安裝保護(hù)裝置。為了安全工作，操作者必須隨時了解起吊情況，對于載荷極限固定的起重機(jī)，可只對吊車的重量進(jìn)行估計，但是對于汽車、履帶吊、固定回旋吊等臂干、角度可變的起重機(jī)，其起吊重量的極限值是變化的，這樣就要求在操作過程中，隨時估計、查表獲知起吊重量。一旦估計不準(zhǔn)就容易超載，以致發(fā)生事故。同時降低了工作效率。
通過安裝起重機(jī)專用的安全保護(hù)裝置，操作者可以從高度緊張的估算中解脫出來，根據(jù)裝置的指示大膽操作，既消除了隱患，又減輕了操作者的疲勞程度，有利于提高工作效率。起重機(jī)力矩限制器，又簡稱力限器，它是一種重要的起重機(jī)超載保護(hù)裝置，它通過傳感器實時檢測起重機(jī)的幾項工作參數(shù)，經(jīng)過計算處理，自動顯示擁護(hù)關(guān)心的幾項參數(shù)并根據(jù)起重機(jī)的當(dāng)前狀況進(jìn)行判斷；當(dāng)起重機(jī)接近非安全范圍時，系統(tǒng)報警并知道進(jìn)行安全保護(hù)控制，禁止起重機(jī)向危險方向動作。實踐證明，使用力矩限制器可以有效的預(yù)防翻車、超載斷臂等惡性事故的發(fā)生，充分利用起重機(jī)的工作能力，避免誤操作對起重機(jī)的損壞，減輕勞動者的勞動強(qiáng)度，大大提高了工作效率。
國外很多起重機(jī)制造商很早就進(jìn)行了力矩限制器的研究和應(yīng)用，并隨著技術(shù)進(jìn)步，目前已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。我國在這寫反面起步比較晚，技術(shù)水平不高，應(yīng)用范圍不廣，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和安全意識的提高，國內(nèi)對起重機(jī)的力矩限制器有了很大的要求。國家技術(shù)監(jiān)督局專門制定和發(fā)布了起重機(jī)的機(jī)械安全裝置技術(shù)規(guī)范，對力矩限制器的功能和性能檢驗等作了嚴(yán)格的規(guī)定。國家勞動部門也正式規(guī)定16噸以上的吊車必須裝備力矩限制器。國內(nèi)現(xiàn)在的起重機(jī)絕大多數(shù)都要安裝力矩限制器，包括一些以有的力矩限制器，由于使用年限太久，系統(tǒng)損壞嚴(yán)重，也需要改裝力矩限制器?？梢妵鴥?nèi)市場需求巨大。國外的力矩限制器價格昂貴，而且很難和國內(nèi)的起重機(jī)配套，售后服務(wù)也不完善。在國內(nèi)，歲有多家單位推出力矩限制器產(chǎn)品，但是由于種種原因，在功能、性能、使用可靠行等反面都沒有達(dá)到令用戶滿意的程度。可以說國內(nèi)起重機(jī)行業(yè)正在迫切呼喚符合國情、性能先進(jìn)、功能完善、工作可靠的新型力矩限制器產(chǎn)品，用以滿足國內(nèi)的生產(chǎn)需求。
1.2力矩限制器技術(shù)概況以及發(fā)展趨勢
目前，國際上起重機(jī)制造行業(yè)主要有格魯夫、加藤、得瑪克、神戶和多田野等十幾家制造商，其產(chǎn)品占據(jù)國際市場的大部分份額。它們大都根據(jù)自己的起重機(jī)產(chǎn)品研制并配套專用的力限器，考察這些產(chǎn)品.基本反映了國外技術(shù)的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀和趨勢。
早期力限器采用全機(jī)械式結(jié)構(gòu)，使用很多的齒輪、凸輪、行程開關(guān)、電機(jī)等，通過這些機(jī)械部件的配合運(yùn)動計算出載荷參數(shù)，并通過模擬指針表來顯示。這種機(jī)械式的采樣及計算、顯示都較粗糙，而且功能單一，設(shè)計、制造、維護(hù)、調(diào)整難度都很多，壽命也較短。這種機(jī)械式的力限器已被淘汰。
日本LS248履帶吊的力限器是70年代末設(shè)計的產(chǎn)品，采用了大量的模擬電路對傳感器信號進(jìn)行處理計算，仍用模擬表顯示，它相對機(jī)械式是個大進(jìn)步，但一定程度上仍存在精度低、設(shè)計維修難度大、易損壞的問題。
進(jìn)入80年代，隨著微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，力限器的設(shè)計水平步入了一個新臺階。如神戶MLS330A型履帶吊力限器，Z80CPU及其它數(shù)字處理技術(shù)，通過A/D變換來完成模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，利用軟件來完成復(fù)雜的技術(shù)工作，系統(tǒng)的集成度和精度都得到了很多的提高。而且通用性好，對于不同型號的同系列起重機(jī)，只需更改相應(yīng)的軟件參數(shù)和傳感器t程。 具有系統(tǒng)自檢功能，當(dāng)系統(tǒng)硬件或工況設(shè)定出現(xiàn)問題時，能及時報替和顯示故障代碼。通常采用數(shù)碼管顯示，撥碼盤設(shè)定工況，手動電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)標(biāo)定。
KATOLS248V型力限器作了進(jìn)一步的改進(jìn)，具有零點記憶功能，當(dāng)顯示載荷零點變動時通過簡單操作即可記憶零點數(shù)據(jù)，及時調(diào)整。還可方便的記憶某工況下空載時不同幅度下的零點數(shù)據(jù)。經(jīng)過內(nèi)部處理分析，可減小摩擦等誤差因素對測量結(jié)果的影響。內(nèi)部電路更具合理性，采用開關(guān)技術(shù)，提高了抗干擾及防護(hù)能力。采用新型高性能單片機(jī)及外圍芯片，性能更穩(wěn)定，功耗更低，系統(tǒng)集成度更高。
GROVE公司的DS359GW型力限器的設(shè)計更突出體現(xiàn)了人機(jī)界面的優(yōu)化。選用點陣字符LCD顯示器，顯示信息兩大 ，強(qiáng)光下讀數(shù)清晰，而且功耗極低。具有各種英文提示，發(fā)生故障時可顯示故障內(nèi)容及處理方法。采用薄膜印刷面板，更加美觀且防水。通過薄膜輕觸按鍵進(jìn)行工況參數(shù)的設(shè)定或操作一向輔助功能，操作靈活、方便。
國內(nèi)的力限器產(chǎn)品開發(fā)較早且有影響的有葛洲壩水電學(xué)院、北京電腦研究所和大連工程機(jī)械研究所。北京電腦所的產(chǎn)品完全仿照日本多田野公司的80年代產(chǎn)品。技術(shù)上缺少創(chuàng)新，而且實踐證明，質(zhì)量不穩(wěn)定，返修率較高。葛洲壩水電學(xué)院的力限器是自行研制的，但據(jù)用戶反映操作很不方便，在改裝情況下經(jīng)常達(dá)不到規(guī)定精度的要求，也存在故障高的問題，第一代產(chǎn)品己經(jīng)大批量生產(chǎn)并有良好的經(jīng)濟(jì)效益，需要在此基礎(chǔ)上開發(fā)更完善、性能更先進(jìn)的第二代產(chǎn)品投入市場。國內(nèi)其他的研究單位在力限器的開發(fā)上還沒有形成一定的規(guī)模，無法參與市場競爭，據(jù)用戶反映，國內(nèi)產(chǎn)品的最主要問題是可靠性問題，在解決可靠性前提下還須提高整機(jī)性能及完善系統(tǒng)功能。
