基于单片机制作的起重量限制器 课程设计报告

课程设计报告
项目名称：基于单片机制作的起重量限制器所属课程：智能仪器设计
设计日期：
班级
学号
姓名
指导教师
成绩
课程设计报告说明
一、写报告前，请认真阅读《课程设计报告说明》。

二、打印装订要求
1、一律用A4纸，双面打印，并左侧装订，一式1份，并同时上交电子版（电子版上传邮箱123244441@）。

《课程设计报告说明》页也打印。

2、课程设计概述部分占一页；课程设计内容长度根据实际需要填写；结论和指导教师评语及成绩单独占一页。

保证打印格式工整。

三、报告内容要求
1、课程设计目的结合实际自己写，不要雷同
2、课程设计要求按下发的设计题目写
3、课程设计原理简要说明所完成课程设计项目所涉及的理论
知识
4、课程设计内容这是课程设计报告极其重要的内容。

概括
整个课程设计过程。

（最好在上述内容基础上画出相应的流程图、设计思路和设计方法，再配以相应的文字进行说明。

）
一、课程设计概述
1、课程设计目的
用所学知识结合实际基于单片机制作起重量限制器，核心处理器是C8051F340单片机，传感器采用拉力传感器。

系统只需要外界220V电源，实现了最大量程20T和运行、密码、检测、零点、标定、额重、超载的设定、报警及控制等功能。

2、课程设计要求
1) 按键：功能之间的切换、数码管间切换、调节增加、调节减小。

2) 数码管：4位数码管所有数据都保留小数点后一位。

3) 量程：安全量程是最大量程的90%，预警量程是最大量程的100%，超载量程是最大量程的105%；最大量程20T。

4) 功能：运行、密码、检测、零点、标定、额重、超载。

5) 界面：
（1）运行界面：正常运行。

（2）输入密码。

（3）进行AD采样。

（4）显示所测重量。

（5）判断是否有预警 /超重
6) 灯：运行、预警、继电器的控制。

7) 喇叭：报警频率不一样。

3、课程设计原理
（1）单片机的管脚与对应外部电路的连接，利用单片机处理输入输出数据。

（2）拉力传感器的使用，通过处理电路将信号转换成单片机可以处理的信号。

（3）数码管位选驱动使用的是4个PNP型8550三极管进行控制；驱动数码段选的是ULN2803芯片
（4）调解部分是通过按键进行参数的调节。

（5）显示部分使用的是0.4寸四位共阴数码管型号为SR420501。

（6）程序的设计，理清控制先后顺序和逻辑，利用C51语言进行设计，绘制流程图。

（7）电源的转换，首先是利用变压器将220V的交流电变压成6V的交流电，然后通过桥式整流送到LM7805进行变压成5V。

因为CPU供电是3.3V，所以在此必须做一个5V变成3.3V的电源。

（8）功率驱动环节采用继电器驱动。

二、课程设计内容
一、硬件设计
1，原理设计
1.1系统基本原理
图1-1 起重量限制器系统构成
系统组成如图1-1所示，整个系统是在系统软件控制下工作的。

仪表通电后，在称重过程中由货物重量经荷重传感器的信号转换，输出相应的毫伏电压，这个微弱信号通过运算放大器放大和标度变换转送A/D转换器。

本系统的A/D转换器采用了V/F型积分转换器，它将输入的模拟信号转换成相应的以脉冲序列方式的频率输出。

单片机C8051F340严格控制每一次采样时间，保持每一次计数的闸门时间间隔的一致性。

单片机通过应用程序,把当次的采样频率f进行标度转换形成显
示器可使用的串行代码数据。

在测量荷重期间，系统可随时接受人机对话请求。

人机对话仅通过键盘接受校正值。

校正有两个内容，其一，“零点校正”，按“设置”键，将空负荷下的采样值记录下来存入EEPROM型号为24LC02B；其二，“斜率校正”，将标准重量（砝码）作为秤重对象放入托盘，按“校正”键，单片机将采样值记录下来并通过计算将新的斜率存入EEPROM型号为24LC02B。

1.2拉力传感器的基本原理
拉力传感器又叫电阻应变片，其工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。

金属导体的电阻值可用下式表示：R=ρL/S
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）
S——导体的截面积（cm2）
L——导体的长度（m）
以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。

当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。

只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变压力。

2，具体模块设计
2.1CPU
CPU选择使用Silicon Laboratories公司的C8051F340单片机，Silabs 公司的C8051F340 作为核心控制器,在搭配该公司的CP2200 以太网控制芯片可完成工业以太网产品开发。

