第三章 系统软件设计 15
附 录2 PCB图
第一章 绪论
1.1 起重机超载限制器的介绍
起重机超载限制器（Crane Overload Limiter）[2]汽结构是一种重要的起重机超载保护装置。它主要装备在汽车吊、轮胎吊和履带吊等大型起重机上。通过系统内的传感器对起重机的关键工作参数进行实时检测，经过分析计算和数据处理得到结果并结合起重机的当前工况进行判断：当实际载荷接近起重机的非安全工作范围时，系统预报警。超过非安全工作范围时，系统报警并自动进行安全保护控制，禁止起重机向危险方向动作。
1.2 国内外超载限制器的发展
伴随微电子技术、计算机技术、智能仪表技术及传感器技术的迅速发展，现今起重机用户己不满足于起重机仅仅拥有载荷、超载限制功能，他们希望获得更多关于起重机工作状态的准确信息，包括起升高度、风速、起升角度、工作幅度甚至钢丝绳状况、油温、振动情况等信息，基于上述原因，起重机超载限制器的功能不断得到延伸，信息集成度更高也更加人性化。
国外许多起重机制造商对起重机超载限制器的研究和应用较早，目前已达到较高水平。我国在这方面的工作起步较晚，技术水平不高，应用范围不广。但随着社会经济的发展和安全管理意识的提高，国内起重机的制造商和用户对起重机超载限制器产生了很大需求。国家技术监督局专门制定并发布了《起重机安全规程》（GB 6067-1985），《起重机械超载保护装置安全技术规范》（GB 12602-1990），《臂架型起重机起重力矩限制器通用技术条件》（GB 7950-1999）等国家标准，要求各类起重机械装备载荷、超载限制，并对超载限制器的功能、性能检验等进行了严格规定。国家劳动和社会保障部也规定16t以上的起重机必须装备起重机超载限制器。国内现有的起重机械除近年来进口的较先进的起重机，绝大多数都需要加装起重机超载限制器。一些己有超载限制器的起重机，由于过年限使用以及系统损坏等问题，也需要改装起重机超载限制器。由此可见，国内市场需求巨大。然而
国外的起重机超载限制器价格昂贵，而且与国产起重机的配套困难。国内的研究人员在超载限制器的国产化道路上进行着工作，也取得了一定的成果，但在产品的稳定性以及可靠性上还有待提高。可以这样讲，国内起重机行业正在迫切呼唤符合国情、性能先进、功能完善、工作可靠的新型起重机超载限制器产品，以满足内需。
第二章 系统硬件设计
2.1系统方框图
系统主要由主机部分、报警制动保护、状态信息存储、控制盒及显示部分等组成，图2-1为系统组成框图。
2.2系统硬件设计概述
A/D转换器选用ADC0809，系统主机选用89C51单片机，数码显示部分选用BS212共阳数码管，音响部分选用一片KD9561。
硬件系统上电工作后，来自压力（拉力）传感器的微弱电信号（约20μV）经滤波电路后送到ADC0809进行A/D转换，ADC0809送出的8位信号一起送到89C51单片机的P1口，89C51根据P0口来的信号进行处理判别后送LED显示。若采集到的物重达到或超过额定值的90%，则由P2.5送出低电平驱动声光预警电路。若采集到的物重达到或超过额定值的105%，超载技术单元加1，由P2.6送出低电平，驱动声光报警电路，并由继电器切断起重机电源。 硬件电路图见附录。
2.3各子电路的简介
2.3.1电源电路
图2-2 电源电路
220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路整流桥整流和滤波电容滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805氧气调节阀的稳压和;滤波电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。
2.3.2 传感器电路
半导体的压阻效应 ：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为
压阻效应。
半导体材料的压阻效应特别强。
压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。
因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。
主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍,
温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。
图2-3 压阻式压力传感器结构简图
1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片
采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜
工作原理 ： 膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。
四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。
优点： 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。如图2-4为压阻式传感器电路图。
图2-4 压阻式传感器
2.3.3 A/D转换电路
A/D转换器芯片ADC0809简介 8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。图2-5为ADC0809引脚图。
图2-5 ADC0809引脚图
ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入8位数字量输出的A/D转换器。
对ADC0809主要信号引脚的功能如下：
IN7～IN0--模拟量输入通道。
太阳能沼气 ALE—地址锁存允许信号。对应ALE跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
START上升沿时，START--转换启动信号复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时节简写为ST。
A、B、C—地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA,ADDB和板式换热器选型ADDC。
CLK—时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常实用频率为500Khz的时钟信号
EOC—转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。实用中该状态信
号即可作为查询的状态标志，又可作为中断信号使用。
D7～D0—数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。
OE—输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。
VCC—+5V电源。
VREF—参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V（Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V）
2.3.4复位电路及振荡时钟电路
计算机在启动运行时都需要复位，复位使中央处理器CPU和系统中的其他器件都处于一种初始状态，并从这个初始状态开始工作。89C51单片机有一个复位引脚RST[4]。 RST(RESET)是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。为了可靠的复位，复位时间都在10ms以上。当RST引脚为低电平时，单片机退出复位，CPU从初始状
态开始工作[3]。
此次设计的复位电路为上电自动复位电路，如图2-6所示。
对于89C51单片机，在RST复位引脚端接一个电容至+5V和一个电阻至地端，就能实现上电自动复位。在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在复位端引脚上产生一定时间的高电平信号，只要高电平信号时间足够长就可以使89C51单片机有效地复位。
图2-6 复位电路及振荡时钟电路
单片机必须在时钟的驱动下才能工作。89C51单片机内部有一个时钟振荡电路，只需外接振荡源，就能产生一定频率的时钟信号送到单片机的各个单元，决定单片机的工作速度。
图2-6就是内部时钟工作方式的原理图，这是一种常用的方式。这种方式是内接振荡源，一般选石英晶体振荡器。此电路在加电后延迟大约10ms振荡器起振，在无尘涂装XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率决定。电路中的两个电容有两个作用，一是帮助振荡器起振，二是对振荡器的频率起微调作用。
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