縱觀機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢和潮流，起重機(jī)機(jī)力限器的技術(shù)有以下的發(fā)展方向:
1、在電路設(shè)計上采用最先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和新年優(yōu)異的新型集成電路元?dú)饧?，提高整機(jī)集成度、電氣性能、抗干擾性和故障防護(hù)能力。如采用開關(guān)電源技術(shù)，將電源的輸入與輸出進(jìn)行隔離，有效防止高電壓脈沖對后續(xù)電路的影響，選用可自恢復(fù)的保險絲器件將系統(tǒng)電路分塊保護(hù)，當(dāng)某一部分發(fā)生故障過電流時，自動切斷，故障解除后自動恢復(fù)，使用數(shù)字電位器免除機(jī)械嗓聲等.
2、功能設(shè)計日趨完善，如具有超載記錄功能，當(dāng)發(fā)生超載時，自動記錄時間、日期、工況，以及工作參數(shù)等，可為事故分析和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)提供參考依據(jù).增加檢驗量，如重要液壓回路的溫度、油壓、發(fā)動機(jī)工況等。雖然這些己超出了力限器的限制范圍，但這些參數(shù)也是使用者所關(guān)心的，這可以看作是力限器的外延。
3、 改善人機(jī)接口，采用先進(jìn)的顯示方式 (如 LCD點陣顯示器)，增加顯示信息量，提示更直觀，使用聲音報告代替數(shù)字顯示提高人機(jī)交流的和諧性，設(shè)計更簡便的操作方式，具有靈活的在線動態(tài)標(biāo)定功能，簡化調(diào)試、標(biāo)定工作量。
4、性能進(jìn)一步提高，具有吊重測量動態(tài)修正功能，減少起吊、擺動、 振蕩等對吊重測量精度的影響，考慮結(jié)構(gòu)變形、摩擦力誤差因素，建立更準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和完善的標(biāo)定方式，提高系統(tǒng)精度。
5、在電路設(shè)計上簡化器件的組成，實行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，便于系統(tǒng)的測試、維護(hù)和擴(kuò)展，提高系統(tǒng)的開放性，實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化生產(chǎn)。
1.3課程的主要工作：
課題的基本目標(biāo)是結(jié)合國內(nèi)外力限器的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，針對汽車式起重機(jī)，在已有的力矩限制器的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制功能齊備、技術(shù)先進(jìn)、性能可靠的新一代起重機(jī)力矩限制器。
主要進(jìn)行如下工作:
l、總體方案的研究；
2、語音開發(fā)設(shè)備的初步研究；
3、超載記錄黑匣子的初步研究；
4、系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計:
5、樣機(jī)的調(diào)試：
本設(shè)計的創(chuàng)新點在于可以采用更廣的工況設(shè)定，應(yīng)用范圍十分的寬廣。不僅僅是使用與汽車起重機(jī)。
重點解決如下問題:
1、著眼于完善系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)性能和追求技術(shù)的先進(jìn)性并兼顧經(jīng)濟(jì)性，在此基礎(chǔ)上提出新的總體方案并完成硬件電路的設(shè)計和系統(tǒng)軟件開發(fā):
2、聲音是人類交流的最有效的手段，是人機(jī)接口追求的最高境界；在系統(tǒng)中使用聲音提示操作要點、報告工作狀況和運(yùn)行參數(shù)，提高人機(jī)交流的友好性。
3、為便于事故分析和設(shè)備維護(hù)，設(shè)計黑匣子記錄模塊完整、準(zhǔn)確的記錄超載工況。
4、系統(tǒng)功能的不斷增多導(dǎo)致系統(tǒng)電路的復(fù)雜性上升并影響系統(tǒng)的性能，嘗試簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)設(shè)計的模塊化，便于系統(tǒng)的維護(hù)、擴(kuò)展 。
5、力限器的工作條件惡劣，為保證長期正常工作，對系統(tǒng)的抗干擾性和可 靠性都有很高的要求。這就需要在系統(tǒng)的軟件編寫和硬件設(shè)計上采取許多必要 的手段和措施。
本設(shè)計的優(yōu)點在于：結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低、具有性價比高等特點。
1.4解決方案的選擇
基于所采用的中央處理器的不同，有兩種比較合適的系統(tǒng)總體解決方案，一種是以工業(yè)控制計算機(jī) (PC)為核心，另一種是以 8位或 16位高性能的單片機(jī)為監(jiān)控核心，下面將對它們的優(yōu)缺點分別討論。
1.4.1工業(yè)控制計算機(jī)解決方案
工業(yè)控制計算機(jī)具有特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，所用芯片經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量篩選，整個系統(tǒng)嚴(yán)密密封，適用于惡劣的工作環(huán)境，工作環(huán)境溫度可達(dá)-40℃～+80℃，平均無故障時間達(dá)90,000-230,000小時；無論是硬件還是軟件，都具有優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，完備的開發(fā)手段 ，在升級換代方面更是易如反掌，如要增加內(nèi)存及硬盤的容量，則只要再插上內(nèi)存擴(kuò)展條和更換大容量的硬盤即可，要增加模擬量輸入，開關(guān)量輸出，只要在擴(kuò)展槽內(nèi)插入一塊相應(yīng)的卡即可；工業(yè)控制計算機(jī)具有標(biāo)準(zhǔn)化的總線結(jié)構(gòu)，使其構(gòu)成的測控系統(tǒng)在應(yīng)用軟件方面具有無可比擬的兼容性。系統(tǒng)以工業(yè)控制計算機(jī)為核心，通過某種總線形式的接口板接收傳感器信號并輸出控制信號，顯示器和鍵盤均可采用工控機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。
1、優(yōu)點:
