起重机超载限制器的设计

  一．概述本篇文章简要地讲述了起重机限制器的基本构成，并对其基本软硬件进行了简单的介绍。起重机限制器大多数都用在对工矿企业和施工现场的起重机，行车进行超载限制。当它进行工作时，若起重机承受重物在额定值的90%以内，则该限制器能显示重物的实际重量，若重物的重量超过额定值的90%但在105%以内，该限制器显示重物的实际重量的同时发出声光预警信号，若重物的重量达到或超过额定值的105%，该限制器将发出声光报警信号，同时自动切断起重机电源。该限制器还能自动记录超载的次数，供有关部门检查。

  根据上述的工作原理和技术方面的要求，可知该系统其实就是一个典型的数据采集与控制管理系统，数据采集的对象是一路压力（拉力），故选用压力（拉力）传感器进行物理量的测量，控制对象是断电及报警装置，故选用继电器及声响电路进行断电和报警。

  硬件电路如下图所示，模拟信号放大部分选用运算放大器 OP07，A/D转换器选用

  MC14433，系统主机选用8031单片机，扩充一片程序存储器2716，地址及数据锁存器选用74LS373,4线，数码显示部分选用BS212共阴数码管，音响部分选用一片KD9561。

  由电路图可知，硬件系统上电工作后，由压力（拉力）传感器来的微弱电信号（约20uV）经OP07送到MC14433进行A/D转换，MC14433送出的4位8421BCD码及4位选通信号一起送到8031单片机的P1口，8031根据P1口来的信号做处理判别后送到4511和MC1413译码驱动显示。若采集到的物重达到或超过额定值的90%，则由P3.0送出低电平驱动声光预警电路。105%，超载计数单元加1，由P3.1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。硬件部分还设计了一个掉电保护电路，当8031系统的电源发生意外情况突然下降或消失时，可由掉电保护电路保护8031内存单元中的内容。

  OP07是高精度，低失调电压的精密运放集成电路,用于微弱信号的放大,若使用双电源.能达到最好的效果。下面介绍一下它的引脚图资料。

  （2）A/D转换器MC14433双积分型由于两次积分时间相对来说比较长，所以转换速度慢，但精度能做到比较高；对周期变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也较好。

  常用的有3%位双积分A/D转换器MC14433（精度相当于11位二进制数）和4%位双积分A/D转换器ICL7135（精度相当于14位二进制数）。

  MC14433是3%位双积分型A/D转换器，优点：精度高、抗干扰性能好等，缺点：转换速度慢，约1~10次/秒。与国内产品5G14433完全相同，可互换。被转换电压量程为199.9mV或1.999V。转换完的数据以BCD码的形式分四次送出。

  CLKI、CLKO:外接振荡器时钟调节电阻RC，RC一般取470Q左右。

  DU：启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换结束后，自动启动新的转换。

  DS4〜DS1:分别为个、十、百、千位输出的选通脉冲，DS1对应千位，DS4对应个位。每

  个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。如图所示

  Q0〜Q3：BCD码数据输出线选通期间,输出三位完整的BCD码数，但在DS1（千位）选通期间，输出端Q0〜Q3除了表示个位0或1夕卜，还表示被转换电压的正负极性（Q2=1为正）、欠量程还是过量程，具体含义如表所示。

  1） 在Q0=“0”的条件下，Q3=0表示千位（1/2位）为1, “Q3=1”表示千位为0。

  3） Q0=“1”表示过量程或欠量程,Q3=0表示过量程，Q3=1表示欠量程。

  4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特

  点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大

  BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

  LT：3脚是测试输入端，当BI=1,LT=0时，译码输出全为1,不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8。”它主要用来检测数码管是否损坏。

  LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

  CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。8421BCD码对应的显示见下图：

  74LS373是单片机种常用的芯片。它是带三态缓冲输出的8D触发器，起引脚图与结构原理图如下：

  在任务的总体设计思想和硬件确定之后，就能开始设计程序，根据前面介绍的工作原 理和技术指标，软件设计应完成的任务为：

  初始化程序主要用来确定堆栈，程序状态字，对存储单元清零，让数码管闪烁显示全零 10 次。流程图如下所示：

  起重机在实际在做的工作前，超载限制器应先检测出起重机挂钩，承重绳等物体的重量，这里把 它们称为自重。当起重机实际起吊重物时，检测到的重量成为毛重，而物体的实际重量等于 毛重减去自重。程序中数据存储单元为31H（千位和百位），32H （十位和个位）数据采集子 程序流程图如下：

  系统开机工作后，首先调用数据采集子程序，获得自重值，然后分别将他们送到 27H 和 28H 单元。自重显示程序是从 27H 和 28H 单元中提取千，百，十，个位值，再配上选通

  由于起重机或吊车在吊起重物时存在着一定的加速度，这就会影响到传感器测得的信号

  的准确性。因此在这里当程序执行完自重测量和显示后，延时约 0.5S 后再进行毛重测量。

  同时采用两次采样，采样间隔约0.5S。如果相隔0.5S的两次采样值相等，则表明测量值准 确；否则，放弃第一次采样值，并再进行一次采样并比较，直到两次采样的值相等为止。下 面是流程图和程序：

  (5)判断是否预警或报警程序 在执行该程序之前，在中断服务程序中已将毛重值减去自重值，并将物体实际重量的千

  位和百位存于21H单元，十位和个位存于22H单元。该程序首先判断物体重量是不是达到或 超过额定值的 90%，如果达到或超过这一限定值，预警黄灯亮，并使音响电路发出鸣叫。 其次判断物体重量是不是达到或超过额定值 105%，如果超过这一限值，报警红灯亮，并使音

  响电路发出报警声，数码管显示当前的重量不再变化，超载计数单元加1。下图为程序流程 图：

  主程序中通过访问P3.4 口是否为“0”进入STEP中，该程序首先将十六进制转换成十 进制数，在进行组合显示。采用循环显示一段时间后返回主程序。程序流程图如下：

  本中断服务子程序用来实现掉电保护。由INTO发出中断请求，中断服务程序接着用P3.7 向定时器555的下触发端送出一个低电平，并置PCON （电源控制寄存器）的PD位（掉电方

  中断服务程序 INT1 通过用十六进制减法及十进制调整程序实现十进制数相减，来获 得物体的实际重量。

  由于传感器，放大器及 A/D 转换器存在一定的误差，当程序中出现自重减自重得负 值时，采取让显示器显示全0的办法来处理。中断服务程序INT1的流程图和程序如下： 程序如下：

  以上程序中， 自重值存储在27H,28H单元；毛重值存储在23H,24H单元，物体