结构如图2-1所示。

C8051F340 单片机主要特性：
(1)MCU 为美国Silabs 公司C8051F340,64KB FLASH、(4096+256)B RAM、最高48MIPS 执行速度;
(2)2 路10 位AD 输入,AIN1 到AIN2 输入信号量程0到+24.4V;
图2-1 CPU
2.2拉力传感器
图2-2 传感器内部电路
拉力传感器又叫电阻应变式传感器，隶属于称重传感器系列，是一种将物理信号转变为可测量的电信号输出的装置，它使用两个拉力传递部分传力，在其结构中含有力敏器件和两个拉力传递部分，在力敏器件中含有压电片、压电片垫片，后者含有基板部分和边缘传力部分。

弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把
这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

拉力传感器的优点是精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。

因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。

根据产品的外形还有安装、原理的因素，我选择CLF-L5拉力传感器。

用途与特点：典型板环式结构，精度高、动态效应好，安装方便,抗偏载能力强。

经过良好的防潮密封处理,适应各种起重吊装的恶劣工作环境。

参数指标
额定载荷：2～50t ; 综合精度：0.05～0.1 ; 灵敏度：2.0 mV/V；
蠕变：±0.05～±0.1％F·S/30min ; 零点输出：±1％F·S；
零点温度影响：±0.05～±0.1％F·S/10℃；
输出温度影响：±0.05～±0.1％F·S/10℃；
工作温度：-20℃-＋65℃；
输入阻抗：370±5Ω；
输出阻抗：350±3Ω；
绝缘电阻＞5000MΩ；
安全过载：150％F·S；
供桥电压：建议10VDC；
材质：合金钢。

2.3显示部分
显示部分使用的是0.4寸四位共阴数码管型号为SR420501。

数码管选用四位共阴数码管，位选由三极管控制，段选使用ULN2803达林顿管控制，这样可以增加数码管的亮度。

对于ULN2803的使用很简单，就是一个反相器，所以在使用的时候只要理解好反相器的使用。

电阻是限流的作用。

显示部分电路如图2-3所示：
图2-3 显示部分
2.4驱动部分
2.4.1数码管显示段选驱动
驱动数码段选的是ULN2803芯片，结构如图2-4-1所示。

高电压大电流达林顿晶体管ULN2803，采用AP=DIP18,AFW=SOL18封装方式。

八路NPN达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业用和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载中。

所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。

ULN2803的设计与标准TTL系列兼容，而ULN2804 最适于6至15伏高电平CMOS或PMOS。

电路连接如图2-3右下角所示。

参数指标
封装类型:AP=DIP16,AFW=SOL16；
输出击穿电压: 50(V)；
输出电流: 500(mA)；
输入电阻 :2.7k(Ω)；
推荐输入电压:5(V)；
温度范围:-40℃～+85℃。

图2-4-1 ULN2803
2.4.1数码管显示位选驱动
位选使用的是4个PNP型8550三极管进行控制，它是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管。

电路连接如图2-3左上角所示。

参数指标
类型:开关型；
极性:PNP；
材料:硅；
最大集电极电流(A):0.5 A；
直流电增益:10 to 60；
功耗:625 mW；
最大集电极发射电压（VCEO）:25；
频率:150MHz。

2.5按键调节部分
按键调节部分是通过3个按键进行参数的调节，选用的是四角按键因为四脚比较稳定。

通过按键按下给单片机一个低电平，只要单片机接收到了一个低电平的信号单片机就会做出相应的动作。

机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。

其抖动过程如图2-5-1所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5 10 ms。

图2-5-1 键操作和键抖动
在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。

为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。

这一点可从硬件、软件两方面予以考虑。

在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。

1.硬件消抖：
图2-5-2硬件消抖电路
在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路。

图2-5-2是一种由R-S触发器构成的去抖动电路，当触发器一旦翻转，触点抖动不会对其产生任何影响。

软件上采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个10 ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态。

同理，在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确
认，从而可消除抖动的影响。

2.编制键盘程序：
键盘控制程序具备以下功能：
（1）检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。

（2）有可靠的逻辑处理办法。

每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。

（3）准确输出按键值（或键号），以满足跳转指令要求。

2.6电源部分
图2-6电源模块
电源首先是利用变压器将220V的交流电变压成6V的交流电，然后通过桥式整流送到LM7805进行变压成5V。

因为CPU供电是3.3V，所以在此必须做一个5V 变成3.3V的电源。

2.6.1 UA7805稳压芯片
图2-6-1 UA7805稳压芯片使用电路
UA7805是常见的三端稳压集成电路。

三端IC是指这种稳压用的集成电路，
只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

连接电路如图2-6-1所示。

2.6.2 AMS1117-
3.3芯片
AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。

在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低. AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。

AMS1117器件引脚上兼容其他三端SCSI稳压器，提供适用贴片安装的
SOT-223，8引脚SOIC，和TO-252(DPAK)塑料封装。

参数指标
输出电流 (A) 1A；
输出电压 (V) Adj,1.5, 1.8, 2.5；
三端口可调节或固定输出电压(V)1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V ，5.0V；
输出电流 (A) 1A；
工作压差低至1V；
线荷载调节：0.2% Max；
负载调节：0.4% Max；
可选SOT-223,TO-252和SO-8封装。