利用工控機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)，通用的操作系統(tǒng)及豐富強(qiáng)大的應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境，可以大大降低系統(tǒng)的開發(fā)時間，提高效率，特別是開發(fā)圖形漢字系統(tǒng)，對于工控機(jī)系統(tǒng)可以說是隨手拈來，這令單片機(jī)+點陣圖形顯示器系統(tǒng)望塵莫及；另一方面由于工控機(jī)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用廣泛，其自身就具有很高的可靠性，而單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性保障則完全依賴于系統(tǒng)設(shè)計者，這不但加重了設(shè)計者的負(fù)擔(dān)，而且所設(shè)計出來的系統(tǒng)的可靠性如何，也令人存有疑問，其對設(shè)計者的能力及知識都有很高要求。
采用工控機(jī)系統(tǒng)可開發(fā)出漂亮美觀的圖形人機(jī)界面，這里系統(tǒng)對于實時性的要求不是很高，我們可以利用目前流行的商用操作系統(tǒng) Windows來做開發(fā)，Windows系統(tǒng)是一個美觀漂亮的圖形化系統(tǒng)，而且有豐富的軟件開發(fā)工具，在它的基礎(chǔ)上開發(fā)一套漢字化的圖形系統(tǒng)是很容易的，而且更可以開發(fā)出效果逼真的起重機(jī)工作過程全真動畫模擬。工控機(jī)系統(tǒng)一方面為我們帶來了性能優(yōu)異的監(jiān)控系統(tǒng)，另一方面更有豐富的資源儲備和極強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展能力，例如如果想要查詢該臺起重機(jī)的工作狀況和歷史信息紀(jì)錄，接上打印機(jī)打印出來或通過移動存儲設(shè)備(如軟盤、U盤、移動硬盤等)復(fù)制固然是很好很輕松的方法，但利用現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，將工地的大型作業(yè)設(shè)備的工控機(jī)連成局域網(wǎng)，在中央監(jiān)視大廳，就可以直接察看了；如果將其接入國際互聯(lián)網(wǎng)，那在世界各地都可以查看了。再如對于起重機(jī)控制系統(tǒng)的一體化趨勢，正如上面提到的工控機(jī)系統(tǒng)完全能滿足要求
2、缺點:
此方案的主要缺點是所需費(fèi)用較高，便攜性能差，再是開發(fā)技術(shù)難度較大。
所需解決的主要難題 :
工控機(jī)接口板的制作。工PC采用三總線的結(jié)構(gòu)形式，主機(jī)板通過擴(kuò)展槽這種開放式的總線體系結(jié)構(gòu)與各種各樣外圍設(shè)備進(jìn)行信息交換，總線的標(biāo)準(zhǔn)主要有 ISA,MCA,STD,EISA,GESA,PCI等，需要選擇使用一種總線(工業(yè)上一般使用ISA總線)，并根據(jù)該總線的機(jī)械及電氣標(biāo)準(zhǔn)制作其接口板。
工控機(jī)接口板驅(qū)動程序的開發(fā)。Windows系統(tǒng)出于系統(tǒng)保密性的考慮，對硬件設(shè)備采取了屏蔽的策略，應(yīng)用程序?qū)τ布O(shè)備的訪問需要通過設(shè)備驅(qū)動程序，編制虛擬設(shè)備驅(qū)動程序是一項艱苦且繁瑣的工作。
1.4.2單片機(jī)解決方案
系統(tǒng)以高性能的八位或十六位單片機(jī)為監(jiān)控核心，通過大屏幕點陣式圖形液晶顯示器向操作者提供用漢字表述的起重機(jī)起升狀態(tài)信息及操作狀態(tài)提示，并可以動畫模擬起重機(jī)工作過程，另外還需解決A/D轉(zhuǎn)換，繼電器輸出控制及操作鍵盤等功能模塊，是一個完整的、規(guī)模較大的單片機(jī)系統(tǒng)。
1、優(yōu)點:
相對于以工業(yè)控制計算機(jī)為核心的方案，該方案的主要優(yōu)點為:
單片機(jī)系統(tǒng)體積小，便攜性能好。功耗低 ，在芯片上集成了更多的功能，如先進(jìn)的模擬/數(shù)字接口、數(shù)字處理功能以及靈巧電源功能等。而且隨著最新的亞微米 CMOS工藝技術(shù)用于單片機(jī)，單片機(jī)的運(yùn)算速度有了很大的提高，與 IPC相比較，速度上的差距越來越小 。
單片機(jī)技術(shù)日臻成熟，前人成功的開發(fā)經(jīng)驗可以大大縮短系統(tǒng)開發(fā)時間。 所需開發(fā)費(fèi)用較低，技術(shù)難度也比前一方案低很多。
2、缺點:
該方案的最大缺點是系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與工控機(jī)方案比較不太理想。
所需解決的主要難題:
系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
經(jīng)過分析比較，我們認(rèn)為從市場的角度出發(fā)，給用戶提供的應(yīng)該是具有極高性價比的產(chǎn)品，在實現(xiàn)基本功能的前提下要讓客戶承受的起，正是基于上述考慮，我們放棄了工控機(jī)的解決方案。而且如果在系統(tǒng)可擴(kuò)展性上做一些文章的話，單片機(jī)解決方案是一個不錯的選擇。單片機(jī)以其高可靠性、高性能比，在工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動化等諸多領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用。
1.5系統(tǒng)可擴(kuò)展行的探討
工業(yè)控制技術(shù)是當(dāng)今世界上發(fā)展速度較快的應(yīng)用技術(shù)之一，受其影響，工業(yè)控制系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成很難保持長期穩(wěn)定不變。為了適應(yīng)不斷進(jìn)步的技術(shù)，必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計上保證其技術(shù)構(gòu)成的靈活性和可擴(kuò)展性。面對日趨激烈的市場競爭，要求我們的起重機(jī)力矩限制器必須能夠在需要的時候重新定義自己的目標(biāo)，在功能上具有一定的靈活性和可擴(kuò)充性。具體的說，當(dāng)用戶提出需要系統(tǒng)監(jiān)測更多的參數(shù)時，我們的系統(tǒng)能采取策略滿足要求。
我們針對系統(tǒng)可擴(kuò)展性提出了兩種解決辦法并分析了適用場合 。
1.5.1集散式控制系統(tǒng)改進(jìn)
傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的集散式控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)，把大量分散的單回路測控系統(tǒng)通過單片機(jī)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，用各種I/0功能模擬代替控制室儀表，利用單片機(jī)實現(xiàn)回路調(diào)節(jié)，工況連鎖，參數(shù)顯示，數(shù)據(jù)儲存等多種功能。由于所有的工作都需要單片機(jī)來控制，這對于作為系統(tǒng)核心的單片機(jī)的性能提出了很高的要求。
傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的DCS系統(tǒng)的可擴(kuò)展性取決于兩方面的因素。一是單片機(jī)自身的性能。隨著電子技術(shù)以及制造工藝技術(shù)的迅猛發(fā)展，各大單片機(jī)制造廠商紛紛推出集成度更高、功能更強(qiáng)大而且與舊有型號的單片機(jī)相兼容的新產(chǎn)品，以方便用戶順利升級，可以說單片機(jī)自身的性能還是有保證的；另一個則是單片機(jī)在系統(tǒng)內(nèi)是否已經(jīng)接近或達(dá)到滿負(fù)荷工作。如果是，那么需要系統(tǒng)添加額外功能時，單片機(jī)就不堪重負(fù)，難以完成任務(wù)；如果系統(tǒng)控制核心的負(fù)荷量太輕，不外乎是兩種情況:一是單片機(jī)的大材小用，說明單片機(jī)的選型浪費(fèi)，這勢必造成不必要的成本開銷；一是系統(tǒng)預(yù)留的功能太多，可能導(dǎo)致為實現(xiàn)這些功能而設(shè)計的接口器件占據(jù)了電路板上的太多位置，而導(dǎo)致系統(tǒng)的體積變得龐大起來。因此對于系統(tǒng)的總體方案設(shè)計人員提出了很高的要求，就是怎樣找到一個最佳的契合點既滿足系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，又兼顧了價格、系統(tǒng)體積因素等。
1.5.2現(xiàn)場總線
現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備與控制室之間的全數(shù)字式、開放的、雙向的通信網(wǎng)絡(luò)。它能夠使用一對簡單的雙絞線給現(xiàn)場設(shè)備供電，并傳輸現(xiàn)場設(shè)備與控制室之間的通信信號?，F(xiàn)場總線的節(jié)點是現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表，這些儀表都遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，按照系統(tǒng)化和開放性要求，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化，并且增加遠(yuǎn)距離操作和就地控制功能。
采用現(xiàn)場總線的最大優(yōu)點是可以大大節(jié)約連接導(dǎo)線和維護(hù)費(fèi)用。同時，現(xiàn)場總線能夠傳送多個過程變量。傳統(tǒng)的4～20mA控制回路一般只能攜帶一個信號，通常稱為過程變量。而采用現(xiàn)場總線后，在傳輸變量過程的同時，儀表的標(biāo)識符和簡單的診斷信息也可一并傳送:數(shù)字信號的精確性是現(xiàn)場總線的又一個優(yōu)點，數(shù)字信號比4～20mA模擬信號分辨率高，因此，可排除過去在模/數(shù)轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的誤差。遠(yuǎn)程維護(hù)在采用數(shù)字通信和現(xiàn)場儀表后也將成為可能。由于現(xiàn)場總線是雙向的，因此能夠從中心控制室對現(xiàn)場智能儀表進(jìn)行標(biāo)定，調(diào)整及運(yùn)行診斷，甚至可在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測。
采用現(xiàn)場總線構(gòu)建系統(tǒng)當(dāng)需要擴(kuò)展功能時，其主節(jié)點上的控制器(相當(dāng)于 DCS中的核心控制器)的任務(wù)量并沒有明顯增加，這一部分工作都被擴(kuò)展到總線上的現(xiàn)場設(shè)備中的智能控制器所分擔(dān)了，主節(jié)點控制器起到的實際上是信息搜集、信息綜合和信息反饋的作用。因此當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展功能，主節(jié)點控制器負(fù)擔(dān)不重，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性主要取決于相應(yīng)現(xiàn)場總線的負(fù)載能力。
值得一提的是，掛接在現(xiàn)場總線上的傳感器、執(zhí)行器等并不是普通的現(xiàn)場設(shè)備，它們都是有微處理器控制的智能現(xiàn)場設(shè)備，從這個意義上來說，智能現(xiàn)場設(shè)備的價格肯定是比普通現(xiàn)場設(shè)備貴一些。對于舊有系統(tǒng)改造，用戶能否接受值得考慮。
現(xiàn)場總線發(fā)展至今，大大小小已有 40余種，每種現(xiàn)場總線技術(shù)基本都有其 自身的技術(shù)特點和傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，如 CAN源于汽車工業(yè)，LONWORKS則大量應(yīng)用于樓宇自動化。同時每一類現(xiàn)場總線技術(shù)均有國際上的大公司為背景和依托 。然而，在起重機(jī)領(lǐng)域尚未有關(guān)于制造商應(yīng)用某種現(xiàn)場總線于控制系統(tǒng)以及某傳感器制造商開發(fā)基于某種現(xiàn)場總線的起重機(jī)相關(guān)的智能傳感器的報道。因此通過現(xiàn)場總線形式構(gòu)建的系統(tǒng)比較適合為各起重機(jī)制造商提供配套開發(fā)。至于具體選擇何種現(xiàn)場總線，自主性相對較大，推出的時間則越早越好，目的是力爭把自己的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)作為整個行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn) 。
2 總體方案的設(shè)計
2.1力距限制器的原理
汽車式起重機(jī)工作時，在不同的仰角及臂桿長度下，對應(yīng)不同的工作幅度， 其額定的起重量是不同的。如果實際起重量小于額定起重量，起重機(jī)的工作是 安全的，否則會出現(xiàn)損壞起重機(jī)部件甚至翻車、斷臂等惡性事故。
根據(jù)取力方式的不同，可以通過多種方式確定某種工況和狀態(tài)下的實際起重量。本系統(tǒng)采用了變幅油缸取力的方式，根據(jù)臂長、仰角、變幅油缸的主壓、背壓確定起重機(jī)的額定起重量和實際起重量。
以油缸取力的汽車式起重機(jī)力限器為例，如圖2-1力距限制器系統(tǒng)的基本組成單元如下:臂長傳感器
處理器系統(tǒng)
鍵盤輸入