2.7继电器
单片机是一个弱电器件,一般情况下它们大都工作在5V甚至更低.驱动电流在mA级以下.而要把它用于一些大功率场合,继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节.在这里,继电器驱动含有两个意思:一是对继电器进行驱动,因
为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件;还有就是继电器去驱动其他负载,比如继电器可以驱动中间继电器,可以直接驱动接触器,所以,继电器驱动就
是单片机与其他大功率负载接口，很重要。

控制电路如图2-7-1所示。

继电器工作原理: 线圈部分得电后，产生磁场。

在磁场力的作用下，执行机构联着触点，克服弹簧力动作。

失电时，磁场力消失，在弹簧力作用下，触点回
到原来的位置。

根据线圈在不得电时，触点是否断开，分为常开（N0)和常闭（NC)两种情况。

图2-7-1继电器控制电路
2.8声光报警
声光报警包括发光二级管闪亮和蜂鸣器发出声响。

电路如图2-8-1所示。

图2-8-1声光报警电路
二、软件设计
单片机控制电路采用C8051F340，主要实现对起重量的检测、报警、键盘设定最大重量、显示重量及最大重量报警。

显著特点是用软件简便实现某些硬件功
图3-1-1主控程序流程图
开始
密码输入AD 采样
显示ADC 值
进行重量标
定
进行AD 值处
理并显示安全范围内亮绿灯
超重蜂鸣器每隔20ms 响红灯闪烁
是否超重？是结束
密码是否正
确？
是
否
是否临近超重？
否否
预警蜂鸣器
每隔1s 响黄
灯闪烁是
继电器控制
能。

本系统使用单片机51C语言编程。

通过分析本系统的功能要求，系统程序可以划分为以下几个模块: 数据采集、键盘控制、报警和显示等子函数。

本系统的程序巧妙地利用通过转换之后的数据与设定的数据进行比较，做出相应的响应。

主控程序的流程图如图3-1-1所示。

三、系统测试分析
1、测试方法
（1）让电路正常工作，把拉力传感器放在适当的位置，将已知起重量控制在最大量程的90%（安全量程）内起重n次，看是否有声光报警以及继电器控制状态，判断是否正确，并对数码管显示数据进行误差分析。

（2）让电路正常工作，把拉力传感器放在适当的位置，将已知起重量控制在最大量程的90%-100%（预警量程）起重n次，看是否有声光报警以及继电器控制状态，判断时候正确，并对数码管显示数据进行误差分析。

（3）让电路正常工作，把拉力传感器放在适当的位置，将已知起重量控制在最大量程的100%-105%（超载量程）起重n次，看是否有声光报警以及继电器控制状态，判断时候正确，并对数码管显示数据进行误差分析。

（5）让电路正常工作，把拉力传感器放在适当的位置，将已知起重量控制在最大量程的105%（超载量程）以上起重n次，看是否有声光报警以及继电器控制状态，判断时候正确，并对数码管显示数据进行误差分析。

（6）改变设定值，重复以上测试，看是否有声光报警以及继电器控制状态，判断时候正确，并对数码管显示数据进行误差分析。

2、功能测试
（1）本系统可测量量程范围内及适当超量程重物重量并相应处理响应。

（2）当超重或者达到预警时，系统可以产生不同的相对应的声光报警及控制继电器，并可使用手动键盘解除报警信号和设定值及功能之间的切换。

（3）可用键盘设置、数码管显示：量程，运行、密码、检测、零点、标定、额重、超载值。

4位数码管所有数据都保留小数点后一位。

（4）可进行AD采样，显示所测重量，判断是否有预警 /超重发生。

三、结论
本系统采用了拉力传感器，它的制作简单、成本低，安装比较方便，而且起重量限制性能比较稳定，抗干扰能力强，灵敏度高，安全可靠。

核心处理器
C8051F340单片机同样拥有技术成熟，可靠稳定，价格低廉等优点。

配合继电器，发光二级管，数码管，蜂鸣器等，可靠更人性化，适合大批量生产使用。

系统只需要外界220V电源，方便安装使用。

自带电源转换处理部分可靠稳定不易受干扰。

实现了最大量程20T和运行、密码、检测、零点、标定、额重、超载的设定、报警及控制等功能。

此外，还有及时通过继电器控制防止因为无人处理导致损毁机器及自我保护功能。

四、指导教师评语及成绩
学生对课程设计一下几个方面综合评定：
设计目的及要求：明确【】不明确【】
设计涉及基本原理：完整【】不完整【】
设计方案：
设计总体思路：严谨【】存在纰漏【】
方案内容：条理清晰正确【】
条理一般，论述基本正确【】
条理混论，存在抄袭【】
还存在其他问题：
指导教师签字（盖章）：
批阅日期：2012年月日。