角度傳感器
顯示面板
壓力傳感器1
聲音輸出
控制輸出
壓力傳感器2
圖2-1 起重機(jī)力矩限制器系統(tǒng)示意圖
1、微控制器系統(tǒng)
作為力矩限制器系統(tǒng)的核心，其主要功能為:
a?實時對各路傳感器信號進(jìn)行采樣，獲取起重機(jī)的變幅缸壓力、臂桿長度 和臂桿仰角等工作參數(shù)，經(jīng)過計算得出實際起重載荷和允許載荷及負(fù)荷率；當(dāng)負(fù)荷率大于90%時預(yù)報警，大于100%時報警并進(jìn)行強(qiáng)制控制，使起重機(jī)不能繼續(xù)向危險方向動作，如趴桿，伸臂，起升等。
b?通過LCD顯示和語音播報臂桿長度、臂桿角度、工作半徑和起升高度等操作者關(guān)心的參數(shù)，提供友好的人機(jī)界面:完成參數(shù)顯示和工況設(shè)置及調(diào)試標(biāo)定等輔助功能。
c?記錄超載狀況，為起重機(jī)的事故分析和設(shè)備維護(hù)提供參考。
d?實現(xiàn)其它的功能 (如臂桿使伸出的順序控制)，使起重機(jī)的工作符合某些工況下的特殊規(guī)定和安全要求；
2、壓力傳感器
通過檢測變幅油缸上下腔的油壓信號，以計算變幅油缸的推力。
3、臂長傳感器
通過頭部固定在臂桿端部的拉線，將臂桿長度變化轉(zhuǎn)換為傳感器內(nèi)部測定元件角度的變化，以測定檢測臂桿的實際長度。
4、仰角傳感器
安裝在第一節(jié)臂桿上，由重錘帶動角度測定元件轉(zhuǎn)動，以檢測臂桿仰角。
5、連接電纜
將各傳感器及起重機(jī)上車控制盒與力限器主體相連。
2.2力矩限制器的工作流程
2.2.1軟件流程
系統(tǒng)軟件流程如圖2-2所示。開機(jī)后首先進(jìn)行硬件自檢，對內(nèi)存、掉電保護(hù)存儲器、各模擬量、開關(guān)量I/O口進(jìn)行檢查，如果出現(xiàn)硬件故障，則以相應(yīng)代碼進(jìn)行報警。硬件自檢通過后，程序以循環(huán)掃描的方式運(yùn)行。首先讀取鍵盤參數(shù)、起重機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及各傳感器信號；然后由數(shù)據(jù)處理部分根據(jù)各個參數(shù)以及汽車起重機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算處理，將計算得到的結(jié)果及相應(yīng)參數(shù)顯示在液晶顯示器上；最后判斷是否有報警，若有報警則進(jìn)行相應(yīng)報警及制動保護(hù)
圖2-2 系統(tǒng)軟件流程圖
2.2.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2-3示。分為信號采集、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)輸入及顯示、報警制動保護(hù)四個部分。
1、 信號采集部分負(fù)責(zé)采集模擬量信號和開關(guān)量信號。模擬量信號有長度傳感器信號、角度傳感器、變幅油缸上、下腔油壓傳感器信號，這些傳感器信號均為4－20mA電流信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換成為0－4V電壓信號后送到A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809測量。
2、 數(shù)據(jù)處理部分的核心為單片機(jī)AT89S52，各模擬量及開關(guān)量信號經(jīng)過處理后送入單片機(jī)，結(jié)合汽車起重機(jī)的工作狀況和結(jié)構(gòu)參數(shù)，AT89S52計算并顯示出起重機(jī)的臂長、仰角、載重、力矩百分比等參數(shù)；判斷是否有報警及制動保護(hù)信號，并作出相應(yīng)處理。通過鍵盤輸入的各項參數(shù)也由AT89S52處理，并存入可掉電保存的EPROM芯片24C256中。
3、 參數(shù)輸入及顯示部分由一個LED顯示器、一個MAX7219芯片組成。
4、 當(dāng)汽車起重機(jī)處于危險操作狀況時，報警制動保護(hù)部分會為操作員提供聲光預(yù)警。當(dāng)情況緊急時，制動保護(hù)部分會強(qiáng)制停止危險操作，以保證起重機(jī)的安全。
24C256
制動保護(hù)
ADC0809
A/D轉(zhuǎn)換
下腔油壓傳感器
上腔油壓傳感器
角度傳感器
長度傳感器
I/V
I/V
I/V
I/V
LED顯示
AT89S52
鍵盤輸入
報警
圖2-3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
2.3力矩限制器的數(shù)學(xué)模型
由于汽車起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)采用取上下油缸壓力差的方法測載荷時，數(shù)據(jù)處理需要結(jié)合起重機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行，因此，只有建立適合起重機(jī)作業(yè)現(xiàn)場使用的準(zhǔn)確簡潔的數(shù)學(xué)模型，才能既準(zhǔn)確快速測量起重機(jī)的載荷，又能在調(diào)試時快速方便。
如圖2-4所示O為主臂鉸點的中心，C為主臂起升滑輪與起升鋼絲繩切點，B為變幅油缸上鉸點，D為變幅油缸下鉸點；OA為主臂臂長，BD變幅油缸長度，AC為起升鋼絲繩長度，OC為主臂鉸點到起升滑輪與鋼絲繩切點距離；α角為主臂與水平面夾角，γ角為OC與水平面的夾角；mg為重物重量,N為主臂自重，T為起升鋼絲繩拉力。
圖2-4汽車起重機(jī)示意圖
由圖2-4分析可知：
（n為鋼絲繩倍率）
設(shè) 則
設(shè)，其中k為傳感器的信號電流與對應(yīng)量的比值，I為下油缸
Q
此時
掉鉤勻速運(yùn)動一周。記錄各個角度下的
其中
油缸下鉸點到主臂鉸點的水平距離
油缸下鉸點到主臂鉸點的垂直距離
油缸上鉸點到主臂鉸點的水平距離
油缸上鉸點到主臂鉸點的垂直距
2.4力矩限制器的調(diào)試
第一步：測量起重機(jī)各個結(jié)構(gòu)參數(shù)并輸入系統(tǒng)。
第二步：空載調(diào)試?？蛰d調(diào)試時，根據(jù)起重機(jī)性能表，在臂長固定在某一值的情況下使主臂不吊重物做勻速圓周運(yùn)動，記錄下各個角度下的上下油缸傳感器的空載電流差值。由于汽車起重機(jī)運(yùn)行過程中臂長和仰角均是變化的，所以需記錄多節(jié)臂長下的空載電流值，中間臂長的空載電流值以線性插值推得。
第三步：傳感器重量系數(shù)k調(diào)試。起重機(jī)起吊一標(biāo)準(zhǔn)重塊，在某一臂長和角度下記錄上下油缸傳感器的電流差值，然后根據(jù)公式1算得重量系數(shù)k。
起重機(jī)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)根據(jù)測量到的臂長、仰角、上下油缸傳感器信號差值，結(jié)合公式即可算得所吊重的重量。
3 系統(tǒng)硬件方案的設(shè)計
3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計概述
24C256
制動保護(hù)
ADC0809
A/D轉(zhuǎn)換
下腔油壓傳感器
上腔油壓傳感器
角度傳感器
長度傳感器
I/V
I/V
I/V
I/V
LED顯示
AT89S52
鍵盤輸入
報警
圖3-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖
本著簡化系統(tǒng)組成、提高系統(tǒng)先進(jìn)性與可靠性以及模塊化設(shè)計的原則，在實現(xiàn)預(yù)定功能、滿足系統(tǒng)的要求的前提下，大量采用了串行接口的電路完成系統(tǒng)的功能要求。
3.2前向通道的設(shè)計
前向通道是被測對象與測控系統(tǒng)的聯(lián)系通道，是原始參數(shù)輸入通道。它將獲自傳感器的信號變換處理并以一定的方式傳送至CPU，是被測對象與單片機(jī)系統(tǒng)之間一座必不可少的橋梁。它主要有信號拾取電路、信號調(diào)節(jié)電路和信號變換電路等幾部分組成。
圖3-2系統(tǒng)顯示操作面板
工況
自檢
電源
力矩百分比條形碼
主臂臂長
主臂仰角
額定吊重量
工作幅度
最大起升高度
日期時間
聲音
實際吊重量
時間調(diào)整
切換
標(biāo)定
確認(rèn)
3.2.1信號的拾取、變送
1、臂長、仰角信號的拾取、變送
圖3-3 角度信號轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)示意圖
圖3-4 長度信號轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)示意圖
如上圖3-3、3-4，為仰角和臂長的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)示意圖。工作時，仰角的變化轉(zhuǎn)換成為電位器角度的變化；臂桿伸縮通過拉線使卷線盤轉(zhuǎn)動，經(jīng)過齒輪減速到電位器軸上，臂桿長度的變化轉(zhuǎn)換為電位器的角度變化。角度傳感器實際使用量程為0°～90°，長度傳感器的最大量程為30米。角度和長度傳感器中的電位器信號如果通過長線直接傳送到主機(jī)，由于以微弱的電壓信號傳輸，容易收到外界電磁場的干擾，線路內(nèi)阻對精度也有影響。在本系統(tǒng)中，采用了兩線變送方式，使用 4-20mA 的信號傳輸，變送示意圖
圖 3-5信號變送示意圖
2、壓力信號的拾取變送
壓力測量在工業(yè)、航空、航天、汽車、氣象、海洋、醫(yī)療等方面有大量的應(yīng)用，利用壓力可以測量液體、水的高度和壓力，可以測量血壓、氣體質(zhì)量和重量等參數(shù)。
壓力有絕對壓力，表壓力，負(fù)壓力（真空度）和差壓等多種。絕對壓力是指被測物體的單位面積上承受的全部作用力。地球表面承受大氣形成的壓力叫大氣壓力，絕對壓力與大氣壓力之差稱為表壓，工業(yè)上常用的壓力表就是用來測量表壓的。絕對壓力小于大氣壓力的值稱為負(fù)壓力（真空度），常用真空表來測量。而二個壓力的差值為差壓。
壓力（又稱壓強(qiáng)）的單位是帕（Pa），1帕=1牛/米2，常用千帕（KPa），兆帕（MPa）表示，工業(yè)上使用的壓力單位有Kg/cm2和mmHg，mmHg幾種，它們之間的關(guān)系見表3-1：
表3-1
單位
Pa(帕)
Kg/cm2
atm(大氣壓)
MmHg
MmH20
1Pa
1
1.0997*105
9.869*10-6
7.500*10-3
0.10197
1Kg/ cm2
9.80665*104
1
0.96784
735.559
104
1mmHg
1.333*102
1.359*10-3
1.316*10-3
1
13.595
1mmH20
9.806375
0.999*10-4
0.962*10-4
7.35*10-2
1
a.電容式壓力傳感器
利用被測壓力使金屬膜片之間的距離減少，電容量增加的原理制成的，其結(jié)構(gòu)如圖3-7所示
b.硅壓阻式壓力傳感器
硅壓阻式壓力傳感器是利用的壓阻效應(yīng)制成的新型壓力傳感器，在一塊單晶硅的基片上用擴(kuò)散工藝制成的應(yīng)變元件，在應(yīng)變元件受到壓力的作用，引起電阻值產(chǎn)生變化，在Ｎ型硅品片上形成四個阻值相等的電阻條，構(gòu)成一個惠斯電橋，特點是體積小，系數(shù)度高，測量范圍寬，精度高。
圖3-7
本文壓力信號的獲取、變送使用了集成壓力傳感器模塊，它使用9～40VDC的激勵電壓，輸出 4～20mA，采用兩線變送方式。
3.2.2信號的變換
在實測量和控制系統(tǒng)中常會遇到時間、數(shù)值都連續(xù)變化的物理量。這種連續(xù)變化的物理量，稱之為模擬量，例如溫度、壓力、流量等都屬于模擬量，與此對應(yīng)的電信號是模擬電信號。顯然，模擬量要輸入到計算機(jī)，首先要經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換（簡稱A/D轉(zhuǎn)換），計算機(jī)才能接受處理。實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的設(shè)備稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC，A/D轉(zhuǎn)換器實際上是計算機(jī)的一個輸入設(shè)備。
從各個傳感器獲得的信號經(jīng)調(diào)節(jié)后是1～5V的電壓模擬量。模擬量必須由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，CPU才能處理。A/D轉(zhuǎn)換電路種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理可分為逐次逼近式、雙積分式、并行式、跟蹤比較式、串并式、電荷平衡式等。目前使用最多的是前三種。其中并行式A/D是一種用編碼技術(shù)實現(xiàn)的高速A/D轉(zhuǎn)換器，其速度最快（轉(zhuǎn)換速度在20ns～50ns之間）價格也很高，一般用于高速度場合。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器在精度、速度和價格上適中，是目前最常用的A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好、價格低廉等優(yōu)點，但速度較慢，經(jīng)常用于速度要求不高的場合。
在A/D轉(zhuǎn)換器件的選擇中，首先搞清楚關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換器的幾個指標(biāo)量概念：
1、 分辨率
分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為滿刻度電壓與2n之比值，其中n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，例如一個8位A/D轉(zhuǎn)換器其分辨率為滿刻度1/28，若滿刻度電壓為5V，則能分辨率的最小電壓值為5/28=20mv。
2、 量化誤差
量化誤差是由于A/D轉(zhuǎn)換的有限數(shù)字對模擬數(shù)值進(jìn)行離散取值（量化）而引起的誤差，量化誤差一般為±1/2LSB（LSB：Least Significant Bit）是數(shù)字量的最小有效位所表示的模擬量，提高分辨率可減少量化誤差。量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的。
3、 轉(zhuǎn)換精度：
A/D轉(zhuǎn)換精度指出了一個實際A/D轉(zhuǎn)換在量化值上與理想A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的差值，可以用兩個方式來表示：
①絕對精度：用最低位（LSB）的倍數(shù)表示，如±1/2LSB等。
②用絕對精度除以滿量程值的百分?jǐn)?shù)來表示。
4、 轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換速率
轉(zhuǎn)換時間為完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從輸入端加入信號到輸出端出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)碼的時間轉(zhuǎn)換時間越短，適應(yīng)輸入信號快速變化能力越強(qiáng)。
轉(zhuǎn)換速度是轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)，如轉(zhuǎn)換時間長，則表示轉(zhuǎn)換速度低。各種結(jié)構(gòu)類型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間有所不同，轉(zhuǎn)換時間最短的為全并行A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為5～50ns，其次是逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為0.4s，再次為逐次逼近型，較慢的是雙積分式。
逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是種類最多、應(yīng)用最廣的A/D轉(zhuǎn)換器。本文根據(jù)場合等綜合考慮選用的A/D轉(zhuǎn)換器就是ADC0809芯片。
3.2.3 ADC0809簡介
ADC0809是一種8路模擬輸入8路數(shù)字輸出的的逐次逼近法A/D器件。
1、 主要技術(shù)指標(biāo)和特性
分辨率：8位。
轉(zhuǎn)換時間：取決于芯片時鐘頻率，轉(zhuǎn)換一次時間為64個時鐘周期，當(dāng)CLK=500kHz時，轉(zhuǎn)換時間，最大允許值為800kHz。
單一電源：+5V。
模擬電壓輸入范圍：單極性0～5V；雙極性±5V，±10V。
l 具有可控三態(tài)輸出鎖存器。
啟動轉(zhuǎn)換控制為脈沖式（正脈沖），上升沿使內(nèi)部所有寄存器清零，下降沿是A/D轉(zhuǎn)換器開始。
ADC0809的引腳和結(jié)構(gòu)
ADC0809的引腳和內(nèi)部邏輯框圖分別位于圖3-8和圖3-9。它內(nèi)部除A/D轉(zhuǎn)換部分外，還有模擬開關(guān)部分。
圖3-8 ADC0809各引腳
圖3-9 ADC0809結(jié)構(gòu)框圖
各引腳定義如下：
l ：8路模擬量的輸入端。
l ：A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)控制端，為三態(tài)可控輸出，可以直接與計算機(jī)數(shù)據(jù)線相連。
l A、B、C：模擬量輸入通地址選擇端，A為低位，C為高位。
l 、：基準(zhǔn)電壓參考端，決定了輸入模擬量的量程范圍。
l CLK：為時鐘信號輸入端，決定了A/D轉(zhuǎn)換的速度，時鐘信號輸入范圍為50kHz~800kHz.
l ALE：地址鎖存允許信號，高電平有效。當(dāng)此信號有效時，A、B、C三位地址信號被鎖存，譯碼選通對應(yīng)模擬通道。
l SC：為啟動轉(zhuǎn)換信號，正脈沖有效。通常與系統(tǒng)信號相連，控制啟動A/D轉(zhuǎn)換。
l EDC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，高電平有效。表示一次A/D轉(zhuǎn)換已完成，可作為中斷觸發(fā)信號，也可以用程序查詢的方法檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。
l OE：輸入允許信號，高電平有效?？膳c系統(tǒng)讀選通信號相連。當(dāng)計算機(jī)發(fā)出次信號時，ADC0809三態(tài)門被打開，此時可以通過數(shù)據(jù)線讀到正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
多落模擬開關(guān)最多允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。
8路模擬開關(guān)的切換由地址鎖存和譯碼電路控制，3根地址線與A、B、C引腳直接相連，通過ALE鎖存。改變不同的地址，可以切換8路模擬通道，選擇不同的模擬量輸入，其通道選擇的地址編碼見表3-1
A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器輸出，所以在系統(tǒng)連接時允許直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。
表3-2通道地址表
地址編碼
被選中的通道
C
B
A
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
ADC0809的工作時序見圖3-10
圖3-10 ADC0809的工作時序圖
2、 ADC0809與AT89S52單片機(jī)接口
圖3-11是ADC0809與AT89S52單片機(jī)的連接示意圖，8路模擬輸入量的變化范圍是。ADC0809的EOC用作外部中斷請求源，用中斷方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。AT89S52通過地址線P2.0和讀、寫線、來控制轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道地址鎖存、啟動和轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。模擬輸入通道地址的譯碼輸入A、B、C由提供，經(jīng)地址鎖存輸出后與A、B、C相連。
在圖中，將ADC0809作為一個外擴(kuò)的并行接口，采用線選法，由P2.7和 、 作為啟動轉(zhuǎn)換START 和ALE 的信號，低三位地址線與ADDA，ADDB和ADDC連接，所以IN0通道的地址為7FF8H。啟動A/D轉(zhuǎn)換的過程如下：
A、選中通道號。
B、啟動A/D，即執(zhí)行一條“MOVX @DPTR，A”時，產(chǎn)生信號，使ALE，START 有效。鎖存通道號并啟動A/D轉(zhuǎn)換。
C、等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束：EOC 端發(fā)出一正脈沖，申請中斷，表示A/D結(jié)束。
D、讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)：在中斷服務(wù)程序中，執(zhí)行“ＭＯＶX Ａ，＠DPTR”指令產(chǎn)生信號，使OE有效打開三態(tài)門，8位數(shù)據(jù)便讀入到CPU中。
ADC0809各模擬輸入通道的定義如下：
：長度模擬信號通道
：角度模擬信號通道
：上鉸壓力信號通道
：下鉸壓力信號通道
3.3基本系統(tǒng)的實現(xiàn)與擴(kuò)展
3.3.1 單片機(jī)系統(tǒng)的組成
一個單片機(jī)系統(tǒng)可看作是由單片機(jī)最小系統(tǒng)+外圍擴(kuò)展組成。最小系統(tǒng)包括 CPU、程序、數(shù)據(jù)存儲器、I/0接口及相應(yīng)的連接等運(yùn)行程序必要的資源，其中CPU是核心。根據(jù)系統(tǒng)所需要的功能，在最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展相應(yīng)的功能， 如A/D,PWM等，構(gòu)成一個單片機(jī)系統(tǒng)。
圖3-11 ADC0809與AT89S52單片機(jī)的連接示意圖
隨著單片機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，單片機(jī)的種類越來越多，單片機(jī)內(nèi)部集成的功能也越來越多，單片機(jī)本身的功能己超出了一個最小系統(tǒng)的應(yīng)具備的功能。 選擇不同的單片機(jī)，系統(tǒng)的外圍擴(kuò)展也不同，甚至不需要擴(kuò)展。同時，隨著單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，系統(tǒng)的外圍擴(kuò)展方法也在改變，串行擴(kuò)展的應(yīng)用在逐步增多。
3.3.2 幾類流行微控制器的介紹與最小系統(tǒng)的組成
1、幾類流行微控制器的介紹
隨著微控制器應(yīng)用日益廣泛，微控制器的種類也越來越多。各種微控制器各具特點，各具優(yōu)勢。選擇一種合適的單片機(jī)將會提高系統(tǒng)性能、減少開發(fā)工作、降低成本、提高競爭力。下面對國內(nèi)幾類比較流行的單片機(jī)的主要特點作以比較。
PHILIPS，在 MCS-51的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展 8OC51單片機(jī)，它的 CPU全部采用8051內(nèi)核，指令系統(tǒng)與8051兼容。PHILIPS把原在片外的許多功能模塊集成在片內(nèi)；片內(nèi)可以選用不同類型、不同型號的存儲器；除了標(biāo)準(zhǔn)UART外，還有增強(qiáng)DART, 總線、CAN總線、ACESS BUS等多種串行接口可供選擇。
MOTOROLA系列的單片機(jī)從90年代開始，應(yīng)用逐步增多，目前市場占有量第一。它實行CSIC(Customer Specifide Integrated Circuit)，根據(jù)用戶的需要確定單片機(jī)的功能；使用HCMOS工藝，具有價格低、集成度高、高速、低功耗等特點；同8051相比，執(zhí)行速度差不多的情況下，68HC05/11時鐘頻率； 只有8051系列的三分之一，因此可以更有效地降低噪聲和提高系統(tǒng)的抗干擾能力；MOTOROLA單片機(jī)的工作電壓允許范圍為 3～6伏，容易滿足系統(tǒng)可靠地工作。
MICROCHIP(微晶)單片機(jī)以RISC獨(dú)樹一幟，在某些專用領(lǐng)域有著獨(dú)特優(yōu)點。它采用RISC技術(shù)，節(jié)省一半以上的程序空間和兩倍以上的執(zhí)行速度；提供OTP型產(chǎn)品，實現(xiàn)產(chǎn)品上市的零等待；接口方式豐富，片內(nèi)集成了模擬比較器、A/D,PWM輸出等，采用串行總線接口，如,SPI等；另外還具有高速、低功耗和工作電壓范圍寬等特征。
2、最小系統(tǒng)的構(gòu)成
通常，單片機(jī)最小系統(tǒng)由CPU,ROM,RAM、譯碼電路、I/O口組成，一個最小系統(tǒng)至少需要 6片 IC。除了使用上述獨(dú)立器件組成系統(tǒng)外，IC廠家近年生產(chǎn)了很多高集成度的芯片，使最小系統(tǒng)的構(gòu)成大大簡化。
a.使用自帶大量 ROM和 RAM 的微處理器直接構(gòu)成最小系統(tǒng)。如以上介
紹的單片機(jī)都有多種型號可直接構(gòu)成各種功能的最小系統(tǒng)，其它功能如A/D,監(jiān)控電路也可在一起集成。
b.采用 CPU+PSD器件構(gòu)成最小系統(tǒng)。PSD是WSI公司開發(fā)的高性能可編程微處理器外圍芯片，它把 EPROM,RAM,PLD、地址譯碼鎖存器和I/O 口集成在一片IC上，功能極為強(qiáng)大，可以和任何總線型單片機(jī)接口；可并聯(lián)或級聯(lián)使用；具有加密功能；I/O口線可按位任意配置。
3.3.3最小系統(tǒng)的外圍擴(kuò)展
根據(jù)需要，一般需要在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展特定的功能，如A/D、時鐘、 顯示等，滿足系統(tǒng)的需要。外圍器件的擴(kuò)展可分為并行擴(kuò)展和串行擴(kuò)展兩種。 傳統(tǒng)設(shè)計中，以并行三總線 (地址、數(shù)據(jù)、控制總線)擴(kuò)展為主。隨著一個系統(tǒng)的功能越來越多，系統(tǒng)構(gòu)成越來越復(fù)雜，必然要求有新的解決方法。一方面，可以尋求最大程度的功能集成的集成電路，減少外圍器件的數(shù)量；另一方面，使用串行總線擴(kuò)展系統(tǒng)的一部分功能，減少系統(tǒng)的連接。
3.3.4微控制器系統(tǒng)構(gòu)成的實用考慮-- AT89S52
一種微控制器的選擇需要從多個方面考慮，首先，各種方案都有其優(yōu)缺點，必須根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，在滿足功能要求的前提下，優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)成；其次，要想使用某種微控制器設(shè)計好一個系統(tǒng)，必須對這種微控制器本身及其系統(tǒng)比較熟悉；最后，開發(fā)設(shè)備和產(chǎn)品的供貨渠道以及成本要求也確定能否采用某種產(chǎn)品。
綜合以上考慮，本系統(tǒng)中使用了AT89S52單